具有負泊松比效應的紗線研發

吳麗娟,崔 紅,吳湘怡,姚亞亞

(鹽城工學院 紡織服裝學院,江蘇 鹽城 224000)

泊松比指材料在受到拉伸時橫向的應變與拉伸方向應變的比值。有些材料拉伸受力時,由于分子結構本身的原因在宏觀上表現為橫向膨脹的材料稱為負泊松比材料,也稱拉脹材料。胡克等提出了一種新的幾何形狀和復合材料,用于螺旋纏繞紗線形式的拉脹行為,可以獲得較大的負泊松比。螺旋拉脹紗[1]可以在過濾和醫療保健中得到應用。其他研究人員開發了更多類型的拉脹紡織品[2]。胡紅等[3-4]設計出內旋折疊結構和內凹六邊形結構的針織織物結構,通過搭配特殊的織物結構設計出有負泊松比值的拉脹性織物。Ugbolue[5-6]和Alderson[7]等研發了新的織物結構,使用向內凹陷的六邊形在襯緯經編針織物中產生負泊松比效應。目前負泊松比紗線的主要結構為粗細不同、模量不同相互配置的包纏結構[8],而且紡紗工藝方法和其紡紗設備仍然不確定。因此,對負泊松比紗線進行設計、制備和理論分析,通過負泊松比紗線紡制以及負泊松比效果的研究,得出適合紡制負泊松比紗線的較優工藝參數,為進一步研究性能優良的負泊松比紗線奠定基礎。

1 原料和方法

1.1 原料

以氨綸長絲和丙綸長絲為原料,氨綸長絲細度為46.2、61.6 tex,丙綸長絲細度為11 tex。

1.2 紗線紡制方法

采用氨綸長絲和丙綸長絲在花式捻線機上進行負泊松比紗線的紡制,氨綸長絲作為芯紗,丙綸長絲作為包纏紗。根據花樣捻線機的工藝參數,考慮錠速和捻度這兩種因素3個水平的工藝變化對紗線負泊松比值的影響,確定正交試驗方案,然后通過數據處理得出較優的紗線性能對應的紡紗工藝參數。表1是氨綸/丙綸負泊松比紗線紡制正交試驗的因素與水平表。

表1 氨綸/丙綸負泊松比紗線紡制正交試驗因素與水平表

選表L934安排試驗,并對氨綸/丙綸負泊松比紗線紡制正交試驗進行表頭設計,見表2。

表2 氨綸/丙綸負泊松比正交試驗進行表頭設計

1.3 負泊松比測試方法

在YG(B)021DL電子單紗強力機上采用定伸長的方法進行測試,并將經過伸長的紗線固定在載玻片上,分別做5%、10%、15%、20%和25%的定伸長。快速使用標簽將紗線在不同拉伸狀態下的變化迅速固定,然后放到纖維細度儀下進行測試,在纖維細度儀上使用4倍顯微鏡頭,然后用電腦對玻片試樣進行圖像采集,每個載玻片上采集4個點,選擇4倍標尺文件,對圖像紗線橫向外輪廓進行測試,具體測試后經計算得出負泊松比值。對正交試驗9種紗線在電子單紗強力機上做5%、10%、15%、20%、25%的定伸長,并取樣進行負泊松比的測試。

2 結果與討論

2.1 方差分析

氨綸/尼龍負泊松比紗線紡制所得不同定伸長負泊松比正交試驗安排和結果見表3。

表3 負泊松比紗線正交試驗安排與試驗結果表

對表3中的數據進行方差分析,可以得到表4中的方差分析結果,在定伸長到達15%、20%、25%時,錠速對負泊松比的影響才逐漸表現出顯著性,其中顯著性最大的是在定伸長達到20%時。圖1給出了各方案對應的負泊松比值變化的情況。可以看出,在錠速低時所紡負泊松比紗線負泊松比效應更加明顯。

表4 負泊松比方差分析結果

由圖1～圖6可知大部分紗線在拉伸中先變細后有負泊松比效應的出現,總體上所有紗都有負泊松比效應的出現,看橫向趨勢快速出現負泊松比效應后,泊松比值逐漸變大,因為橫向變化相對縱向較小,就泊松比值來看第二管紗負泊松比最小達到-0.99。由于沒有考慮交互作用情況,泊松比值越小越好,根據數據的方差分析可看出,在定伸長5%,10%,15%,20%,25%情況下,錠速在15%情況下有較顯著影響,在20%情況下有顯著性影響。分析得出在錠速為4 000 r/min,捻度250捻/米時為優方案。

圖1 負泊松比值變化示意圖

圖2 5%伸長負泊松比回歸方程三維曲線

圖3 10%伸長負泊松比回歸方程三維曲線

圖4 15%伸長負泊松比回歸方程三維曲線

圖5 20%伸長負泊松比回歸方程三維曲線

圖6 25%定伸長負泊松比回歸方程三維曲線圖

2.2 芯紗細度對負泊松比值的影響

2種不同細度芯紗在5%,10%,15%,20%,25%定伸長下,制樣并測試求出平均值,然后代入公式后計算得出不同伸長下負泊松比的變化,根據數據繪制負泊松比值變化示意圖,得到不同芯紗細度負泊松比紗線的負泊松比變化趨勢圖如圖7所示。

圖7 不同芯紗細度負泊松比比值變化示意圖

從2組紗線對比來看都具有負泊松比效應,基本趨勢變化不大,但是在5%的低伸長時,46.2 tex和61.6 tex紗線的外輪廓先變細后才出現負泊松比效應,這種微觀變化現象是紗線結構由包纏結構變為相互纏繞結構的內在反應。在增大伸長后趨勢都是負泊松比數值逐漸變小,負泊松比效果越來越明顯,達到最小負峰值后,逐漸增大。這2種紗線分別在10%～15%時數值達到峰值。在0%～10%拉伸狀態下,46.2 tex紗線的負泊松比值都大于61.6 tex紗線的值,再加大拉伸時61.6 tex紗線的數據反而變大,由此發現較粗的氨綸芯負泊松比紗線的芯壓痕效應比較細的氨綸負泊松比紗線較嚴重。

3 結語

在花式捻線機上采用氨綸長絲和丙綸長絲進行負泊松比紗線的紡制,氨綸長絲作為芯紗,丙綸長絲作為包纏紗。設計了2個工藝參數的正交試驗,并測試所紡負泊松比紗線在定伸長5%,10%,15%,20%,25%時的負泊松比值,通過試驗數據方差分析和紗線形態測試,分析得到較佳負泊松比的較優紡紗工藝參數。經過方差分析可以看出,在定伸長5%,10%,15%,20%,25%情況下,錠速在15%情況下有較顯著影響,在20%情況下有顯著性影響。得出在錠速為4 000 r/min,捻度250捻/米時為優方案。不同細度的芯紗所紡負泊松比紗線的負泊松比值對比的結果是隨著定伸長程度的增加,負泊松比值逐漸增大,在0%～10%拉伸狀態下,46.2 tex紗線的負泊松比值都大于61.6 tex紗線的值,再加大拉伸時,61.6 tex紗線的數據反而變大,2種紗線分別在10%～15%時數值達到峰值,較粗的氨綸芯負泊松比紗線的芯壓痕效應比較細的氨綸負泊松比紗線較嚴重。通過對不同原料不同伸長下負泊松比值的變化以及較佳紡紗工藝參數的研究,為進一步研究開發具有負泊松比效應的織物奠定了基礎。