常玉萍，馬丕波，鐘文鑫，繆旭紅，蔣高明

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

基于經編網眼結構的負泊松比織物設計

常玉萍，馬丕波，鐘文鑫，繆旭紅，蔣高明

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

為開發(fā)具有實際意義的負泊松比織物，探討工藝參數對織物拉脹效果的影響?；谕嵝钡牧蔷W眼，采用旋轉結構受到拉伸時展開擴張的原理進行負泊松比經編織物的設計。實驗選用滌綸低彈絲編織地組織，前梳采用錦綸編織缺墊與編鏈組織，設計了4種組織方案，通過調節(jié)每種組織方案下織物的前梳送經量，對各工藝參數的影響進行分析。實驗結果表明，原料的性能，特別是紗線的剛度和彈性對織物負泊松比效果有很重要的影響；前梳編鏈組織結構的送經量對織物的負泊松比效果也有一定的影響，同時織物的負泊松比性能與地組織的歪斜程度具有明顯的關系。

負泊松比；經編；組織結構；網眼結構

負泊松比材料在紡織領域的研究是近20年才開始的[1]，在針織領域的研究更是發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)材料相比，負泊松比材料的很多性能得到了增強，如力學性能、抗壓痕性、斷裂韌性[2]、能量吸收性[3]等，從而使其在服裝、醫(yī)用、復合材料等領域具有更廣闊的應用前景。基于螺旋形紗線結構[4]的作用原理，Ugbolue等[5]研究出了由編鏈縱行和襯緯紗組成的經編針織結構，縱行是用較粗且剛度較低的長絲編織的開口線圈，高剛度的襯墊紗則墊在開口線圈中。Ugbolue等[5]又以編鏈為基礎結構，只采用2把梳櫛，第1把滿穿，編織基礎編鏈，第2把部分穿紗，編織襯墊結構，研究出了具有負泊松比的經編襯墊組織。Ugbolue等[6]還在非負泊松比的經編六角網眼結構的基礎上采用高彈紗研究出了負泊松比經編結構，采用2把梳櫛墊入滌綸包覆的彈性紗，墊在編織方向的線圈縱行之間。Alderson等[7]根據三角形或雙箭頭的負泊松比結構，用經編編織技術進行結構的重建，設計出一系列由負泊松比部分和穩(wěn)定部分組成的織物結構。胡紅等[8]設計了新型三維間隔針織物，其表層織物為由2個排成V字形的平行四邊形組成的幾何結構?；趦劝剂呅蝃9-10]的負泊松比性能，胡紅等[11]研究出了2種由電腦橫機織出的織物結構，第1種是利用移床和引塔夏技術形成的真六邊形結構，第2種是采用彈性紗線形成的假內凹六邊形結構。胡紅等[12]又提出了正反線圈矩形排列形成的織物和正反線圈在水平和豎直方向上條形排列形成的織物。

雖然目前負泊松比織物的研究很多，但基本偏向于理論探索，可具有實際意義的織物設計還未見報道。本文主要基于歪斜的六角網眼，采用了旋轉結構[13-14]受到拉伸時展開擴張的原理進行負泊松比經編織物的設計[15-16]。選用了滌綸低彈絲和錦綸進行編織，并設計了4種不同的組織方案，對每種組織方案下的織物都進行前梳送經量的調節(jié)，從而對各要素的影響進行分析和探究。

1 理論分析

1.1 織物設計原理

根據產生負泊松比效應的旋轉結構原理，設計了六角網眼旋轉變形結構，如圖1所示。

圖1 旋轉變形六角網眼結構Fig.1 Rotating tulle net structure

主要思路是以經編中最典型的六角網眼為地組織，額外加入1把編鏈梳作不對稱編織，使得原本結構規(guī)整的六角網眼受力不均衡，從而在自然狀態(tài)下發(fā)生有規(guī)律的左右歪斜。在受到橫向或縱向拉伸時，歪斜的六角網眼就會發(fā)生旋轉展開，逆變形至原本規(guī)整的六角網眼狀態(tài)。在編織成形的過程中，該六角網眼規(guī)律性的左右歪斜越明顯，其織物的負泊松比效應也越明顯，織物結構如圖2所示。

圖2 織物結構示意圖Fig.2 Fabric structure diagram

1.2 幾何模型建立

根據上述的負泊松比經編織物設計思路，對織物的變形原理作進一步的理論分析，推導出各幾何參數與泊松比值之間的影響關系，將該結構看成是剛性結構，則其重復單元的幾何模型如圖3所示。

圖3 重復單元幾何模型Fig.3 Geometrical model of repeat unit

圖3中，l1和l2分別是六邊形的左右兩邊邊長和上下四邊邊長。由于地組織為經編六角網眼結構，而該網眼組織為對稱墊紗，所以理想狀態(tài)下六邊形上(或下)2條短邊與橫向水平線之間的夾角相等，用α表示。θ為六邊形左右側邊與橫向水平線之間的夾角。h為該重復單元的縱向長度，d為該重復單元的橫向寬度。則該結構在初始狀態(tài)下縱向長度和橫向寬度與重復單元之間的關系式為

h=3h1+2h2=3l2sinα+2l1sinθ

(1)

d=3l2cosα

(2)

根據泊松比值的定義，得到泊松比值如下：

(3)

式(3)為泊松比值與各幾何參數的關系式，h″和d″為受橫向拉伸后的值，h′和d′為初始變形狀態(tài)下的值。

將式(1)、(2)代入式(3)中，經化簡可得到：

(4)

式(4)為泊松比值與六邊形各邊長及其角度的關系式。其中α2和θ2為受橫向拉伸后的角度，α1和θ1為初始變形狀態(tài)下的角度。

1.3 數值計算與分析討論

假定α1=45°，θ1=45°，α2=0°，θ2=90°，代入式(4)計算得到：

(5)

由于織物中l(wèi)1和l2的大小與組織結構以及前梳編鏈和缺墊部分的送經量有關，因此可推斷織物的負泊松比效果受前梳編鏈和缺墊部分的送經量大小的影響。由于α和θ的值在整個變形過程中是不定的，而所假定的α和θ值為2種較為極端的情況，因此可推斷在織物受橫向拉伸變形過程中，織物的負泊松比性能也與其地組織六角網眼的歪斜角度有一定關系。

2 實驗部分

2.1 組織結構設計

實驗采用55.56 dtex/24 f滌綸DTY編織六角網眼地組織，44.44 dtex/12 f錦綸FDY編織缺墊編鏈。通過設計4種不同結構的經編織物，來比較前梳編鏈跨過針距數對織物負泊松比效果的影響。其中每塊織物都采用3把梳櫛，且采用同樣的穿紗對紗，不同的是組織1#、組織2#、組織3#、組織4#的前梳編鏈部分分別是1針編鏈、2針編鏈、3針編鏈、4針編鏈，其詳細織物設計方案如表1所示。圖4為各組織織物的仿真結構圖。圖5為各組織織物實物圖。每種組織下都對前梳進行分段送經，并改變其部分送經量，以考察其對織物負泊松比效果的影響。

表1 不同組織設計方案Tab.1 Schemes of different structures

圖4 織物仿真圖Fig.4 Simulation diagrams of fabrics.(a) Structure 1#; (b) Structure 2#; (c) Structure 3#; (d) Structure 4#

圖5 織物實物圖Fig.5 Actual knitted fabrics produced from stitch patterns.(a) Structure 1#; (b) Structure 2#; (c) Structure 3#; (d) Structure 4#

2.2 織物織造與數據測量

該織物的織造選用了KS4-6槽針特里科型經編機，機器參數為：總針數1176，機號E28，梳櫛數4，幅寬106.68 cm，轉速300 r/min。

根據泊松比的定義，對所有試樣隨機截取適當的長度，用夾子將織物橫向固定，保證其初始狀態(tài)平整無皺褶，且基本不受橫向力的作用。設定初始寬度為50 mm，測量縱向2點的初始距離，再將夾持寬度依次增加1 mm，即橫向應變依次按照初始寬度的2%遞增，同時測量織物正中間縱向兩點間的距離，從而得到織物載荷方向(即橫向)的應變值與垂直于載荷方向(即縱向)的應變值，再根據公式分別計算得出所有試樣的泊松比值。

3 結果與分析

3.1 實驗數據統(tǒng)計

對組織編號為1#、2#、3#、4#的所有織物試樣都進行了泊松比值的測定和計算。組織編號為1#、2#、3#的織物中測量出的最大負泊松比值分別為-0.5，-0.2，-0.1。圖6示出各組織織物泊松比值與橫向應變的關系。各組織織物試樣1至試樣4的編鏈部分送經量依次遞減100 mm/460 courses。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 前梳組織結構的影響分析

上述實驗所述組織編號為1#、2#、3#、4#的織物地組織都一樣，前梳則分別采用1針編鏈加缺墊、2針編鏈加缺墊、3針編鏈加缺墊和4針編鏈加缺墊。對試織所得4種組織織物的觀察發(fā)現，組織編號為2#、3#、4#的織物中六角網眼地組織歪斜與組織1#的織物相比較為明顯，即1針編鏈加缺墊對六角網眼地組織左右歪斜現象的影響最小。設定織物橫列方向為x方向，縱行方向為y方向，則六角網眼地組織的受力平衡，結構穩(wěn)定，而1針編鏈加缺墊僅僅是在織物每個縱行(y方向)上使六角網眼受力不勻，即1針缺墊編鏈對地組織施加的力主要存在于y方向，因此織物很難在x方向上發(fā)生有效的變形，要么是在受力不勻的情況下使織物六角網眼地組織無序地左右歪斜，要么就是使地組織發(fā)生扭曲而不是左右歪斜，使得織物布面效果相對比較無序，沒有統(tǒng)一的左右歪斜現象。對于前梳作2針編鏈加缺墊組織而言，當前梳在兩針之間橫移時，其延展線對地組織產生了x方向的作用力，使得地組織在力的作用下左右歪斜，呈現相對較明顯的歪斜現象，3針編鏈加缺墊組織和4針編鏈加缺墊組織也是同樣。

但從實驗數據的分析可看出，雖然組織為1#的織物地組織網眼左右歪斜不明顯且較無序，但組織為1#的織物負泊松比效應比其他3種組織更明顯。可見，織物的負泊松比效應并不一定隨著其地組織網眼左右歪斜程度的增大而增大。初步分析認為，雖然前梳作2針編鏈加缺墊、3針編鏈加缺墊和4針編鏈加缺墊時，織物在其橫向力的作用下左右歪斜更明顯，但由于其加強了各個縱行間的聯系，使得織物的結構更加穩(wěn)定，從而限制了縱橫向的延伸性，并且延展線越長，織物的橫向延伸性就越小，織物也就越穩(wěn)定，因此與其他3種相比，4針編鏈加缺墊組織織物的橫向延伸性最小，本次試織的所有組織為4#的試樣完全不具備負泊松比效應，而1針編鏈加缺墊組織的負泊松比效應最明顯。

注：圖中數字標注前半部分為編鏈，后半部分為送經量。圖6 各組織織物泊松比值與橫向應變的關系Fig.6 Diagrams of Poisson′s ratios and lateral strains.(a) Structure 1#; (b) Structure 2#; (c) Structure 3#; (d) Structure 4#

3.2.2 前梳編鏈部分送經量的影響分析

在保證地組織送經量相同且每種前梳缺墊部分送經量不變的前提下，對每個試樣前梳編鏈部分的送經量都各采取了多種方案進行調試。

由以上各個泊松比值與橫向應變百分比的曲線圖可看出，隨著前梳編鏈部分送經量的適當增大，織物的負泊松比性能也會相應提高。理論分析認為，與缺墊部分送經量類似，過小的編鏈部分送經量會限制織物的縱向延伸性，使其穩(wěn)定性提高，負泊松比效果卻相應降低，所以前梳編鏈部分送經量越小，其織物負泊松比性能越低。但織物的負泊松比性能也不會隨著前梳編鏈部分送經量的增大而無限增大。倘若前梳編鏈部分送經量過大，會造成斷紗頻繁，織造困難，因此需始終將前梳編鏈部分送經量控制在可順利織造的適當范圍內。

4 結論與展望

負泊松比材料由于其不同于常規(guī)織物的拉脹性能[15]而逐漸受到人們的注意。但在紡織領域，實用且具有顯著負泊松比性能的紡織材料，特別是通過織造方法、織造參數、組織變化的方法來獲得負泊松比性能的織物還很空缺。而經編具有生產高效、花式多樣和結構靈活等特點，是一種重要的紡織品加工方法[16]，在織造負泊松比織物方面有很大的潛力。本文使用E28的KS4-6槽針特里科型經編機，采用55.56 dtex/24 f滌綸DTY編織六角網眼地組織，用44.44 dtex/12 f錦綸FDY編織缺墊編鏈，分別設計了4種類似的組織進行試織，并分別對前梳的缺墊部分和編鏈部分的送經量進行調整，以實驗織物組織結構和送經量對織物負泊松比性能的影響。得出以下結論。

1)原料的性能對織物負泊松比效果有很重要的影響，特別是紗線的剛度和彈性。為提高織物負泊松比性能，地組織應采用剛度較大的紗線，而前梳缺墊編鏈則應采用彈性較好的紗線。

2)前梳的組織結構對織物的負泊松比效果也有一定的影響。在采用滌綸DTY作地組織，錦綸FDY作前梳缺墊編鏈時，前梳編織1針編鏈加缺墊的織物負泊松比效果最明顯。編鏈橫移針數越大，織物的結構越穩(wěn)定，負泊松比效果越差。

3)前梳編鏈部分的送經量對織物的負泊松比效果也有影響。在采用滌綸DTY作地組織，錦綸FDY作前梳缺墊編鏈時，前梳編鏈部分送經量在一定限度內越小，織物負泊松比效應越不明顯。

FZXB

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Design of auxetic fabrics based on warp-knitted net structure

CHANG Yuping,MA Pibo,ZHONG Wenxin,MIAO Xuhong,JIANG Gaoming

(EngineeringResearchCenterofKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to develop a realistically applicable auxetic fabric and study the influence of production parameters on its auxetic performance,the principle of rotational structures based on deflective tulle nets which unfold when being stretched was adopted to the design of the auxetic warp knitted fabrics.Polyester DTY was chosen to knit basic structures and nylon was used for miss-lapping chains of front bar.Then four knitting plans were designed and let-off values of each sample were adjusted during the weaving process to summarize the effectiveness of all the factors.Experimental results show that properties of yarns have a significant influence on fabric auxetic effects,especially on yarns stiffness and elasticity.The let-off values of front bars′ chain parts also have some effects and its auxetic properties have a complicated correlation with the degree of tulle nets deflection as well.

negative Poisson′s ratio; warp knitting; structure; net structure

10.13475/j.fzxb.20150701906

2015-07-08

2015-11-02

獲獎說明：本文榮獲中國紡織工程學會頒發(fā)的第16屆陳維稷優(yōu)秀論文獎

國家自然科學基金項目(11302085)；江蘇省自然科學基金項目(BK20151129)；江蘇省產學研項目(BY2014023-34)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(JUSRP5140A)

常玉萍(1993—)，女，碩士生。研究方向為產業(yè)用針織結構設計與性能。馬丕波，通信作者，E-mail：mapibo@jiangnan.edu.cn。

TS 184.3；TS 186.1

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