《Textile Research Journal》：Stable knitted fabrics with weft–warp knit features and directional elasticity
编辑推荐：
针织物因其弹性、透气性和多适用性而广泛应用于诸多领域。然而，传统纬编（weft-knitted）服装在穿着一段时间后常出现“增长”现象，尤其在采用弹性纱线（elastomeric yarns）以获得高拉伸性能时更为显著。研究人员报道了一种无需使用氨纶（elas
针织物因其弹性、透气性和多适用性而广泛应用于诸多领域。然而，传统纬编（weft-knitted）服装在穿着一段时间后常出现“增长”现象，尤其在采用弹性纱线（elastomeric yarns）以获得高拉伸性能时更为显著。研究人员报道了一种无需使用氨纶（elastane）即可制备稳定且具方向性弹性（directional elasticity）纬针织物的新型策略。研究人员通过采纳经编结构（warp knit structure）特征并战略性设置交织线圈（interlocking loops）以限制纵向（wale direction）变形，使新型织物结构在横向（course direction）实现了良好的稳定性及以横向为主的方向性弹性。该性能已通过有限元建模（finite-element modeling）及采用莱赛尔/涤纶（Tencel/polyester）、纯棉、棉/涤纶和Modal/涤纶纱线制备的针织物得以验证。本研究将为开发结构稳定且具方向性弹性的针织物提供理论指导，并在功能性运动服装（functional activewear）、医疗保健（healthcare）和家用纺织品（home textiles）等领域展现出广阔的应用前景。
纺织品在人类文明进程中扮演重要角色，纺织工程（textile engineering）融合艺术与科学，持续重塑织物的功能属性。针织物（knitted fabrics，由纱线成圈相互套串而成的制品）因独特的弹性、透气性和结构多用性而日益普及，全球针织产品年产值预计可达1.606万亿美元（US$1606 billion）。纬编针织物（weft-knitted fabrics，纱线沿纬向顺序弯曲成圈而形成的针织物）较经编针织物（warp-knitted fabrics，纱线沿经向同时弯曲成圈编织的结构）具备更优异的延展性与柔软性，因而被广泛应用。然而，传统纬编针织物存在结构稳定性不足、弹性回复欠佳等问题，经反复洗涤和穿着后易发生变形与纵向伸长，尤其当使用弹性纱线追求高拉伸时，成衣常出现尺寸“增长”现象。
针对上述挑战，现有改进策略各有局限：结构改造方面，机织与针织结合虽可提升韧性，却牺牲了弹性；纬/经联合技术通常仅适用于平针织机，且纵向弹性调节依赖额外缝线。材料方面，添加20%氨纶（Spandex/elastane）虽可将伸长率提升至200%以上，但存在易老化、化学稳定性差、不可再生及回收困难等缺陷。后处理技术如热定型与涂层虽能改善力学性能，却往往损害透气性与穿着舒适性。因此，如何在无氨纶条件下实现纬编针织物的结构稳定性与方向性弹性，成为该领域亟待解决的关键问题。
为应对这一挑战，研究人员提出了一种新型纬编针织物设计，通过结构设计与编织技术融合，形成交织的双线圈结构（intertwined double-loop structure），在横向（course direction，沿织物横列方向）实现高延展性，同时利用经编结构特征限制纵向（wale direction，沿织物纵行方向）变形。研究系统表征了该织物的拉伸强度、弹性及循环加载下的结构稳定性，并与常见平针织物（plain knit fabrics，由单一线圈串套而成的最基础针织结构）对比。结果表明，该织物在横向兼具良好可拉伸性与弹性，经洗涤后表现出更优异的耐磨性与尺寸稳定性，为方向性弹性针织物设计提供了结构基础，也为开发无不可再生氨纶的功能性织物开辟了新途径。
研究人员采用的关键技术方法包括：对标准双面圆型针织机进行系统性改造，加装带沉降片（spreaders）的挑针（transfer latch needles）、选针器（electronic single-needle selection control）及沉降片三角系统（loop transfer cam system），实现针筒与针盘间的线圈转移（loop transfer），并结合半交错针床排列（semi-staggered needle bed arrangement）与计算机提花系统（computer jacquard system）编程编织时序，形成前后线圈互锁的三维网络结构。研究采用Abaqus/Explicit 2023进行有限元建模（finite-element modeling），对双纱织物（double yarn fabric, DYF）与方向性弹性织物（directional elastic fabric, DEF）进行横纵向拉伸模拟。样本队列选用了Xiamen Xingquan Long Machinery Co., Ltd.提供的莱赛尔/涤纶、纯棉、棉/涤纶及Modal/涤纶纱线，通过改装圆型针织机制备系列样品以验证技术普适性。
在设计方向性弹性针织物方面，研究人员基于两项核心原则展开：使织物在纵向具备可与机织物相比拟的结构稳定性与机械强度，同时在横向保留弹性材料特有的延展性与可恢复性。有限元模拟显示，常规DYF在横向拉伸时互锁线圈结构消失并转变为弯曲单纱形态；而DEF线圈仅产生变形而无明显滑移，横向断裂力（1.72 N）显著高于DYF。纵向拉伸模拟进一步证实，DEF较DYF表现出更小的断裂伸长和更大的断裂力，验证了其限制纵向变形的设计理念。基于模拟结果，研究人员利用改装圆型针织机成功制备了DEF实物，其正面呈现与平针织物相同的V形线圈柱，背面则形成独特的互锁双线圈结构，与理论设计高度一致。
在针织织物力学性能方面，拉伸测试显示，T/P混纺纱制成的DEF与DYF在横向均经历低外力下快速伸长、随后线性响应的两阶段断裂过程，横向断裂伸长均超过120%。纵向测试中，两者载荷-伸长曲线近乎垂直；其中DEF纵向断裂力达185.6 N，显著高于DYF的114.6 N，且DEF纵向断裂伸长（68.9%）低于DYF（83%）。耐磨性能测试按ISO 12947-2标准采用Martindale耐磨及起球测试仪进行，DYF在20,000次摩擦循环后质量损失达9.2%，表面出现断纱和孔洞；DEF在同等条件下质量损失仅约4.0%，表面仅轻微起毛与起球。洗涤尺寸稳定性按ISO 3759:2011标准经三次水洗后评估，DEF尺寸变化小于DYF，尤其在纵向保持了优良的尺寸稳定性；DYF因不对称收缩产生明显倾斜，而DEF基本保持原有形状。
为验证制造技术普适性，研究人员采用纯棉、棉/涤纶及Modal/涤纶纱线制备了多种DEF样品。光学显微镜观察确认，所有变体均成功实现预期结构：正面为平针组织，背面为交织结构。力学测试表明，C、C/P及M/P材质的DEF横向断裂伸长均约200%，断裂力小于150 N；纵向断裂伸长降至约50%，断裂力超过200 N。计算显示，各织物横向与纵向应变比超过300%，强度比低于60%，确证了显著的方向性可拉伸特征。拉伸恢复性能评估中，C/P DEF在40%至160%渐进应变范围内保持结构完整性，应变小于80%时仅产生极小塑性变形。该织物在50%应变下经50次拉伸-卸载循环后，塑性变形仅约10%，展现出与添加氨纶针织物相近的弹性回复特性，且可承受100%应变而不发生开裂。
在讨论部分，研究人员指出，通过建立纬编-经编融合的结构设计，可在不依赖氨纶的情况下实现纬编针织物的方向性弹性。有限元建模与实验结果表明，DEF在横向具备超过120%的低载荷变形能力，纵向极限断裂伸长仅约50%，体现出显著的各向异性力学特征。该结构通过战略性互锁线圈限制纵向线圈滑移与变形，同时利用横向线圈的几何重构赋予织物良好的弹性回复能力。
研究人员总结认为，他们建立了一种开发高横向延展性、低纵向延展性纬编针织物的新方法。该织物结构的方向性特征已通过有限元建模系统验证，并采用莱赛尔/涤纶、纯棉、棉/涤纶和Modal/涤纶纱线成功制备出多种实体织物。所得方向性弹性织物（DEF）在低拉伸力下可实现超过120%的横向变形，而在高拉伸力作用下纵向断裂伸长仅约50%。得益于独特的交织双线圈结构，该织物在横向表现出良好的弹性，在50%伸长率下经50次拉伸-卸载循环后仍能维持稳定性能。上述发现为方向性弹性针织物的结构设计提供了重要的理论依据，并为开发完全无需不可再生氨纶的功能性针织物展示了广阔的应用前景。
