負泊松比功能的結構復合紡紗技術進展

劉 賽，杜趙群，于偉東

(1.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620； 2.浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)，浙江 杭州 310018)

泊松比由法國科學家泊松(Simon Denis Poisson)發現并提出。Lakes[1]于1987年首次制成了人造負泊松比聚氨酯泡沫。隨后，為眾多領域學者所關注和研究，如在分子結構(二維)設計與實現上的研究[2]和在紗線(一維)拉脹性能上的研究[3]等。

對紗線來說，垂直于紗線拉伸方向(徑向)的應變εr與拉伸(軸向)應變ε之比為泊松比。若紗線拉伸時產生徑向膨脹變粗，則泊松比值(ν)為負值，故稱為負泊松比紗或拉脹材料。負泊松比紡紗本質為二軸系復合紡紗，是利用成紗在拉伸中皮層與芯層互換位置而使紗線輪廓直徑變粗的反包纏結構復合紗(又稱為拉脹紗線)。本文對于東華大學紡織材料與技術和纖維軟物質(Textile Materials and Technology-Fibrous Soft Materials，TMT-FSM)團隊在負泊松比紗的結構與成形技術方面的研究進行綜合對比，實現其在膨脹效果上逼近甚至微超理論最大負泊松比，為復合紡紗技術創新提供借鑒和理論依據。

1 負泊松比紗的結構與應用

1.1 一般結構

最早提出的負泊松比紗[4]為螺旋包纏結構，由彈性芯紗(多為氨綸絲)和剛性包纏組分(多為長絲束)構成，芯紗以伸直狀態位于負泊松比紗中心且與負泊松比紗同軸；長絲束以螺旋狀態包纏在芯紗表面。當拉伸負泊松比紗時，剛性長絲與彈性芯紗因性能差異發生位置和狀態的互換。螺旋結構負泊松比紗拉伸前后形態變化見圖1。

1—剛性包纏絲；2—彈性芯紗；D—芯紗直徑；d—長絲直徑。圖1 螺旋結構負泊松比紗拉伸前后形態變化

在無張力狀態下，假設負泊松比紗為剛體，其直徑為D+2d；拉伸至長絲束伸直時，負泊松比紗的直徑變為2D+d。故負泊松比紗的輪廓直徑變粗率δ為：

δ=(2D+d)/(D+2d)

(1)

當D>>d且忽略彈性芯紗的徑向變形(即直徑D為常數)時，δ趨近于2，則負泊松比紗因拉伸作用整體輪廓理論直徑可變粗1倍。由此可以看出，負泊松比紗成形初期主要是完成纖維硬度和彈性即纖維拉伸模量的選擇。

1.2 最大負泊松比

結合Miller等[5]用氨綸作為芯紗、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作為包纏組分，得到了泊松比為-2.1的負泊松比紗，由式(1)得到UHMWPE長絲在包纏氨綸時為扁平帶狀地包纏，即長絲束的厚度(dt)小于其被拉直復圓后的直徑(d)。假設長絲束能排成單層絲片，dt=df，則式(1)變為式(2)。

δ=(2D+d)/(D+2df)

(2)

式中：df為單絲的直徑，μm；dt為長絲束的厚度，μm。

當長絲束中包含單絲的根數N≥20時，d≥5df。所以只要滿足：2dt2)的復合紗。

設df=d/n，代入式(2)得：

(3)

式中n為復絲直徑d與包纏厚度dt的比值，n=d/dt。

當n→∞時，δ=(2+d/D)>2；當D→∞時，δ=2。因此增大D時最大負泊松比值(-νmax)只能逼近2，而增大d，若忽略長絲束包纏時的扁平化狀態，即d=dt，那-νmax只能接近于2，即-νmax≤2。通過長絲束以扁平化狀態進行包纏來增大負泊松比的方法也表明負泊松比紗成形技術研究已由選材進入更深層次的結構調控階段，而已有的研究很少有相關研究。

提高負泊松比效應更有效的方法是減小復絲中單絲的直徑df，即增加單絲的根數N，同時還可以促進復絲扁平化創新技術的發展以及化纖行業制備更細的長絲。TMT-FSM團隊正是在這一技術上取得突破性進展。

1.3 應 用

負泊松比紗及其織物具有突出的抗剪切性[7]、抗斷裂性[8]、抗壓痕性[9]、同向彎曲性[10]和能量吸收性[11]等。目前已有應用負泊松比結構和材料制作鞋面和鞋底的運動鞋[12]等相關專利產品。

2 負泊松比紗成形技術研究

根據負泊松比紗的結構特點，借助基本的復合紡紗系統或對其進行一定的改裝來完善紗線的成形過程，如環錠紡紗機等。通過二組分、三組分或者多組分的匯聚加捻形成負泊松比紗。在實際應用中，紗線的結構穩定性以及性能的均勻性是首要問題，因此對紡紗系統和成形方法的研究十分必要。TMT-FSM團隊從2012年開始致力于負泊松比紗的結構成形、性能表征以及形變機制的研究，以在負泊松比紗成形技術上取得了階段性研究進展。

2.1 二軸系負泊松比紗成形機構

基于環錠紡紗系統的前置預包繞管的負泊松比紗紡紗裝置[13]如圖2所示。

1—預包繞管；2—低張力喂絲器；3—短纖維須條；4—長絲；5—集束器；6—前羅拉；7—負泊松比紗；8—彈性絲；9—張力機構；10—有捻短纖維須條。圖2 前置預包繞管的負泊松比紗紡紗裝置

預包繞管可以實現剛性長絲與高捻短纖維須條的穩定包纏，而集束器可使得短纖維須條準確定位與集束。應用該裝置紡制負泊松比紗的復合紡紗方法是短纖維須條從前羅拉鉗口輸出后直接被加捻形成緊密且具有彈性的高捻須條，形成剛性長絲略嵌入高捻須條的負泊松比紗。展平包纏長絲束的過程即是結構調整的過程，通過增加d/dt比值來提高負泊松比效應，因此，將負泊松比紗定性為結構復合紗。

基于改進環錠紡的雙長絲負泊松比紗的紡紗裝置[14]如圖3所示。其主要特點是加裝了由可伸縮性定位導紗器構成的包纏角控制機構?？梢酝ㄟ^彈簧的伸長調節導紗孔的位置并結合紗線張力來控制包纏角度，實現螺旋包纏結構均勻可控且穩定的負泊松比紗。

1A—芯紗供給及喂入控制機構；1B—包纏紗供給機構；2—牽伸機構；3A—包纏紗喂入控制機構；3B—包纏角控制機構；4—卷繞機構。圖3 基于改進環錠紡的雙長絲負泊松比紗的紡紗裝置

2.2 三軸系負泊松比紗成形機構

三軸系錐筒式負泊松比紗復合紡紗裝置如圖4所示，此裝置主要由集束器、欠喂加彈器、展平板和錐筒構成[15]。利用該裝置可制備包含短纖維須條、彈力絲和剛性長絲束3組分的負泊松比紗。紡紗流程為短纖維須條和彈力絲匯聚加捻形成二軸系彈力紗，該過程用于增加其表面硬度；隨后，剛性長絲束經展平后包繞于錐筒上，并與由錐筒輸出的彈力紗作包纏，形成三軸系復合的負泊松比紗。該機構制備負泊松比紗時由于芯紗表面硬度提高可有效避免包纏絲的嵌入。

1—剛性長絲束；2—超喂器；3—展平板；4—錐筒；5—短纖維須條；6—集束器；7—彈力絲；8—欠喂加彈器；9—負泊松比紗；10—前羅拉鉗口。圖4 三軸系錐筒式負泊松比紗紡紗裝置

當選用包含更細更硬單絲的長絲束，即同樣細度的長絲束，具有10根甚至100根纖維，可以實現準單層狀態進行包纏的結構以及經過拉伸變形位于芯層時的圓柱體狀態，從而達到負泊松比值(-v)大于2.1的最佳效果。然而，目前這一領域的研究被限制在介觀尺度的亞微米尺度即100 nm～1 μm。

從結構創新的角度出發，提出了基于編織成紗系統的雙包纏結構的負泊松比紗的成形裝置和制備方法[16]，負泊松比紗的編織成紗裝置如圖5所示，該裝置可實現2根剛性長絲在彈性芯紗表面錯位的同向包纏。在軸向拉伸作用下，負泊松比紗輪廓直徑增大，具有顯著的負泊松比效應，同時結構穩定，成形性較好。為改善負泊松比紗結構和性能的穩定性，在包纏組分中引入熱熔絲，經包含熱熔絲的二軸系負泊松比紗的紡紗裝置成形[17]，包含熱熔絲的二軸系負泊松比紗的紡紗裝置如圖6所示。

1—芯紗紗管；2—積極喂紗羅拉；3—導紗孔；4—固定框；5—張力盤；6—彈性芯紗；7—導紗管；8—底座；9—包覆紗紗管；10—拉伸彈簧；11—包覆紗；12—匯聚點；13—第一導紗羅拉；14—拉脹復合紗；15—第二導紗羅拉；16—卷繞輥。圖5 雙包纏結構負泊松比紗的編織成紗裝置

1—彈性長絲；2—剛性長絲；3—熱熔絲；4—多位導紗器；5—前羅拉；6—拉脹紗。圖6 包含熱熔絲的二軸系負泊松比紗的紡紗裝置

通過熱定形處理，增強負泊松比紗組分間的相互作用，制備得到結構穩定且負泊松比效應顯著的復合紗線。該機構本質上是提高包纏絲硬度的準二軸系紡紗系統。

多組分負泊松比紗在選材以及連續成形技術方面的局限性有待進一步的深入探討，在考慮實際應用時，廣泛的選材范圍、成熟的紡紗成形技術以及穩定的負泊松比效應都是十分必要的。

3 結 論

為了進一步提高負泊松比紗的拉脹性能和成紗品質，TMT-FSM團隊提出了以結構調整為主的二軸系和三軸系結構復合紡紗裝置和成紗技術。負泊松比紡紗本質上是多軸系的復合紡紗，其成紗是可拉伸膨脹的纖維材料。

目前該紡紗技術已從原來的選擇彈性或剛性纖維的復合紡，進化到了調整結構的復合紡。特別是TMT-FSM團隊在改善芯紗體表面硬度和展平包纏復絲的雙重提升負泊松比的實用加工技術，并可使負泊松比值(-v)大于等于2。尤其是采用包含更細更硬單絲的復絲實現準單層狀態的包纏，使得最大負泊松比值(-vmax)大于2.1，是目前比較高的技術水平。在后續研究中應著重于超高彈性、軸向拉伸形變的響應性更快的高彈性負泊松比紗的結構設計與成形技術。