具有負(fù)泊松比效應(yīng)的紗線研發(fā)

吳麗娟,崔 紅,吳湘怡,姚亞亞

(鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,江蘇 鹽城 224000)

泊松比指材料在受到拉伸時(shí)橫向的應(yīng)變與拉伸方向應(yīng)變的比值。有些材料拉伸受力時(shí),由于分子結(jié)構(gòu)本身的原因在宏觀上表現(xiàn)為橫向膨脹的材料稱為負(fù)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(fù)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(fù)泊松比。螺旋拉脹紗[1]可以在過濾和醫(yī)療保健中得到應(yīng)用。其他研究人員開發(fā)了更多類型的拉脹紡織品[2]。胡紅等[3-4]設(shè)計(jì)出內(nèi)旋折疊結(jié)構(gòu)和內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)的針織織物結(jié)構(gòu),通過搭配特殊的織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出有負(fù)泊松比值的拉脹性織物。Ugbolue[5-6]和Alderson[7]等研發(fā)了新的織物結(jié)構(gòu),使用向內(nèi)凹陷的六邊形在襯緯經(jīng)編針織物中產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)。目前負(fù)泊松比紗線的主要結(jié)構(gòu)為粗細(xì)不同、模量不同相互配置的包纏結(jié)構(gòu)[8],而且紡紗工藝方法和其紡紗設(shè)備仍然不確定。因此,對(duì)負(fù)泊松比紗線進(jìn)行設(shè)計(jì)、制備和理論分析,通過負(fù)泊松比紗線紡制以及負(fù)泊松比效果的研究,得出適合紡制負(fù)泊松比紗線的較優(yōu)工藝參數(shù),為進(jìn)一步研究性能優(yōu)良的負(fù)泊松比紗線奠定基礎(chǔ)。

1 原料和方法

1.1 原料

以氨綸長(zhǎng)絲和丙綸長(zhǎng)絲為原料,氨綸長(zhǎng)絲細(xì)度為46.2、61.6 tex,丙綸長(zhǎng)絲細(xì)度為11 tex。

1.2 紗線紡制方法

采用氨綸長(zhǎng)絲和丙綸長(zhǎng)絲在花式捻線機(jī)上進(jìn)行負(fù)泊松比紗線的紡制,氨綸長(zhǎng)絲作為芯紗,丙綸長(zhǎng)絲作為包纏紗。根據(jù)花樣捻線機(jī)的工藝參數(shù),考慮錠速和捻度這兩種因素3個(gè)水平的工藝變化對(duì)紗線負(fù)泊松比值的影響,確定正交試驗(yàn)方案,然后通過數(shù)據(jù)處理得出較優(yōu)的紗線性能對(duì)應(yīng)的紡紗工藝參數(shù)。表1是氨綸/丙綸負(fù)泊松比紗線紡制正交試驗(yàn)的因素與水平表。

表1 氨綸/丙綸負(fù)泊松比紗線紡制正交試驗(yàn)因素與水平表

選表L934安排試驗(yàn),并對(duì)氨綸/丙綸負(fù)泊松比紗線紡制正交試驗(yàn)進(jìn)行表頭設(shè)計(jì),見表2。

表2 氨綸/丙綸負(fù)泊松比正交試驗(yàn)進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)

1.3 負(fù)泊松比測(cè)試方法

在YG(B)021DL電子單紗強(qiáng)力機(jī)上采用定伸長(zhǎng)的方法進(jìn)行測(cè)試,并將經(jīng)過伸長(zhǎng)的紗線固定在載玻片上,分別做5%、10%、15%、20%和25%的定伸長(zhǎng)?？焖偈褂脴?biāo)簽將紗線在不同拉伸狀態(tài)下的變化迅速固定,然后放到纖維細(xì)度儀下進(jìn)行測(cè)試,在纖維細(xì)度儀上使用4倍顯微鏡頭,然后用電腦對(duì)玻片試樣進(jìn)行圖像采集,每個(gè)載玻片上采集4個(gè)點(diǎn),選擇4倍標(biāo)尺文件,對(duì)圖像紗線橫向外輪廓進(jìn)行測(cè)試,具體測(cè)試后經(jīng)計(jì)算得出負(fù)泊松比值。對(duì)正交試驗(yàn)9種紗線在電子單紗強(qiáng)力機(jī)上做5%、10%、15%、20%、25%的定伸長(zhǎng),并取樣進(jìn)行負(fù)泊松比的測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 方差分析

氨綸/尼龍負(fù)泊松比紗線紡制所得不同定伸長(zhǎng)負(fù)泊松比正交試驗(yàn)安排和結(jié)果見表3。

表3 負(fù)泊松比紗線正交試驗(yàn)安排與試驗(yàn)結(jié)果表

對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,可以得到表4中的方差分析結(jié)果,在定伸長(zhǎng)到達(dá)15%、20%、25%時(shí),錠速對(duì)負(fù)泊松比的影響才逐漸表現(xiàn)出顯著性,其中顯著性最大的是在定伸長(zhǎng)達(dá)到20%時(shí)。圖1給出了各方案對(duì)應(yīng)的負(fù)泊松比值變化的情況?？梢钥闯?在錠速低時(shí)所紡負(fù)泊松比紗線負(fù)泊松比效應(yīng)更加明顯。

表4 負(fù)泊松比方差分析結(jié)果

由圖1～圖6可知大部分紗線在拉伸中先變細(xì)后有負(fù)泊松比效應(yīng)的出現(xiàn),總體上所有紗都有負(fù)泊松比效應(yīng)的出現(xiàn),看橫向趨勢(shì)快速出現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)后,泊松比值逐漸變大,因?yàn)闄M向變化相對(duì)縱向較小,就泊松比值來看第二管紗負(fù)泊松比最小達(dá)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(jù)數(shù)據(jù)的方差分析可看出,在定伸長(zhǎng)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(shí)為優(yōu)方案。

圖1 負(fù)泊松比值變化示意圖

圖2 5%伸長(zhǎng)負(fù)泊松比回歸方程三維曲線

圖3 10%伸長(zhǎng)負(fù)泊松比回歸方程三維曲線

圖4 15%伸長(zhǎng)負(fù)泊松比回歸方程三維曲線

圖5 20%伸長(zhǎng)負(fù)泊松比回歸方程三維曲線

圖6 25%定伸長(zhǎng)負(fù)泊松比回歸方程三維曲線圖

2.2 芯紗細(xì)度對(duì)負(fù)泊松比值的影響

2種不同細(xì)度芯紗在5%,10%,15%,20%,25%定伸長(zhǎng)下,制樣并測(cè)試求出平均值,然后代入公式后計(jì)算得出不同伸長(zhǎng)下負(fù)泊松比的變化,根據(jù)數(shù)據(jù)繪制負(fù)泊松比值變化示意圖,得到不同芯紗細(xì)度負(fù)泊松比紗線的負(fù)泊松比變化趨勢(shì)圖如圖7所示。

圖7 不同芯紗細(xì)度負(fù)泊松比比值變化示意圖

從2組紗線對(duì)比來看都具有負(fù)泊松比效應(yīng),基本趨勢(shì)變化不大,但是在5%的低伸長(zhǎng)時(shí),46.2 tex和61.6 tex紗線的外輪廓先變細(xì)后才出現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng),這種微觀變化現(xiàn)象是紗線結(jié)構(gòu)由包纏結(jié)構(gòu)變?yōu)橄嗷ダp繞結(jié)構(gòu)的內(nèi)在反應(yīng)。在增大伸長(zhǎng)后趨勢(shì)都是負(fù)泊松比數(shù)值逐漸變小,負(fù)泊松比效果越來越明顯,達(dá)到最小負(fù)峰值后,逐漸增大。這2種紗線分別在10%～15%時(shí)數(shù)值達(dá)到峰值。在0%～10%拉伸狀態(tài)下,46.2 tex紗線的負(fù)泊松比值都大于61.6 tex紗線的值,再加大拉伸時(shí)61.6 tex紗線的數(shù)據(jù)反而變大,由此發(fā)現(xiàn)較粗的氨綸芯負(fù)泊松比紗線的芯壓痕效應(yīng)比較細(xì)的氨綸負(fù)泊松比紗線較嚴(yán)重。

3 結(jié)語

在花式捻線機(jī)上采用氨綸長(zhǎng)絲和丙綸長(zhǎng)絲進(jìn)行負(fù)泊松比紗線的紡制,氨綸長(zhǎng)絲作為芯紗,丙綸長(zhǎng)絲作為包纏紗。設(shè)計(jì)了2個(gè)工藝參數(shù)的正交試驗(yàn),并測(cè)試所紡負(fù)泊松比紗線在定伸長(zhǎng)5%,10%,15%,20%,25%時(shí)的負(fù)泊松比值,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析和紗線形態(tài)測(cè)試,分析得到較佳負(fù)泊松比的較優(yōu)紡紗工藝參數(shù)。經(jīng)過方差分析可以看出,在定伸長(zhǎng)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(shí)為優(yōu)方案。不同細(xì)度的芯紗所紡負(fù)泊松比紗線的負(fù)泊松比值對(duì)比的結(jié)果是隨著定伸長(zhǎng)程度的增加,負(fù)泊松比值逐漸增大,在0%～10%拉伸狀態(tài)下,46.2 tex紗線的負(fù)泊松比值都大于61.6 tex紗線的值,再加大拉伸時(shí),61.6 tex紗線的數(shù)據(jù)反而變大,2種紗線分別在10%～15%時(shí)數(shù)值達(dá)到峰值,較粗的氨綸芯負(fù)泊松比紗線的芯壓痕效應(yīng)比較細(xì)的氨綸負(fù)泊松比紗線較嚴(yán)重。通過對(duì)不同原料不同伸長(zhǎng)下負(fù)泊松比值的變化以及較佳紡紗工藝參數(shù)的研究,為進(jìn)一步研究開發(fā)具有負(fù)泊松比效應(yīng)的織物奠定了基礎(chǔ)。