馮含笑 魏孟媛 薛文良 汪玲玲

1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；3.東華大學(xué)研究院，上海 200051

負(fù)泊松比紡織材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景*

馮含笑1魏孟媛2薛文良1汪玲玲3

1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；3.東華大學(xué)研究院，上海 200051

介紹負(fù)泊松比材料的加工工藝及發(fā)展過程，闡述紗線和針織物實現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)的原理，對負(fù)泊松比紡織材料在服用、產(chǎn)業(yè)用及醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用做出展望，提出其發(fā)展亟需解決的問題。

負(fù)泊松比， 紡織材料， 實現(xiàn)方法， 前景

泊松比是指橫向正應(yīng)變與縱向正應(yīng)變的比值的相反數(shù)。一般材料的泊松比為正值，即隨著材料縱向應(yīng)變的增加，材料橫向呈收縮趨勢。但自然界中存在極少數(shù)體現(xiàn)為負(fù)泊松比(即拉脹效果)的材料，如奶牛乳頭部位的皮膚[1]15。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，負(fù)泊松比材料越來越受到科學(xué)家的重視，就紡織工程而言，對這一領(lǐng)域的探索正在進行。

1 負(fù)泊松比紡織材料的發(fā)展過程及實現(xiàn)手段

1.1 各類纖維結(jié)構(gòu)模型的建立

1989年由Caddock等[2]建立的聚四氟乙烯(TPFE)纖維微胞結(jié)構(gòu)模型(圖1)可以展示負(fù)泊松比效應(yīng)原理。該模型呈高度各向異性，由微胞凹向內(nèi)和連接微胞的原纖通過屈曲的微胞加原纖構(gòu)成。他們討論了動、靜兩種狀態(tài)下TPFE纖維的模量和性質(zhì)，該材料成為了當(dāng)時人工合成硬度最高的負(fù)泊松比材料[3]。如圖1所示，在x軸方向未施加張力的情況下，TPFE纖維的微胞結(jié)構(gòu)整齊而緊密地排列，隨著張力的增大，微胞按圖1中(a)～(d)的順序逐漸抬起，導(dǎo)致其在y軸方向的寬度增加，形成負(fù)泊松比效應(yīng)。

(a) 初始狀態(tài)

(b) 沿原纖方向微胞錯位抬起及截面膨脹

(c) 微胞解折疊繼續(xù)膨脹

(d) 沿原纖方向微胞旋轉(zhuǎn)及截面膨脹

2002年，Chirima等[4]成功研發(fā)出內(nèi)凹負(fù)泊松比聚丙烯纖維，并建立了圖2所示的微胞模型，描述了該纖維具有負(fù)泊松比效應(yīng)的原理：當(dāng)橫向未施加張力時，微胞每一縱列間略微錯位排列，連接微胞的纖維間成一定角度；當(dāng)橫向受到張力時，連接微胞的纖維趨于平行，微胞間的距離增大，其在縱向的截面增加，形成負(fù)泊松比效應(yīng)。2005年，該團隊又研發(fā)成功一種最優(yōu)負(fù)泊松比聚丙烯薄膜工藝[5]。

圖2 負(fù)泊松比聚丙烯纖維微胞模型

類似Magnox反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹角結(jié)構(gòu)也可賦予多邊形結(jié)構(gòu)單元負(fù)泊松比特性[6]。如圖3所示，當(dāng)材料受到張力作用時，板塊抬起，徑向截面增加；當(dāng)材料被壓縮時，板塊錯位內(nèi)陷，徑向截面減少。有異曲同工之妙的是圖4所示的聯(lián)鎖六邊形結(jié)構(gòu)，通過對材料施加張力使其解旋而具有拉脹性質(zhì)。還有類似旋轉(zhuǎn)解折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計的模型(圖5)，均可實現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)。

圖3 Magnox反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)模型

圖4 聯(lián)鎖六邊形結(jié)構(gòu)模型

圖5 幾種旋轉(zhuǎn)解折疊結(jié)構(gòu)模型

2010年，基于負(fù)泊松比效應(yīng)的平面研究成果，Gaspar等[7]提出了三維均具有負(fù)泊松比效應(yīng)的材料的理論模型。該模型的中心晶胞位于四面體的中心，8個頂點上各分布8個晶胞，以微原纖相連接。當(dāng)材料受到拉伸作用時，可通過旋轉(zhuǎn)解折疊來實現(xiàn)拉脹效應(yīng)。這一模型的提出，成為了材料在三維方向?qū)崿F(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

與此同時，有關(guān)三維負(fù)泊松比材料的性能研究迅猛發(fā)展。Attard等[8]提出了3種互不相同的剛性立方體組成的三維負(fù)泊松比效應(yīng)模型；Fozder等[9]通過增加原有模型的鋪層數(shù)，在二維蜂窩結(jié)構(gòu)和人字形結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，成功設(shè)計出三維負(fù)泊松比材料；Pasternak等[10]給出了宏觀負(fù)泊松比雜化材料的結(jié)構(gòu)模型。相比較而言，國外在這方面的技術(shù)水平遠遠領(lǐng)先于國內(nèi)。張汝光[11]通過改變纖維鋪設(shè)角度、鋪層厚度等參數(shù)的手段，成功制備出負(fù)泊松比復(fù)合材料，國內(nèi)在這一領(lǐng)域的其他成果不多。

1.2 負(fù)泊松比紗線的加工方式

Hook等[12]提出負(fù)泊松比紗線可以通過運用螺旋結(jié)構(gòu)纏繞，形成包芯結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)：選用高彈性纖維作芯紗，其類似軟鏈段而內(nèi)旋折疊于紗芯部位，并以高模量纖維作包纏紗。如圖6所示，在初始狀態(tài)下，芯紗直徑大于包纏紗直徑，紗線總體直徑較??；受到拉伸時，由于包纏紗的剛度較大、伸長小，而芯紗的彈性伸長大，因此包纏紗逐漸伸直，直至取代芯紗的位置，而芯紗則呈彎曲狀態(tài)取代包纏紗的位置，即二者位置互換。因此，紗線橫向膨脹即直徑增大，形成負(fù)泊松比效應(yīng)。

(a) 負(fù)泊松比紗線拉伸前結(jié)構(gòu)

(b) 負(fù)泊松比紗線拉伸后結(jié)構(gòu)

圖6 負(fù)泊松比紗線拉伸前后結(jié)構(gòu)示意

Wright等[13]采用聚酯和聚酰胺纖維，分別與橡膠絲組合制成負(fù)泊松比紗線，得到了影響紗線負(fù)泊松比效應(yīng)的一些參數(shù)，并給出了一種簡易的加工此種紗線的方式；2012年，胡紅等[14]提出了一種負(fù)泊松比紗線結(jié)構(gòu)及其制造方法，其由模量不同但組分相同的紗線間隔排列并加捻而制成。

1.3 負(fù)泊松比織物的加工方法

就目前而言，利用針織技術(shù)更容易實現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)織物。Ugbolueg等[15]設(shè)計了由開口編鏈與嵌入紗結(jié)合構(gòu)成的經(jīng)編結(jié)構(gòu)，當(dāng)其縱向受拉伸時，嵌入紗趨于伸直，開口編鏈趨于彎曲并繞在嵌入紗的周圍，形成負(fù)泊松比效應(yīng)(圖7)。

圖7 開口編鏈與嵌入紗組合構(gòu)成的經(jīng)編結(jié)構(gòu)示意

Liu等[16]基于內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的特點，運用緯編技術(shù)及利用平針結(jié)構(gòu)正反面搭配編織成折疊V字形針織物，其具有負(fù)泊松比效應(yīng)，并證明了針織物的負(fù)泊松比效應(yīng)與“V”形紋路的密集程度有關(guān)[17]。Miller等[18]設(shè)計的單向復(fù)合材料，由聚酯和碳纖維雙螺旋負(fù)泊松比紗線復(fù)合而成，這種復(fù)合材料的泊松比大約可達到-6.8。

在三維紡織結(jié)構(gòu)的加工中，用單絲作為間隔紗，間隔織物的2個表層由很多間隔紗連接在一起，形成經(jīng)編結(jié)構(gòu)，即目前新型的三維間隔針織物[19]48。在三維緯編針織物結(jié)構(gòu)中，多采用正反線圈以鋸齒型排列來形成折皺收縮，研究人員還發(fā)現(xiàn)了織物的負(fù)泊松比效應(yīng)與織物的曲折程度成正比。胡紅等[20]先后提出了幾種不同的電腦橫機織物結(jié)構(gòu)及通過正反線圈按不同方式排列形成的織物。

2 負(fù)泊松比紡織材料的應(yīng)用前景及 技術(shù)瓶頸

2.1 應(yīng)用前景

2.1.1 服用紡織品

負(fù)泊松比紡織品在性能上有很多優(yōu)點，較好的能量吸收性和貼合性能[19]49使其非常適用于生產(chǎn)運動中的關(guān)節(jié)保護用品如護膝、護腕等。由于負(fù)泊松比紡織品具備拉脹特性，當(dāng)人體彎曲時，它能貼合人體皮膚變形而不產(chǎn)生過大壓力，減少因摔倒而帶來的沖擊等傷害。目前市場上的護膝、護腕等保護用品大多由泡沫制成，其透氣性欠佳，負(fù)泊松比紡織品可替代泡沫。此外，負(fù)泊松比紡織品可用于童裝、孕婦裝及文胸等。父母都喜歡讓孩子穿著寬松的服裝，具有負(fù)泊松比特性的織物可以在縱橫向同時延伸，穿著舒適，利于孩子身體發(fā)育、成長。孕婦的肚子在妊娠期內(nèi)會越來越大，所以孕婦裝尤其要避免因織物彈性形變而帶來的壓迫感，負(fù)泊松比紡織品能自然地貼合在腹部且無壓力。文胸要求貼合性好、透氣、舒適，負(fù)泊松比紡織品的這些性能均比普通海綿好很多[19]49。

2.1.2 產(chǎn)業(yè)用紡織品

由于負(fù)泊松比紡織品表現(xiàn)出特殊的性能，如剛度增加、斷裂韌性增強、抗壓痕能力提高等[21]，被越來越多地運用于汽車、航空航天、醫(yī)用等領(lǐng)域，如車用安全帶(圖8)。負(fù)泊松比車用安全帶可有效減少其對佩戴者的壓迫感，并在一定程度上降低車禍中因安全帶造成的傷亡率。Chan等[22]發(fā)現(xiàn)在壓應(yīng)力作用下，負(fù)泊松比紡織材料會產(chǎn)生局部密度增大、彈性模量迅速提高的現(xiàn)象，因此它可作為緩沖材料，使用在車輛耐撞部件等元件上。此外，負(fù)泊松比紡織材料可用于制造兒童安全座椅。目前兒童安全座椅多采用海綿，使用負(fù)泊松比紡織材料不僅可以提高舒適度，安全性也有很大提升[19]50。負(fù)泊松比紡織材料在受壓時，其截面會膨脹，因此它可用于制備消音器及防彈背心等[1]16。同時，在航空航天領(lǐng)域，顏芳芳等[23]將負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于變體機翼，使得機翼的面內(nèi)變形能力增強。有科學(xué)家指出，能利用負(fù)泊松比紡織材料引起極值分析白矮星和中子星地核反應(yīng)和地震行為[24]。

圖8 負(fù)泊松比車用安全帶

2.1.3 醫(yī)用紡織品

將具有拉脹特性的負(fù)泊松比紡織材料應(yīng)用于人造血管，管壁會因血液流過時產(chǎn)生的切應(yīng)力而變厚[19]49，耐用性大大提高。醫(yī)用智能繃帶也可利用負(fù)泊松比紡織材料制作，其作用原理如圖9所示。此類繃帶內(nèi)含某種藥劑，當(dāng)傷口腫脹到一定程度時，繃帶受到張力作用，其截面變大，藥劑釋放并作用于傷口，以緩解疼痛、腫脹；待傷口消腫后，繃帶收縮，停止釋放藥劑。

圖9 醫(yī)用智能繃帶作用原理

由此可見，負(fù)泊松比紡織品的應(yīng)用前景十分廣闊。

2.2 發(fā)展瓶頸

目前，負(fù)泊松比紡織品處于起步階段，機遇與挑戰(zhàn)并存：

(1) 國內(nèi)外學(xué)者給出的模型并不能兼顧紡織品的其他性能，且拉脹效應(yīng)的保持性還不能滿足需求。

(2) 負(fù)泊松比紡織材料多為類蜂窩狀微原纖多孔結(jié)構(gòu)，這樣的構(gòu)型導(dǎo)致這種材料是一種比較軟的物質(zhì)，限制了它在工程方面的應(yīng)用[1]18。

(3) 在使用某些方法制備負(fù)泊松比紡織材料的過程中，若欲增加強度等性能，則負(fù)泊松比效應(yīng)會減弱[1]18，并且常規(guī)的紗線設(shè)計和生產(chǎn)方法不能大規(guī)模、大批量地生產(chǎn)具有負(fù)泊松比特性的紡織品。胡紅等[14]給出的制備方法只適用于個例或特定的紗線設(shè)備，現(xiàn)在亟需探索一種適用性強的生產(chǎn)方法，以實現(xiàn)負(fù)泊松比紡織品的規(guī)?；a(chǎn)。

3 結(jié)語

欲使紡織品具有負(fù)泊松比效應(yīng)，可以通過設(shè)計纖維結(jié)構(gòu)、紗線結(jié)構(gòu)以及織物結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其遵循原則：纖維的微觀結(jié)構(gòu)一般是內(nèi)凹的凹角結(jié)構(gòu)和內(nèi)旋的折疊結(jié)構(gòu)；紗線的微觀結(jié)構(gòu)多為內(nèi)旋的折疊結(jié)構(gòu)；織物的微觀結(jié)構(gòu)單元與纖維的微觀結(jié)構(gòu)相似，為凹角結(jié)構(gòu)和折疊結(jié)構(gòu)[25]。

綜上所述，負(fù)泊松比紡織材料的研發(fā)是一門新興的學(xué)科，對這種材料的結(jié)構(gòu)、形成、機理等都在探索中，實際應(yīng)用還處在初步階段。但可以預(yù)見，負(fù)泊松比紡織材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，其特殊的拉脹性能可以滿足各行各業(yè)的需求。在探索出一項穩(wěn)定的紡織加工技術(shù)，以及與其他技術(shù)相結(jié)合運用的情況下，負(fù)泊松比紡織材料將會有更大的應(yīng)用價值。

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Research status and application prospect of negative Poission’s ratio textile materials

FengHanxiao1，WeiMengyuan2，XueWenliang1，WangLingling3

1.Key Laboratory of Textile Scisence & Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China；2.Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Shanghai 200135， China;3.Research Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China

The processing technology and the development of negative Poisson’s ratio materials were introduced， and the relization principle for negative Poisson’s ratio effect on yarns and knitted fabrics was elaborated. The prospects of negative Poission’s textile materials used in fields of apparel， technical and medical were proposed， and the problems which need to be solved urgently were put forward.

negative Poisson’s ratio， textile material， realization method， prospect

*上海檢驗檢疫局科技計劃項目(HK023-2016)

2017-02-27

馮含笑，女，1996年生，在讀本科生，主要研究方向為紡織品設(shè)計

薛文良，Email：xwl@dhu.edu.cn

TS101.8

A

1004-7093(2017)06-0001-05