基于经编网眼结构的负泊松比织物设计

常玉萍，马丕波，钟文鑫，缪旭红，蒋高明

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122)

基于经编网眼结构的负泊松比织物设计

常玉萍，马丕波，钟文鑫，缪旭红，蒋高明

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122)

为开发具有实际意义的负泊松比织物，探讨工艺参数对织物拉胀效果的影响。基于歪斜的六角网眼，采用旋转结构受到拉伸时展开扩张的原理进行负泊松比经编织物的设计。实验选用涤纶低弹丝编织地组织，前梳采用锦纶编织缺垫与编链组织，设计了4种组织方案，通过调节每种组织方案下织物的前梳送经量，对各工艺参数的影响进行分析。实验结果表明，原料的性能，特别是纱线的刚度和弹性对织物负泊松比效果有很重要的影响；前梳编链组织结构的送经量对织物的负泊松比效果也有一定的影响，同时织物的负泊松比性能与地组织的歪斜程度具有明显的关系。

负泊松比；经编；组织结构；网眼结构

负泊松比材料在纺织领域的研究是近20年才开始的[1]，在针织领域的研究更是发展迅速。与传统材料相比，负泊松比材料的很多性能得到了增强，如力学性能、抗压痕性、断裂韧性[2]、能量吸收性[3]等，从而使其在服装、医用、复合材料等领域具有更广阔的应用前景。基于螺旋形纱线结构[4]的作用原理，Ugbolue等[5]研究出了由编链纵行和衬纬纱组成的经编针织结构，纵行是用较粗且刚度较低的长丝编织的开口线圈，高刚度的衬垫纱则垫在开口线圈中。Ugbolue等[5]又以编链为基础结构，只采用2把梳栉，第1把满穿，编织基础编链，第2把部分穿纱，编织衬垫结构，研究出了具有负泊松比的经编衬垫组织。Ugbolue等[6]还在非负泊松比的经编六角网眼结构的基础上采用高弹纱研究出了负泊松比经编结构，采用2把梳栉垫入涤纶包覆的弹性纱，垫在编织方向的线圈纵行之间。Alderson等[7]根据三角形或双箭头的负泊松比结构，用经编编织技术进行结构的重建，设计出一系列由负泊松比部分和稳定部分组成的织物结构。胡红等[8]设计了新型三维间隔针织物，其表层织物为由2个排成V字形的平行四边形组成的几何结构。基于内凹六边形[9-10]的负泊松比性能，胡红等[11]研究出了2种由电脑横机织出的织物结构，第1种是利用移床和引塔夏技术形成的真六边形结构，第2种是采用弹性纱线形成的假内凹六边形结构。胡红等[12]又提出了正反线圈矩形排列形成的织物和正反线圈在水平和竖直方向上条形排列形成的织物。

虽然目前负泊松比织物的研究很多，但基本偏向于理论探索，可具有实际意义的织物设计还未见报道。本文主要基于歪斜的六角网眼，采用了旋转结构[13-14]受到拉伸时展开扩张的原理进行负泊松比经编织物的设计[15-16]。选用了涤纶低弹丝和锦纶进行编织，并设计了4种不同的组织方案，对每种组织方案下的织物都进行前梳送经量的调节，从而对各要素的影响进行分析和探究。

1 理论分析

1.1 织物设计原理

根据产生负泊松比效应的旋转结构原理，设计了六角网眼旋转变形结构，如图1所示。

图1 旋转变形六角网眼结构Fig.1 Rotating tulle net structure

主要思路是以经编中最典型的六角网眼为地组织，额外加入1把编链梳作不对称编织，使得原本结构规整的六角网眼受力不均衡，从而在自然状态下发生有规律的左右歪斜。在受到横向或纵向拉伸时，歪斜的六角网眼就会发生旋转展开，逆变形至原本规整的六角网眼状态。在编织成形的过程中，该六角网眼规律性的左右歪斜越明显，其织物的负泊松比效应也越明显，织物结构如图2所示。

图2 织物结构示意图Fig.2 Fabric structure diagram

1.2 几何模型建立

根据上述的负泊松比经编织物设计思路，对织物的变形原理作进一步的理论分析，推导出各几何参数与泊松比值之间的影响关系，将该结构看成是刚性结构，则其重复单元的几何模型如图3所示。

图3 重复单元几何模型Fig.3 Geometrical model of repeat unit

图3中，l1和l2分别是六边形的左右两边边长和上下四边边长。由于地组织为经编六角网眼结构，而该网眼组织为对称垫纱，所以理想状态下六边形上(或下)2条短边与横向水平线之间的夹角相等，用α表示。θ为六边形左右侧边与横向水平线之间的夹角。h为该重复单元的纵向长度，d为该重复单元的横向宽度。则该结构在初始状态下纵向长度和横向宽度与重复单元之间的关系式为

h=3h1+2h2=3l2sinα+2l1sinθ

(1)

d=3l2cosα

(2)

根据泊松比值的定义，得到泊松比值如下：

(3)

式(3)为泊松比值与各几何参数的关系式，h″和d″为受横向拉伸后的值，h′和d′为初始变形状态下的值。

将式(1)、(2)代入式(3)中，经化简可得到：

(4)

式(4)为泊松比值与六边形各边长及其角度的关系式。其中α2和θ2为受横向拉伸后的角度，α1和θ1为初始变形状态下的角度。

1.3 数值计算与分析讨论

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

(5)

由于织物中l1和l2的大小与组织结构以及前梳编链和缺垫部分的送经量有关，因此可推断织物的负泊松比效果受前梳编链和缺垫部分的送经量大小的影响。由于α和θ的值在整个变形过程中是不定的，而所假定的α和θ值为2种较为极端的情况，因此可推断在织物受横向拉伸变形过程中，织物的负泊松比性能也与其地组织六角网眼的歪斜角度有一定关系。

2 实验部分

2.1 组织结构设计

实验采用55.56 dtex/24 f涤纶DTY编织六角网眼地组织，44.44 dtex/12 f锦纶FDY编织缺垫编链。通过设计4种不同结构的经编织物，来比较前梳编链跨过针距数对织物负泊松比效果的影响。其中每块织物都采用3把梳栉，且采用同样的穿纱对纱，不同的是组织1#、组织2#、组织3#、组织4#的前梳编链部分分别是1针编链、2针编链、3针编链、4针编链，其详细织物设计方案如表1所示。图4为各组织织物的仿真结构图。图5为各组织织物实物图。每种组织下都对前梳进行分段送经，并改变其部分送经量，以考察其对织物负泊松比效果的影响。

表1 不同组织设计方案Tab.1 Schemes of different structures

图4 织物仿真图Fig.4 Simulation diagrams of fabrics.(a) Structure 1#; (b) Structure 2#; (c) Structure 3#; (d) Structure 4#

图5 织物实物图Fig.5 Actual knitted fabrics produced from stitch patterns.(a) Structure 1#; (b) Structure 2#; (c) Structure 3#; (d) Structure 4#

2.2 织物织造与数据测量

该织物的织造选用了KS4-6槽针特里科型经编机，机器参数为：总针数1176，机号E28，梳栉数4，幅宽106.68 cm，转速300 r/min。

根据泊松比的定义，对所有试样随机截取适当的长度，用夹子将织物横向固定，保证其初始状态平整无皱褶，且基本不受横向力的作用。设定初始宽度为50 mm，测量纵向2点的初始距离，再将夹持宽度依次增加1 mm，即横向应变依次按照初始宽度的2%递增，同时测量织物正中间纵向两点间的距离，从而得到织物载荷方向(即横向)的应变值与垂直于载荷方向(即纵向)的应变值，再根据公式分别计算得出所有试样的泊松比值。

3 结果与分析

3.1 实验数据统计

对组织编号为1#、2#、3#、4#的所有织物试样都进行了泊松比值的测定和计算。组织编号为1#、2#、3#的织物中测量出的最大负泊松比值分别为-0.5，-0.2，-0.1。图6示出各组织织物泊松比值与横向应变的关系。各组织织物试样1至试样4的编链部分送经量依次递减100 mm/460 courses。

3.2 实验结果分析

3.2.1 前梳组织结构的影响分析

上述实验所述组织编号为1#、2#、3#、4#的织物地组织都一样，前梳则分别采用1针编链加缺垫、2针编链加缺垫、3针编链加缺垫和4针编链加缺垫。对试织所得4种组织织物的观察发现，组织编号为2#、3#、4#的织物中六角网眼地组织歪斜与组织1#的织物相比较为明显，即1针编链加缺垫对六角网眼地组织左右歪斜现象的影响最小。设定织物横列方向为x方向，纵行方向为y方向，则六角网眼地组织的受力平衡，结构稳定，而1针编链加缺垫仅仅是在织物每个纵行(y方向)上使六角网眼受力不匀，即1针缺垫编链对地组织施加的力主要存在于y方向，因此织物很难在x方向上发生有效的变形，要么是在受力不匀的情况下使织物六角网眼地组织无序地左右歪斜，要么就是使地组织发生扭曲而不是左右歪斜，使得织物布面效果相对比较无序，没有统一的左右歪斜现象。对于前梳作2针编链加缺垫组织而言，当前梳在两针之间横移时，其延展线对地组织产生了x方向的作用力，使得地组织在力的作用下左右歪斜，呈现相对较明显的歪斜现象，3针编链加缺垫组织和4针编链加缺垫组织也是同样。

但从实验数据的分析可看出，虽然组织为1#的织物地组织网眼左右歪斜不明显且较无序，但组织为1#的织物负泊松比效应比其他3种组织更明显。可见，织物的负泊松比效应并不一定随着其地组织网眼左右歪斜程度的增大而增大。初步分析认为，虽然前梳作2针编链加缺垫、3针编链加缺垫和4针编链加缺垫时，织物在其横向力的作用下左右歪斜更明显，但由于其加强了各个纵行间的联系，使得织物的结构更加稳定，从而限制了纵横向的延伸性，并且延展线越长，织物的横向延伸性就越小，织物也就越稳定，因此与其他3种相比，4针编链加缺垫组织织物的横向延伸性最小，本次试织的所有组织为4#的试样完全不具备负泊松比效应，而1针编链加缺垫组织的负泊松比效应最明显。

注：图中数字标注前半部分为编链，后半部分为送经量。图6 各组织织物泊松比值与横向应变的关系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 前梳编链部分送经量的影响分析

在保证地组织送经量相同且每种前梳缺垫部分送经量不变的前提下，对每个试样前梳编链部分的送经量都各采取了多种方案进行调试。

由以上各个泊松比值与横向应变百分比的曲线图可看出，随着前梳编链部分送经量的适当增大，织物的负泊松比性能也会相应提高。理论分析认为，与缺垫部分送经量类似，过小的编链部分送经量会限制织物的纵向延伸性，使其稳定性提高，负泊松比效果却相应降低，所以前梳编链部分送经量越小，其织物负泊松比性能越低。但织物的负泊松比性能也不会随着前梳编链部分送经量的增大而无限增大。倘若前梳编链部分送经量过大，会造成断纱频繁，织造困难，因此需始终将前梳编链部分送经量控制在可顺利织造的适当范围内。

4 结论与展望

负泊松比材料由于其不同于常规织物的拉胀性能[15]而逐渐受到人们的注意。但在纺织领域，实用且具有显著负泊松比性能的纺织材料，特别是通过织造方法、织造参数、组织变化的方法来获得负泊松比性能的织物还很空缺。而经编具有生产高效、花式多样和结构灵活等特点，是一种重要的纺织品加工方法[16]，在织造负泊松比织物方面有很大的潜力。本文使用E28的KS4-6槽针特里科型经编机，采用55.56 dtex/24 f涤纶DTY编织六角网眼地组织，用44.44 dtex/12 f锦纶FDY编织缺垫编链，分别设计了4种类似的组织进行试织，并分别对前梳的缺垫部分和编链部分的送经量进行调整，以实验织物组织结构和送经量对织物负泊松比性能的影响。得出以下结论。

1)原料的性能对织物负泊松比效果有很重要的影响，特别是纱线的刚度和弹性。为提高织物负泊松比性能，地组织应采用刚度较大的纱线，而前梳缺垫编链则应采用弹性较好的纱线。

2)前梳的组织结构对织物的负泊松比效果也有一定的影响。在采用涤纶DTY作地组织，锦纶FDY作前梳缺垫编链时，前梳编织1针编链加缺垫的织物负泊松比效果最明显。编链横移针数越大，织物的结构越稳定，负泊松比效果越差。

3)前梳编链部分的送经量对织物的负泊松比效果也有影响。在采用涤纶DTY作地组织，锦纶FDY作前梳缺垫编链时，前梳编链部分送经量在一定限度内越小，织物负泊松比效应越不明显。

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

获奖说明：本文荣获中国纺织工程学会颁发的第16届陈维稷优秀论文奖

国家自然科学基金项目(11302085)；江苏省自然科学基金项目(BK20151129)；江苏省产学研项目(BY2014023-34)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(JUSRP5140A)

常玉萍(1993—)，女，硕士生。研究方向为产业用针织结构设计与性能。马丕波，通信作者，E-mail：mapibo@jiangnan.edu.cn。

TS 184.3；TS 186.1

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