高形状记忆高伸缩性负泊松比面料成型方法及其用途
阅读说明：本技术 高形状记忆高伸缩性负泊松比面料成型方法及其用途 (Forming method and application of negative Poisson ratio fabric with high shape memory and high elasticity ) 是由 杜赵群 许巧丽 刘倬然 刘一铭 陈韦韦 朱秋雨 顾婧 苏玛艳·阿力甫 何玲娥 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高形状记忆高伸缩性负泊松比面料成型方法及其用途。所述成型方法为：绘制折叠结构负泊松比面料的意匠图,区分非折叠区域和折叠区域,折叠区域由凸起区域和凹下区域构成；选取弹性纱和非弹性纱；设计弹性纱、非弹性纱采用的织物组织结构；在意匠图上根据织物组织结构铺设组织；生成纹版文件；在织机上进行织造形成折叠结构的负泊松比面料；在织造的负泊松比面料上负载形状记忆材料或直接在织造过程中织入。本发明采用机织方法一次成型,赋予面料的折叠多样性和结构稳定性以及负泊松比效应与形状记忆效应,在激励下折叠结构发生双向大形变从而产生负泊松比效应和高伸缩性,激励去除后可恢复至初始形态。(The invention discloses a method for forming a negative Poisson's ratio fabric with high shape memory and high elasticity and application thereof. The molding method comprises the following steps: drawing an artistic conception drawing of the folded structure negative Poisson's ratio fabric, and distinguishing a non-folding area and a folding area, wherein the folding area consists of a convex area and a concave area; selecting elastic yarns and non-elastic yarns; designing fabric weave structures adopted by the elastic yarns and the non-elastic yarns; laying tissues on the pattern according to the fabric tissue structure; generating a pattern file; weaving on a loom to form a negative poisson ratio fabric with a folding structure; the woven negative poisson ratio fabric is loaded with the shape memory material or is directly woven in during the weaving process. The invention adopts a weaving method for one-step forming, endows the fabric with folding diversity, structural stability, negative Poisson ratio effect and shape memory effect, generates bidirectional large deformation of a folding structure under excitation so as to generate negative Poisson ratio effect and high flexibility, and can restore to the initial form after the excitation is removed.)
技术领域
本发明涉及一种功能面料和智能面料的制备，特别是涉及一种高形状记忆高伸缩性负泊松比面料成型方法及其用途，属于纺织科学与工程技术领域。
背景技术
形状记忆效应是1951年美国Read等人在Au-Cd合金中首次发现的，具有热弹性马氏体相变，可以给材料带来形状记忆效应和超弹性。具有负泊松比效果的折纸面料在装饰设计和功能面料中具有广泛应用，装饰设计中可以形成具有三维效果的织物，具有独特的视觉美感；功能面料中采用具有折纸构型的面料可以形成折纸或剪纸的效果，从而使面料具有本征功能，或在上面附加功能材料形成功能面料。
分析近年来国内外有关折纸构型面料的研究，关于其成型方式，主要是高温压烫的方式，三宅一生对于使用高温压烫工艺制备具有折叠或三维构型的服装经验丰富，手工缝制的方式成型性好，但是成本太高，如机织物及其制造方法(专利公布号CN111448345A)。而对于一次性机织成型的方式又具有局限性，只能形成简单的褶皱重复结构，褶皱方向固定且褶皱的循环小，无法形成大规模的折叠形式，如授予浙江纺织服装职业技术学院的一种具有百褶效果的机织面料(中国专利，发明专利公告号CN207727235)，只能形成经纱方向的皱褶，或折叠效果简单无法形成大循环的方式，同时面料中的立体收缩靠整理工艺而非纱线和织物组织的方式形成丰富的折叠，如授予晋江市远大服装织造有限公司的一种立体提花面料织造工艺(中国专利，发明专利公布号CN102534932 A)。上述具有折叠效果的面料的制备方式主要有高温压烫和手工缝制，高温压烫要求织物有一定延展性，且高温压烫后效果不永久；手工缝制虽然造型丰富但成本高。折纸结构在功能面料上具有广泛应用，在功能面料方面，折叠的构型拥有特殊的功能，折纸结构在机器人上面有应用，如授予DanielaRus的Origami robots,system,and methods of treatment(美国专利，发明专利号US01470799B2)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：实施具有折纸构型的高形状记忆性能和高伸缩性能耦合的负泊松比面料的一次成型方法及其用途。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高形状记忆高伸缩性负泊松比面料成型方法，包括以下步骤：
步骤1)：绘制折叠结构负泊松比面料的意匠图，区分非折叠区域和折叠区域，折叠区域由凸起区域和凹下区域构成；
步骤2)：经纱选取弹性纱或非弹性纱，纬纱选取弹性纱和非弹性纱；
步骤3)：设计弹性纱、非弹性纱采用的织物组织结构；
步骤4)：在意匠图上根据织物组织结构铺设组织；
步骤5)：生成纹版文件；
步骤6)：在织机上进行织造形成折叠结构的负泊松比面料；
步骤7)：在步骤6)织造的负泊松比面料上负载形状记忆材料或直接在步骤6)的织造过程中织入；
所述的弹性纱和非弹性纱在非折叠区域形成平整布面；所述的弹性纱和非弹性纱在凸起区域形成凸起，凸起区域中的弹性纱采用浮长线大于非弹性纱的组织结构，在面料反面形成浮长线实现面料的凸起；所述的弹性纱和非弹性纱在凹下区域形成凹下效果，凹下区域中的弹性纱采用浮长线大于非弹性纱的组织结构，在面料正面形成浮长线实现面料的凹下效果。
优选地，所述非折叠区域、凸起区域、凹下区域中的非弹性纱采用的织物组织结构为三原组织，或变化组织，或联合组织，或重组织，或多层组织，或复杂组织；所述非折叠区域中的弹性纱采用的织物组织结构为平纹、斜纹、缎纹或任意几种的变化组合。
优选地，所述折叠区域的折叠形状，即凸起区域或凹下区域内的形状包括点、线或面中的至少一种；或者折叠区域为具有折叠效果的折纸或剪纸结构的面料。折叠图案的形式可以是二维平面的凸起凹下立体效果，也可以是图案可完全折叠的结构，具体折叠的起伏高度可以通过凹凸区域的宽度和弹性纱的弹性来决定。
优选地，所述的弹性纱为具有弹性或可收缩性的纱线，采用氨纶长丝、氨纶短纤纱、氨纶长丝包覆纱或氨纶混纺纱；所述的非弹性纱为弹性或可收缩性比弹性纱小的纱线，采用天然纤维纱线、再生短纤维纱线、再生长丝纱线、合成短纤维纱线或合成长丝。天然纤维纱线的材质为棉、麻、丝或毛。
优选地，所述弹性纱与非弹性纱的数量比为1:3～3:1，优选为1:1、1:2、1:3、2:1或3:1。
优选地，所述织机中的提花机构采用双经轴织造经重组织，包括经二重、经三重组织；织造时，纬纱采用纬重组织，包括纬二重、纬三重组织。
优选地，所述步骤7)得到的面料为单层面料、双层或三层面料。
优选地，所述的形状记忆材料为具有机械、光、热、声、化学或电磁响应功能中至少一种响应功能的材料，其材料表现形式为合金、聚合物、凝胶、纤维、纱线、织物或任意几种的组成。形状记忆材料为具有可引发材料内结构相转变(例如可引发马氏体相变)的材料。
优选地，所述形状记忆材料的形式为高聚物、凝胶、纤维、纱线、织物或其组成形式；所述形状记忆材料的负载方式为织入、涂覆加入、后整理加入或任意几种的组合方式。
本发明得到的高形状记忆高伸缩性负泊松比面料，具有多样性的高折叠性和结构稳定性，并具有负泊松比效应与形状记忆效应，在机械、光、热、声、化学、电磁等响刺激下折叠结构发生双向大形变从而产生负泊松比效应和高伸缩性，而高形状记忆材料可以使激励去除后恢复至初始形态。
本发明还提供了上述高形状记忆高伸缩性负泊松比面料成型方法得到的负泊松比面料在服装、家纺、装饰、汽车座椅、头盔、鞋或鞋垫中的用途，赋予负泊松比高延伸、形状记忆、冲击防护、热防护等智能功能。
本发明采用机织方法制备高形状记忆高伸缩性负泊松比面料，相比较高温压烫和手工缝制，此方法一次成型，效率高，同时可以提高折叠面料的多样性和结构稳定性，面料具有负泊松比效应与形状记忆效应，在刺激下折叠结构发生双向大形变从而产生负泊松比效应和高伸缩性，而高形状记忆材料的使用可以使刺激去除后形变维持，一定条件下也可恢复变形前状态，可应用于服装、装饰、生物医用、组织工程、光电材料、冲击防护、热防护、柔性传感器、复合材料、航空航天、智能抓手、仿生结构、智能软材料、主动超材料、可延展超材料、超材料载体等领域，前景广阔。
本发明的原理在于通过高形状记忆材料的使用赋予面料形状记忆效应，同时设计具有折叠结构负泊松比面料，面料中弹性材料和负泊松比效应形成材料的高伸缩性。对于折叠结构的形成，弹性纱线与非弹性纱线的差异性收缩，结合经重或纬重的织物结构中浮长线的设置，形成面料表面的差异性收缩，在非折叠区域形成平整均匀的表面，在凸起的区域凸起，在凹下的区域凹下，最终形成面料的折叠立体效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
①弹性纱与非弹性纱线的配置可以在织物中形成差异性收缩。
②经重与纬重织物结构的配置可以在织物中形成弹性浮长线，是凸起与凹下的主要来源。
③采用机织方法制备高形状记忆高伸缩性负泊松比面料，相比较高温压烫和手工缝制，此方法一次成型，效率高，同时可以提高折叠面料的多样性和结构稳定性，面料具有负泊松比效应与形状记忆效应，在刺激下折叠结构发生双向大形变从而产生负泊松比效应和高伸缩性，而高形状记忆材料的使用可以使刺激去除后形变维持，一定条件下也可恢复变形前状态。
④面料可应用于服装、装饰、生物医用、组织工程、光电材料、冲击防护、热防护、柔性传感器、复合材料、航空航天、智能抓手、仿生结构、智能软材料、主动超材料、可延展超材料、超材料载体等领域，前景广阔。
附图说明
图1为负泊松比面料的变形、还原的工艺流程图；
图2为实施例1提供的面料的示意图；
图3、4为实施例1的负泊松比面料不同视角的示意图，其中，黄色为经纱，蓝色为非弹性纬纱，红色为弹性纬纱。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供了一种高形状记忆高伸缩性负泊松比面料成型方法，包括以下步骤：
步骤1)：绘制折叠结构负泊松比面料的意匠图，区分非折叠区域和折叠区域，折叠区域由凸起区域和凹下区域构成；
步骤2)：经纱选取弹性纱或非弹性纱，纬纱选取弹性纱和非弹性纱；
步骤3)：设计弹性纱、非弹性纱采用的织物组织结构；
步骤4)：在意匠图上根据织物组织结构铺设组织；
步骤5)：生成纹版文件；
步骤6)：在织机上进行织造形成折叠结构的负泊松比面料；
步骤7)：在步骤6)织造的负泊松比面料上负载形状记忆材料或直接在步骤6)的织造过程中织入；
所述的弹性纱和非弹性纱在非折叠区域形成平整布面；所述的弹性纱和非弹性纱在凸起区域形成凸起，凸起区域中的弹性纱采用浮长线大于非弹性纱的组织结构，在面料反面形成浮长线实现面料的凸起；所述的弹性纱和非弹性纱在凹下区域形成凹下效果，凹下区域中的弹性纱采用浮长线大于非弹性纱的组织结构，在面料正面形成浮长线实现面料的凹下效果。
本发明采用机织方法制备高形状记忆高伸缩性负泊松比面料，相比较高温压烫和手工缝制，此方法一次成型，效率高，同时可以提高折叠面料的多样性和结构稳定性，面料具有负泊松比效应与形状记忆效应，在刺激下折叠结构发生双向大形变从而产生负泊松比效应和高伸缩性，而高形状记忆材料的使用可以使刺激去除后形变维持，一定条件下也可恢复变形前状态，可应用于服装、装饰、生物医用、组织工程、光电材料、冲击防护、热防护、柔性传感器、复合材料、航空航天、智能抓手、仿生结构、智能软材料、主动超材料、可延展超材料、超材料载体等领域，前景广阔。
实施例1
采用无弹性纯涤纶作为经纱，棉氨混纺纱做弹性纬纱，并在弹性纱线中采用形状记忆纱做芯纱，此形状记忆纱线具有形状记忆功能。同时采用纯棉纱线做非弹性纬纱，采用纬二重组织，非折叠区域弹性纱线用四枚经面做斜纹，非弹性纱线用八枚三飞纬面斜纹，凸起区域弹性纱线做全经组织点，非弹性纱线用四枚纬面右斜纹，凹下区域弹性纱线做全纬组织点，非弹性纱线用四枚经面右斜纹，采用三浦折叠结构，织造面料，由于纬纱中形状记忆纱线在高温下螺旋状态转为伸直并可固定，从而形成高伸缩性面料，在外力去除后可以维持高伸长状态，在面料的恢复过程中通过加温，形状记忆纱线由伸直状态转变为螺旋状态，引起面料收缩，恢复为原状。
实施例2
采用纯棉纱线作为经纱，棉氨混纺纱做弹性纬纱，纯棉纱线做非弹性纬纱，采用纬二重组织，非折叠区域弹性纬纱用平纹，非弹性纬纱用平纹，凸起区域弹性纬纱做全经组织点，非弹性纬纱用四枚纬面右斜纹，凹下区域弹性纬纱做全纬组织点，非弹性纬纱用四枚经面右斜纹，采用三浦折纸结构进行织造，织造后在面料表面涂层温度敏感形状记忆聚氨酯，在高温下织物结构整体收缩，织物变厚，从而可以保证人体安全。
实施例3
采用弹性锦氨线作为经纱，棉氨包缠纱做弹性纬纱，纯棉纱线做非弹性纬纱，采用纬二重组织，非折叠区域弹性纬纱用四枚经面做斜纹，非弹性纬纱用山行斜纹，凸起区域弹性纬纱做全经组织点，非弹性纬纱用四枚纬面右斜纹，凹下区域弹性纬纱做全纬组织点，非弹性纬纱用四枚经面右斜纹，织造具有立体造型的婚纱，并在其中涂层温度敏感形状记忆聚合物，由于高伸缩性，此婚纱可以适用更多的顾客，尤其适合服装租赁的市场，同时由于形状记忆功能，此婚纱可以在不同的顾客身上提供相同的造型稳定性，服装的原样恢复也变得轻松。
实施例4
采用非弹性纯涤纶纱线做经纱，涤氨包缠纱做弹性纬纱，纯棉纱线做非弹性纬纱，采用纬二重组织，非折叠区域弹性纬纱用四枚左斜经面斜纹，非弹性纬纱用八枚五飞纬面缎纹，凸起区域弹性纬纱做全经组织点，非弹性纬纱用四枚纬面右斜纹，凹下区域弹性纬纱做全纬组织点，非弹性纬纱用四枚经面右斜纹，其凸起部分的示意图见图3，凹下部分的示意图见图4，其中在织造后涂层对应力敏感的形状记忆材料，可以使结构更加丰富，适用于更多的场合。
实施例5
采用弹性锦氨线作为经纱，温度敏感形状记忆氨纶做弹性纬纱，涤纶长丝做非弹性纬纱，采用纬二重组织，非折叠区域弹性纬纱用四枚经面做斜纹，非弹性纬纱用八枚三飞纬面斜纹，凸起区域弹性纬纱做全经组织点，非弹性纬纱用四枚纬面右斜纹，凹下区域弹性纬纱做全纬组织点，非弹性纬纱用四枚经面右斜纹，采用具有面内负泊松比的三浦折纸结构进行织造，织造后的面料同时具有高形状记忆和面内高伸缩性。
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