负泊松比针织技术研究及产品创新_陈秀玲.pdf

2023 年第 2 期针织技术当拉伸材料时，垂直于拉伸方向的长度会变宽；当压缩材料时，垂直于拉伸方向的长度会变窄。具有此种特性的材料称为负泊松比材料，又称为拉胀材料。近年来，负泊松比材料由于具有优异的特性，如抗剪切性能、抗压痕性能、抗断裂性能、吸能隔振，良好的透湿透气性及表面贴合性等吸引了很多学者及研究人员，大量具有负泊松比效应的材料被开发。目前，大多数负泊松比纺织品都是基于针织负泊松比针织技术研究及产品创新基金项目：企事业委托科研项目（0239E46000190339）（19）FZ020。作者简介：陈秀玲（1998），女，硕士研究生。主要从事针织服装设计与工艺的研究。通讯作者：宋晓霞（1972），女，教授，博士。Email：songxiaoxiavivian126com。陈秀玲，宋晓霞摘要：为了进一步开发可广泛投入生产应用的负泊松比针织物，阐述负泊松比针织技术及产品发展情况。目前负泊松比材料的制备方法有两种，一是直接将具有负泊松比效应的纤维或纱线织造成负泊松比织物；二是采用常见纤维或纱线通过具有负泊松比效应的几何结构模型来实现。在针织技术的实际应用中多采用后者，使用针织技术生产负泊松比针织结构包括二维经编结构、三维经编结构、二维纬编结构和三维纬编结构。本文通过分析负泊松比针织产品在服用领域、产业用领域和医疗领域中的创新应用，指出目前负泊松比针织产品存在的问题，并提出材料组合、工艺结合和领域拓宽是负泊松比针织产品的发展前景，为今后开发负泊松比针织物提供理论指导。关键词：负泊松比；针织技术；产品创新；经编结构；纬编结构；发展前景中图分类号：TS 184文献标志码：A文章编号：1000-4033（2023）02-0011-06Negative Poisson s Ratio Knitting Technology Study and Product InnovationChen Xiuling，Song Xiaoxia（School of Textile and Clothing，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）Abstract：In order to further develop negative Poissons ratio knitted fabrics which can be widely put intoproduction and application，the negative Poissons ratio knitting technology and products are described At present，there are two methods for preparing negative Poissons ratio materials One is to directly knit the fiber or yarn withnegative Poissons ratio effect into a fabric with negative Poissons ratio，the other is to use common fiber or yarnthrough the geometric structure model with negative Poissons ratio effect The latter is mostly used in the actualapplication of knitting technology The use of knitting technology to produce negative Poissons ratio knittedstructures includes two dimensional warp structures，three dimensional warp structures，two dimensional weftstructures and threedimensional weft structures By analyzing the innovative application of negative Poissons ratioknitted products in the field of clothing，industry and medical fields，this paper points out the current problems ofnegative Poissons ratio knitted products，and puts forward that the material combination，process combination andfield expansion are the development prospect of knitted products with negative Poisson ratio，which providetheoretical guidance for the development of knitted products with negative Poisson ratio in the futureKey words：Negative Poissons Ratio；Knitting Technology；Product Innovation；Warp Knitted Structure；WeftKnitted Structure；Development Prospectst（上海工程技术大学 纺织服装学院，上海201620）112023 年第 2 期针织技术结构织造的，因为与梭织和编织相比，针织技术不仅生产效率高，由于加工灵活性和针织结构多样性及高变形性，对复杂形状具有优异适应性，更容易实现负泊松比效应1。但负泊松比针织纺织品的开发和应用仍处于初级阶段，实现负泊松比效应的针织技术还不成熟，但负泊松比针织物在航天航空、生物医疗、国防军事、纺织工业等领域仍具有较大市场潜力和发展空间。1负泊松比材料制备方法制备负泊松比材料的方法目前有两种：一是直接将具有负泊松比效应的纤维或纱线织造成负泊松比织物，所织造的织物仍具有负泊松比效应；二是采用常见纤维或纱线，通过具有负泊松比效应的几何结构模型来实现。11负泊松比材料19世纪，Voigt2已经在一些天然材料中发现了负泊松比效应，如黄铁矿单晶体、硅酸盐方石英、沸石、砷、镉以及生物材料中多孔的松质骨骼，当时的负泊松比材料仅发现于天然材料，并没有引起太多关注。近年来，一些负泊松比材料被研究人员发现和开发，除了天然负泊松比材料，还包括负泊松比聚合物、负泊松比复合材料以及负泊松比纺织品（纤维、纱线及织物），见表13。使用负泊松比材料可直接生产出负泊松比产品。12负泊松比几何结构模型许多学者为了解释负泊松比材料产生负泊松比效应的变形机理，建立了一系列几何结构模型，这些结构具有广泛的适用性，基于这些几何结构模型使用普通纱线便可开发负泊松比织物。目前在负泊松比针织物开发过程中常采用的几何结构模型有内凹结构、旋转结构、螺旋纱线结构等。2制备负泊松比针织结构的针织技术针织技术是最具有吸引力的纺织技术之一，由于它的工艺灵活性和织物结构的多样性，更容易织造具有负泊松比效应的织物。目前，负泊松比针织产品的制备方法均是使用普通纱线，基于负泊松比几何模型来实现的，所采用的针织技术既有经编技术也有纬编技术，经编技术常采用经编机实现，纬编技术借助电脑横机实现。21经编结构211二维经编结构基于螺旋纱线结构的作用原理，由开口编链与嵌入纱结合构成的经编结构如图1所示4，当纵向拉伸该结构时，嵌入纱逐渐趋于伸直，开口编链缠绕在外围，此时的经编结构横向发生膨胀产生负泊松比效应。基于三角形或双箭头的负泊松比几何结构如图2所示5，使用经编技术设计出织物结构，见图2c，可以发现与纵向呈45的方向上的负泊松比效应较为明显。212三维经编结构三维经编结构是基于经编间隔织物织造的6，如图3a所示，间隔纱单丝连接间隔织物的两个表层形成三维经编间隔结构。负泊松比几何结构如图3b和图3c所示，由两个平行四边形排列成V形，在每个平行四边形中，有6条棱被平行四边形与其相邻的平行四边形的连接点分开，当施加一个外力在织物上，肋围围绕连接点旋转产生负泊松比效应。图4是基于该负泊松比几何结构在经编机上织造的表1已发现和开发的负泊松比材料类别材料负泊松比值负泊松比天然材料黄铁矿014硅酸盐方石英050沸石012负泊松比聚合物聚氨酯泡沫070聚四氟乙烯1200超高分子量聚乙烯1900负泊松比复合材料碳纤维层压板013负泊松比纺织品聚丙烯纤维060双螺旋纱线210经编针织物060纬编针织物050图1开口编链与嵌入纱组合构成的经编结构（a）拉伸前（b）拉伸后图2三角形或双箭头经编结构（a）变形前（b）变形后（c）经编织物结构实物图122023 年第 2 期针织技术图6基于旋转矩形的二维纬编结构织物经编间隔织物。22纬编结构221二维纬编结构基于旋转矩形几何结构7如图5所示，利用电脑横机局部编织原理开发负泊松比二维纬编结构。如图6a所示，每个单元编织成互锁结构，高弹性橡筋纱空针编织来连接每个单元，编织的二维纬编结构织物如图6b所示。如图6c所示，所织造二维纬编结构织物具有负泊松比效应，但在图6d负泊松比应力应变关系图中负泊松比值偏小，且与预测结果相反，因为针织线圈不是刚性的，易变形，并且针织纱线限制了每个矩形单元自由旋转。基于内凹六边形结构7如图7所示，在电脑横机上编织二维纬编结构织物，利用移床和引塔夏技术形成的内凹六边形结构，编织过程如图8a所示。从自由状态下的织物和拉伸状态下的织物（图8b和图8c）可以看出，该二维纬编结构织物具有负泊松比效应，图8d的负泊松比应力应变关系图中负泊松比值偏小，且与预测结果相反，因为内凹六边形被假定为刚性的，而针织线圈不是刚性的，容易变形，并且针织纱线使连接点的旋转有限。222三维纬编结构目前借助电脑横机实现三维纬编结构的几何结构模型有旋转结构、可折叠结构及双箭头结构，如图9所示，电脑横机花型标志视图如图10所示，3种织物产生的负泊松比效应原理是利用正反针结合使正面线圈与反面线圈产生平衡，织物收缩成三维纬编结构织物。三维纬编结构织物实物如图11所示，3种织物都表现负泊松比效应，可3种织物的泊松比应变曲线也有所差异，基于旋转结构和双箭头的三维纬编织物曲线呈单调增表面层中间层（a）经编间隔织物示意图（b）表层的几何结构l1l2（c）几何结构单元图3三维经编结构图4经编间隔织物（a）织物A（b）织物B（c）织物C（d）织物Dab拉伸方向（a）结构一（b）结构二图5旋转矩形结构利用局部编织工艺编织矩形线圈使矩形在纵向连续最后一横列用拷针封闭第一横列用橡筋纱空针编织架空组织（a）针织编织示意图（b）自由状态下的织物（c）拉伸状态下的织物拉伸方向纵向横向-1.8-1.4-1.0-0.6-0.20.2泊松比值1007550250轴向应变/%测量值预测值（d）泊松比应变曲线132023 年第 2 期针织技术图7内凹六边形结构152364ab或单调减，而基于折叠结构的三维纬编织物曲线呈抛物线。织物负泊松比效应不仅受几何结构影响，还受线圈长度、线圈密度及纱线种类等影响。3负泊松比针织产品的创新应用负泊松比针织结构由于其优异的性能，在服用领域、产业用领域、医用领域的创新应用潜力巨大，具有广阔的发展前景。31在服用领域的创新应用负泊松比针织结构在服用领域应用广泛，服用领域包括防护服用领域和日常服用领域。在防护服用领域，由于负泊松比针织织物有较好能量吸收性，可用于护肘护膝的护具开发，保护穿着者免受外部冲击造成伤害。护肘护膝等护具保护常弯曲活动的肢体部位，当肢体弯曲时，负泊松比织物优异的表面贴合性使护具更好地贴合肘部和膝盖形状，从而增加保护性和身体部