緯編針織柔性傳感器結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性能

蔡倩文， 王金鳳， 陳慰來

(浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

緯編針織柔性傳感器結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性能

蔡倩文， 王金鳳， 陳慰來

(浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

為探討緯編針織柔性傳感器結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性能，通過將鍍銀纖維、不銹鋼微絲、銅纖維、銅絲等5種導(dǎo)電纖維與粘膠及彈力錦綸/氨綸包芯紗在電腦橫機(jī)上混織，用以制備緯編針織柔性傳感器，并對所織柔性傳感器進(jìn)行不同縱行不同橫列的導(dǎo)電性能測試。結(jié)果表明：所選導(dǎo)電纖維(金屬絲)具有一定的可編織性；根據(jù)柔性傳感器局部電阻實(shí)測數(shù)據(jù)，其規(guī)律與文獻(xiàn)建立的電阻六角模型計(jì)算較為吻合，且同時(shí)適用于5種導(dǎo)電纖維試樣，能更好地進(jìn)行柔性傳感器的理論分析，從而開發(fā)價(jià)格合理、性能優(yōu)異的針織柔性傳感器。

導(dǎo)電纖維； 金屬絲； 緯編； 柔性傳感器； 導(dǎo)電性能

2015年初召開的博鰲亞洲論壇給人們描繪了一幅未來智能醫(yī)療的愿景——通過可穿戴醫(yī)療設(shè)備收集數(shù)據(jù)、管理健康、診治疾病。同時(shí)，Apple Watch等產(chǎn)品的發(fā)布，智能穿戴市場逐漸被人們所熟知。從戴頭上的“腦電波監(jiān)控發(fā)帶”到穿腳上的“靈敏襪子”等，越來越多的企業(yè)致力于開發(fā)智能紡織品。

導(dǎo)電織物傳感器代表一類智能紡織品，近年來受到廣泛的重視。而針織物具有良好的穿著舒適性及可靈活襯入傳感器等優(yōu)點(diǎn)，十分適合作為傳感器的載體。國內(nèi)外目前關(guān)于織物組織結(jié)構(gòu)電阻式應(yīng)變?nèi)嵝詡鞲衅鞯难芯炕旧隙际腔卺樋椊Y(jié)構(gòu)[1-2]。同時(shí)，金屬導(dǎo)電纖維具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、柔韌性和耐腐蝕性等[3]，其導(dǎo)電性能接近于純金屬。如鍍銀纖維作為一種功能纖維，具有獨(dú)特的抗菌除臭，防電磁波輻射，抗靜電，調(diào)節(jié)體溫等功能[4]。因此，本文首先對鍍銀纖維、不銹鋼絲、銅纖維、銅絲這些導(dǎo)電纖維(絲)進(jìn)行性能測試；將這些導(dǎo)電纖維與粘膠纖維、彈力錦綸/氨綸包芯紗一起，在電腦橫機(jī)上分別混織平紋、羅紋組織織物；再對所得柔性傳感器進(jìn)行導(dǎo)電性能測試。通過分析比較，以期為后續(xù)開發(fā)研究提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

材料：錦綸基鍍銀纖維長絲(77、111 dtex 2種)、77 dtex銅纖維、77 dtex不銹鋼微絲、111 dtex銅絲、彈力錦綸/氨綸包芯紗(錦綸線密度20 dtex，氨綸線密度30 dtex、123 dtex粘膠纖維。

儀器：XL-2紗線強(qiáng)伸度儀、VICTOR-VC890C+數(shù)字萬用表、SteREO Discovery.V20蔡司體視顯微鏡、JSM-5610LV掃描電子顯微鏡、紹興越發(fā)YF132B-XG-Ⅲ電腦橫機(jī)。

1.2 性能測試

1.2.1 導(dǎo)電纖維強(qiáng)力測試

將5種導(dǎo)電纖維靜置在溫度為(22±2) ℃、相對濕度為(65±5)%條件下調(diào)濕24 h后，使用XL-2型紗線強(qiáng)伸度儀，分別測試50根試樣的數(shù)據(jù)，取平均值。

1.2.2 導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性能

將5種導(dǎo)電纖維靜置在溫度為(22±2) ℃、相對濕度為(65±5)%條件下調(diào)濕24 h后，將一定長度(>20 cm)的各類纖維順直自然地放置在絕緣木板上，兩端用絕緣膠帶固定，使用VICTOR-VC890C+數(shù)字萬用表分別測定20 cm不同單位長度的電阻值。測試結(jié)果為10次平均值。

1.2.3 電腦橫機(jī)編織

使用5種導(dǎo)電纖維分別與彈力錦綸/氨綸包芯紗、粘膠纖維在E14的電腦橫機(jī)上制備緯平針和滿針羅紋柔性傳感器，其中編織平針柔性傳感器時(shí)的前紗嘴使用粘膠纖維，后紗嘴使用導(dǎo)電纖維，從而柔性傳感器正面呈現(xiàn)導(dǎo)電纖維，反面則為粘膠纖維。1.2.4 柔性傳感器透氣性能測試

在濕度為60%、溫度25 ℃的條件下，通過上述織得的10種試樣，使用YG461E型織物透氣量儀，每次測量試樣不同位置，共10次，取數(shù)據(jù)平均值。其中試樣面積為20 cm2，試樣壓差為100 Pa，自動更換噴嘴。

1.2.5 柔性傳感器導(dǎo)電性能測試

針對10種試樣，用鉤針拆出指定區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)電纖維，保留其中的40個(gè)橫列，40個(gè)縱行。將拆出的導(dǎo)電纖維并股，使用VICTOR-VC890C+數(shù)字萬用表分別測40個(gè)縱行，10、20、30、40橫列的電阻。圖1示出織物分拆局部示意圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的各項(xiàng)性能

通過掃描電鏡觀察、強(qiáng)力測試，可得到各導(dǎo)電纖維單纖直徑、復(fù)絲根數(shù)及強(qiáng)力等材料特性，結(jié)果如表1所示。

表1 纖維材料特性Tab.1 Fibers characteristics

表中，鍍銀纖維為錦綸基鍍銀長絲，銅纖維是利用硫化銅微粒子合成物沉積到錦綸原絲制成。從表可看出，111 dtex鍍銀纖維強(qiáng)力較大，相對于77 dtex鍍銀纖維，其線密度較大，受外力拉伸到斷裂時(shí)所需要的力也就較大。

不銹鋼絲及銅絲都是經(jīng)高科技拉絲處理制成，股數(shù)僅為1，故單絲強(qiáng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他的導(dǎo)電纖維。它們在小負(fù)荷作用下不易變形，即材料的剛性較大，故所織織物的柔性較差，但其具有較好的伸長率，織成的面料具有金屬光澤。

2.2 金屬纖維的導(dǎo)電性能

選取了1～20 cm不同單位長度的導(dǎo)電纖維，測得5種纖維的電阻值如圖2所示。同時(shí)利用Origin8.5對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，黑實(shí)線為其線性擬合曲線。數(shù)值已剔除萬用表導(dǎo)線電阻0.8 Ω。

從圖中可看出，5種紡織用導(dǎo)電纖維電阻均隨長度的增加呈線性增加，與金屬導(dǎo)電性能一致。

金屬導(dǎo)體其電阻與導(dǎo)體長度的關(guān)系式為

式中：ρ為導(dǎo)體的電阻率，Ω·cm；L為導(dǎo)體的長度，m；S為導(dǎo)體的橫截面積，m2。設(shè)上述式中ρ/S為K，則該式可寫成R=KL。

由上述公式以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，線性導(dǎo)體的電阻與其長度成正比，利用Origin8.5得到的擬合數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 所用纖維電阻擬合數(shù)據(jù)及電阻率Tab.2 Resistance fitting data and resistivity of fibers

通過掃描電鏡觀察，可得到各導(dǎo)電纖維單纖直徑及F數(shù)，利用下式計(jì)算各纖維的截面積S得以計(jì)算電阻率。

由表2可知，相關(guān)系數(shù)R2的值趨向1，表明回歸直線對觀測值的擬合程度越好。一般來說，金屬導(dǎo)體電阻與其長度成正比而與截面積成反比[5]。實(shí)測顯示，5種導(dǎo)電纖維的電阻隨著單位長度的增加而呈線性增加，截面積較大的111 dtex鍍銀纖維的電阻小于77 dtex鍍銀纖維。111 dtex鍍銀纖維、111 dtex銅絲的殘差平方和較小，故其擬合程度也越好。77 dtex不銹鋼微絲及111 dtex銅絲是由純金屬絲拉絲制成，故其較鍍銀及銅纖維表現(xiàn)出較低電阻率，具有較好的導(dǎo)電性能。純銅材料電阻率接近1.75×10-6Ω·cm，而純銀材料電阻率為1.65×10-6Ω·cm，鍍銀纖維中銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比40%左右，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，錦綸基鍍銀纖維還能表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。由于銅纖維是利用硫化銅粒子的合成物沉積到錦綸原絲而制成，且通過EDS元素分析銅含量占比較少，其電阻率較大，但對比一般表面包覆型和成分復(fù)合型導(dǎo)電纖維約102～105Ω·cm的比電阻，銅纖維還是具有良好的導(dǎo)電性能。

2.3 柔性傳感器的編織

交織和并線適合于各類金屬長絲在織物上的應(yīng)用[6]。故采用機(jī)號為E14紹興越發(fā)電腦橫機(jī)，5種導(dǎo)電纖維(絲)分別與彈力錦綸/氨綸包芯紗和粘膠纖維共同編織平紋、滿針羅紋共10塊柔性傳感器試樣，試樣3、4實(shí)物圖如圖3所示。其中，在電腦橫機(jī)上試織銅絲導(dǎo)電織物時(shí)，由于銅絲自身的特殊性使其無法正常在筒子上退繞，編織時(shí)陸續(xù)出現(xiàn)滑落成團(tuán)現(xiàn)象；同時(shí)在橫機(jī)上織造時(shí)，即便對各類參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，仍存在嚴(yán)重的斷紗、織物破洞、機(jī)器絞紗等問題。故最終111 dtex銅絲柔性傳感器試樣選擇在14針國產(chǎn)紅旗馬手搖橫機(jī)上織造，并將強(qiáng)力更大的玉石改性聚酯纖維替換粘膠纖維織得，對后續(xù)的導(dǎo)電性能研究影響不大。所用導(dǎo)電纖維柔性傳感器編號及工藝參數(shù)如表3所示。

試樣編號組織結(jié)構(gòu)橫密/(縱行·(5cm)-1)縱密/(橫列·(5cm)-1)總密度/(線圈·(25cm2)-1)導(dǎo)電纖維名稱1平紋3542147077dtex鍍2羅紋31431333銀纖維3平紋36411476111dtex4羅紋31401240鍍銀纖維5平紋3540140077dtex銅6羅紋26441144纖維7平紋3737136977dtex不8羅紋2139819銹鋼絲9平紋36431548111dtex10羅紋31381178銅絲

通過歐拉公式，可得到紗線張力隨著輸入張力的增加而增加，所以在編織導(dǎo)電纖維紗線時(shí)盡可能地采用積極式給紗以保證盡量小的紗線張力。

彎紗深度是決定正常編織、織物密度和線圈結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。彎紗深度刻度盤值偏小，線圈長度偏短，脫圈困難且機(jī)頭移動阻力很大；而彎紗深度刻度盤值偏大，織物密度偏稀，線圈易脫散[7]。若是彎紗深度的刻度盤值偏小(小于6)，線圈長度就偏短，脫圈則較為困難，此時(shí)編織平紋織物時(shí)所有材料的編織難度就增大；而編織滿針羅紋時(shí)，不銹鋼絲的編織難度反而降低。彎紗深度的刻度盤值偏大(大于13)的情況下， 線圈則易脫散，而所編織物密度偏稀，此時(shí)編織滿針羅紋時(shí)，不銹鋼絲的編織難度大，漏針現(xiàn)象非常嚴(yán)重。因此，根據(jù)試織過程的調(diào)試，彎紗深度刻度盤調(diào)節(jié)范圍為8～12。

同時(shí)，在編織過程中，不銹鋼微絲及銅絲的摩擦因數(shù)和彎曲剛度較大，織造時(shí)不易牽拉，因此需施加比普通紗線較大的牽拉張力。

2.4 柔性傳感器的透氣性能

通過織物透氣量儀，對表3中試織的針織柔性傳感器進(jìn)行了透氣性能測試，結(jié)果如圖4所示。圖中斜紋柱體為平紋織物透氣量，點(diǎn)狀柱體為羅紋織物透氣量。從圖中可看出，10號樣品的透氣性能最好，高達(dá)2 212.82 L/(m2·s)，盡管銅絲平紋織物總密度最高，但因其利用涼爽保健的玉石改性聚酯纖維，且銅絲為單絲，織物的未充滿系數(shù)較大，故表現(xiàn)優(yōu)良的透氣性能。1～7號透氣性能較差，較國標(biāo)中一般針織平紋羅紋織物透氣量評定，盡管嵌織導(dǎo)電纖維，但對透氣性的影響很小。

2.5 柔性傳感器的導(dǎo)電性能

按照上述實(shí)驗(yàn)方法，使用VICTOR-VC890C+數(shù)字萬用表，與圖1所示方法10橫列為1組連接加載電壓，來測試導(dǎo)電織物的等效電阻。10種試樣的實(shí)測值如表4所示。數(shù)值已剔除萬用表導(dǎo)線電阻0.8 Ω。

表4 各導(dǎo)電織物在(10,20,30,40)橫列×40縱行的等效電阻實(shí)測值Tab.4 Equivalent resistance of 10 different samples under (10,20,30,40)course ×40wales Ω

注：試樣6(77 dtex銅纖維羅紋織物)等效電阻實(shí)測超出量程，故無參考數(shù)據(jù)。

采用基爾霍夫定律求解電路網(wǎng)可得到確定線圈橫列、縱行數(shù)的導(dǎo)電緯平針織物的等效電阻[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]建立的導(dǎo)電緯平針織物的六角模型，來表征導(dǎo)電緯平針織物的結(jié)構(gòu)特征。該電阻六角模型中等效電路可看作是各紗段電阻和接觸電阻組成的串并聯(lián)復(fù)雜電路網(wǎng)，且假定交疊紗段的接觸電阻只與紗段的正接觸力有關(guān)，而并不考慮他們在交疊區(qū)域的接觸長度。從表4中的1、3、5、7、9試樣可看出以下規(guī)律：

式中R(x,y)表示針織柔性傳感器在橫列x、縱行y的等效電阻值，其中x=10、20、30、40，y=40。上述針織柔性傳感器實(shí)測規(guī)律與其建立的模型計(jì)算較吻合，平紋織物相同縱行、不同橫列之間存在相對關(guān)系并且適用于5種導(dǎo)電纖維試樣，能更好地進(jìn)行柔性傳感器的理論分析。 多種針織柔性傳感器試樣在(10,20,30,40)橫列×40縱行的等效電阻對比如圖5所示。

從圖5可看出，在線圈電阻六角模型的架構(gòu)下，沿導(dǎo)電緯平針織物的縱向，40個(gè)橫列及40個(gè)縱行組成的電路為串并聯(lián)電路，等效電阻隨著橫列數(shù)的增加而減少，但并非線性減少。平紋織物的電阻小于羅紋織物的電阻，表現(xiàn)更好的導(dǎo)電性能；因在測試羅紋織物40個(gè)正面縱行等效電阻時(shí)包含39個(gè)反面縱行，根據(jù)文獻(xiàn)[7]所述沿著導(dǎo)電緯平針織物的橫列方向，表現(xiàn)的電路為串聯(lián)電路，而羅紋織物等效電阻實(shí)測縱行數(shù)為79個(gè)，故如圖所示，5種導(dǎo)電纖維編織的羅紋織物等效電阻大于平紋織物。111 dtex鍍銀織物較77 dtex鍍銀織物電阻更小，前者材料中銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比更大，故擁有更好的導(dǎo)電性。77 dtex不銹鋼絲及111 dtex銅絲雖表現(xiàn)出較小的電導(dǎo)率，有極好的導(dǎo)電性能，但不銹鋼織物的電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于除銅纖維織物的其他織物，不銹鋼微絲在織物中的分布與連續(xù)性影響其導(dǎo)電性能[10]。銅絲織物的電阻值依然較小，表現(xiàn)良好的導(dǎo)電性。

3 結(jié) 論

近年來，作為新型功能材料的智能紡織品發(fā)展迅猛，深受青睞。在通過以上對針織柔性傳感器原料、編織結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能的實(shí)驗(yàn)分析研究，得出以下結(jié)論。

1)5種導(dǎo)電纖維與粘膠纖維、彈力錦綸/氨綸包芯紗在電腦橫機(jī)上混織平紋、羅紋柔性傳感器，盡管在編織途中存在純金屬絲易斷裂等情況，但都可經(jīng)過調(diào)節(jié)彎紗深度、控制張力來完成，說明導(dǎo)電纖維(金屬絲)具有一定的可編織性。同時(shí)根據(jù)編織時(shí)的狀態(tài)分析，可提供更好的導(dǎo)電纖維生產(chǎn)建議，提高柔性傳感器結(jié)構(gòu)編織工藝。

2)鍍銀纖維的導(dǎo)電性能研究已經(jīng)較充分，但其價(jià)格較為昂貴，本文旨在發(fā)現(xiàn)其他較為合理的導(dǎo)電纖維以實(shí)現(xiàn)更好的產(chǎn)業(yè)化。通過對比5種導(dǎo)電纖維的電阻率，均具有較高的線性擬合；同時(shí)，根據(jù)透氣性等性能測試，所織柔性傳感器具備良好服用舒適性，適合針織柔性傳感器的開發(fā)。

3)根據(jù)40橫列、40縱行柔性傳感器的電阻實(shí)測數(shù)據(jù)，其規(guī)律與建立的電阻六角模型計(jì)算較為吻合，且同時(shí)適用于5種導(dǎo)電纖維試樣，驗(yàn)證了同縱行不同橫列等效電阻的電阻六角模型，能更好地進(jìn)行柔性傳感器的理論分析。

4)線密度較大的鍍銀纖維柔性傳感器表現(xiàn)更好的導(dǎo)電性能，且有較大的強(qiáng)力；銅纖維柔性傳感器雖超出儀器使用電阻，未能測得其電阻值，但銅纖維的電阻率依然比一般表面包覆型和成分復(fù)合型導(dǎo)電纖維小，有一定的導(dǎo)電性能；不銹鋼微絲和銅絲的單絲導(dǎo)電性能很好，且銅絲織物的電阻實(shí)測值較低，依然表現(xiàn)良好的導(dǎo)電性能，但其在編織過程中存在的問題及穿著舒適性還需后續(xù)研發(fā)改善。

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Structures and electrical properties of weft-knitted flexible sensors

CAI Qianwen， WANG Jinfeng， CHEN Weilai

(College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China)

By mixing the five kinds of electrical conductivity fibers, including silver-plating yarn, stainless steel wire, copper wire and copper fiber, with viscose and nylon/spandex core-spun elastic yarn, weft-knitted flexible sensors are knitted on the computerized flat knitting machine. Then the electric conductivity of flexible sensors was tested at different wales and courses to discuss the structure and electrical properties of the sensors. The results show the conducting fibers are knittable; by the measuring data of local resistance, it is almost in conformity with the resistance hexagon model, which is applied to the five kinds of conductive fibers and be better used in the theoretical analysis; thus it can guide to develop better weft-knitted flexible sensors with reasonable price and excellent performance.

conductive fiber; metal filament; weft-knitting; flexible sensor; electric conductivity

10.13475/j.fzxb.20150603806

2015-06-15

2016-01-10

“紡織科學(xué)與工程”重中之重一級學(xué)科開放基金項(xiàng)目(2014KF03)；“紡織科學(xué)與工程”重中之重一級學(xué)科優(yōu)秀博士專項(xiàng)項(xiàng)目(2014YBZX02)；浙江理工大學(xué)科研啟動基金項(xiàng)目(14012003-Y)

蔡倩文(1990—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代紡織技術(shù)及新產(chǎn)品。陳慰來，通信作者，E-mail：wlchen193@163.com。

TS 181.8

A