具有负泊松比效应的纱线研发

吴丽娟,崔 红,吴湘怡,姚亚亚

(盐城工学院 纺织服装学院,江苏 盐城 224000)

泊松比指材料在受到拉伸时横向的应变与拉伸方向应变的比值。有些材料拉伸受力时,由于分子结构本身的原因在宏观上表现为横向膨胀的材料称为负泊松比材料,也称拉胀材料。胡克等提出了一种新的几何形状和复合材料,用于螺旋缠绕纱线形式的拉胀行为,可以获得较大的负泊松比。螺旋拉胀纱[1]可以在过滤和医疗保健中得到应用。其他研究人员开发了更多类型的拉胀纺织品[2]。胡红等[3-4]设计出内旋折叠结构和内凹六边形结构的针织织物结构,通过搭配特殊的织物结构设计出有负泊松比值的拉胀性织物。Ugbolue[5-6]和Alderson[7]等研发了新的织物结构,使用向内凹陷的六边形在衬纬经编针织物中产生负泊松比效应。目前负泊松比纱线的主要结构为粗细不同、模量不同相互配置的包缠结构[8],而且纺纱工艺方法和其纺纱设备仍然不确定。因此,对负泊松比纱线进行设计、制备和理论分析,通过负泊松比纱线纺制以及负泊松比效果的研究,得出适合纺制负泊松比纱线的较优工艺参数,为进一步研究性能优良的负泊松比纱线奠定基础。

1 原料和方法

1.1 原料

以氨纶长丝和丙纶长丝为原料,氨纶长丝细度为46.2、61.6 tex,丙纶长丝细度为11 tex。

1.2 纱线纺制方法

采用氨纶长丝和丙纶长丝在花式捻线机上进行负泊松比纱线的纺制,氨纶长丝作为芯纱,丙纶长丝作为包缠纱。根据花样捻线机的工艺参数,考虑锭速和捻度这两种因素3个水平的工艺变化对纱线负泊松比值的影响,确定正交试验方案,然后通过数据处理得出较优的纱线性能对应的纺纱工艺参数。表1是氨纶/丙纶负泊松比纱线纺制正交试验的因素与水平表。

表1 氨纶/丙纶负泊松比纱线纺制正交试验因素与水平表

选表L934安排试验,并对氨纶/丙纶负泊松比纱线纺制正交试验进行表头设计,见表2。

表2 氨纶/丙纶负泊松比正交试验进行表头设计

1.3 负泊松比测试方法

在YG(B)021DL电子单纱强力机上采用定伸长的方法进行测试,并将经过伸长的纱线固定在载玻片上,分别做5%、10%、15%、20%和25%的定伸长。快速使用标签将纱线在不同拉伸状态下的变化迅速固定,然后放到纤维细度仪下进行测试,在纤维细度仪上使用4倍显微镜头,然后用电脑对玻片试样进行图像采集,每个载玻片上采集4个点,选择4倍标尺文件,对图像纱线横向外轮廓进行测试,具体测试后经计算得出负泊松比值。对正交试验9种纱线在电子单纱强力机上做5%、10%、15%、20%、25%的定伸长,并取样进行负泊松比的测试。

2 结果与讨论

2.1 方差分析

氨纶/尼龙负泊松比纱线纺制所得不同定伸长负泊松比正交试验安排和结果见表3。

表3 负泊松比纱线正交试验安排与试验结果表

对表3中的数据进行方差分析,可以得到表4中的方差分析结果,在定伸长到达15%、20%、25%时,锭速对负泊松比的影响才逐渐表现出显著性,其中显著性最大的是在定伸长达到20%时。图1给出了各方案对应的负泊松比值变化的情况。可以看出,在锭速低时所纺负泊松比纱线负泊松比效应更加明显。

表4 负泊松比方差分析结果

由图1～图6可知大部分纱线在拉伸中先变细后有负泊松比效应的出现,总体上所有纱都有负泊松比效应的出现,看横向趋势快速出现负泊松比效应后,泊松比值逐渐变大,因为横向变化相对纵向较小,就泊松比值来看第二管纱负泊松比最小达到-0.99。由于没有考虑交互作用情况,泊松比值越小越好,根据数据的方差分析可看出,在定伸长5%,10%,15%,20%,25%情况下,锭速在15%情况下有较显著影响,在20%情况下有显著性影响。分析得出在锭速为4 000 r/min,捻度250捻/米时为优方案。

图1 负泊松比值变化示意图

图2 5%伸长负泊松比回归方程三维曲线

图3 10%伸长负泊松比回归方程三维曲线

图4 15%伸长负泊松比回归方程三维曲线

图5 20%伸长负泊松比回归方程三维曲线

图6 25%定伸长负泊松比回归方程三维曲线图

2.2 芯纱细度对负泊松比值的影响

2种不同细度芯纱在5%,10%,15%,20%,25%定伸长下,制样并测试求出平均值,然后代入公式后计算得出不同伸长下负泊松比的变化,根据数据绘制负泊松比值变化示意图,得到不同芯纱细度负泊松比纱线的负泊松比变化趋势图如图7所示。

图7 不同芯纱细度负泊松比比值变化示意图

从2组纱线对比来看都具有负泊松比效应,基本趋势变化不大,但是在5%的低伸长时,46.2 tex和61.6 tex纱线的外轮廓先变细后才出现负泊松比效应,这种微观变化现象是纱线结构由包缠结构变为相互缠绕结构的内在反应。在增大伸长后趋势都是负泊松比数值逐渐变小,负泊松比效果越来越明显,达到最小负峰值后,逐渐增大。这2种纱线分别在10%～15%时数值达到峰值。在0%～10%拉伸状态下,46.2 tex纱线的负泊松比值都大于61.6 tex纱线的值,再加大拉伸时61.6 tex纱线的数据反而变大,由此发现较粗的氨纶芯负泊松比纱线的芯压痕效应比较细的氨纶负泊松比纱线较严重。

3 结语

在花式捻线机上采用氨纶长丝和丙纶长丝进行负泊松比纱线的纺制,氨纶长丝作为芯纱,丙纶长丝作为包缠纱。设计了2个工艺参数的正交试验,并测试所纺负泊松比纱线在定伸长5%,10%,15%,20%,25%时的负泊松比值,通过试验数据方差分析和纱线形态测试,分析得到较佳负泊松比的较优纺纱工艺参数。经过方差分析可以看出,在定伸长5%,10%,15%,20%,25%情况下,锭速在15%情况下有较显著影响,在20%情况下有显著性影响。得出在锭速为4 000 r/min,捻度250捻/米时为优方案。不同细度的芯纱所纺负泊松比纱线的负泊松比值对比的结果是随着定伸长程度的增加,负泊松比值逐渐增大,在0%～10%拉伸状态下,46.2 tex纱线的负泊松比值都大于61.6 tex纱线的值,再加大拉伸时,61.6 tex纱线的数据反而变大,2种纱线分别在10%～15%时数值达到峰值,较粗的氨纶芯负泊松比纱线的芯压痕效应比较细的氨纶负泊松比纱线较严重。通过对不同原料不同伸长下负泊松比值的变化以及较佳纺纱工艺参数的研究,为进一步研究开发具有负泊松比效应的织物奠定了基础。