不同材料導(dǎo)電紗線針織柔性傳感器的傳感性能

郭秋晨， 龍海如

(東華大學(xué)a.紡織學(xué)院； b.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620)

隨著現(xiàn)代社會對健康的重新定義，加之老齡化社會的全面來臨，智能紡織品受到市場的密切關(guān)注.將智能化賦予無縫內(nèi)衣，是將電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、紡織科學(xué)及材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)融合在同一件服裝之上，其中監(jiān)測心跳、呼吸等生命體征的智能紡織品最受關(guān)注.研究表明，在小應(yīng)變拉伸針織柔性傳感器的前提下，單元線圈紗線間接觸力變化微小，起決定性作用致使針織柔性傳感器電阻發(fā)生改變的因素是線圈紗段轉(zhuǎn)移，并且針織柔性傳感器的應(yīng)變與電阻呈線性關(guān)系[1].

基于無縫針織物穿著舒適的特點，為了開發(fā)集成針織柔性傳感器的智能無縫服飾，監(jiān)測人體生理信號如呼吸、心跳等，結(jié)合市場上已有的導(dǎo)電紗線，本文采用幾種不同規(guī)格的導(dǎo)電紗線，包括不同線密度鍍銀錦綸絲、鍍銅錦綸絲、含銅腈綸紗、含銅腈綸/滌綸混紡紗，進(jìn)行針織柔性傳感器的編織.考慮到針織柔性傳感器應(yīng)用于無縫產(chǎn)品，因此使用無縫內(nèi)衣機(jī)進(jìn)行基于平針添紗組織的針織柔性傳感器的編織，將其編織成有傳感區(qū)及非傳感區(qū)的試樣后測試其傳感性能，包括拉伸過程中的電阻與應(yīng)變的關(guān)系及重現(xiàn)性，并通過正交試驗分析導(dǎo)電紗線和傳感器尺寸對傳感器靈敏系數(shù)的影響.

1　針織柔性傳感器的制備與測試

1.1　原料與編織

本文采用了6種不同規(guī)格的導(dǎo)電紗線和兩種非導(dǎo)電紗線，其規(guī)格如表1所示.

表1　針織柔性傳感器原料規(guī)格Table 1　Material specifications of knitted flexible sensors

在機(jī)號為E28的SANTONI SM8-TOP2MP型單針筒無縫內(nèi)衣機(jī)上進(jìn)行針織柔性傳感器的編織.將組織結(jié)構(gòu)設(shè)計成平針添紗組織，利用提花添紗技術(shù)將導(dǎo)電紗線編織成傳感區(qū)，制備了包含傳感器的織物試樣.

針織柔性傳感器的工作原理是通過監(jiān)測呼吸及心跳時皮膚的伸縮作用從而引起等效電阻的變化[2-3]，而等效電阻除了與針織柔性傳感器的紗線材料有關(guān)，還取決于傳感區(qū)的線圈橫列數(shù)及縱行數(shù)，因此線圈橫列數(shù)和縱行數(shù)均影響其傳感性能[4].結(jié)合無縫內(nèi)衣下機(jī)后的尺寸與橫列數(shù)及縱行數(shù)的對應(yīng)變化、應(yīng)用到后續(xù)測試人體生理信號的傳感區(qū)尺寸大小、呼吸及心跳引起皮膚的形變程度等因素的共同影響，將傳感區(qū)尺寸(橫列數(shù)×縱行數(shù))設(shè)計為：8×50、 8×100、 8×150、 16×50、 16×100、 16×150、 24×50、 24×100、 24×150，將每種尺寸的針織柔性傳感器試樣各編織3個，下機(jī)后進(jìn)行明確標(biāo)記再進(jìn)行后續(xù)試驗.

1.2　特征指標(biāo)

針織柔性傳感器屬于應(yīng)變-電阻傳感器，其特征指標(biāo)主要有線性度、靈敏系數(shù)、重現(xiàn)性.其中靈敏系數(shù)采用式(1)進(jìn)行表征與分析[5].

(1)

式中：K為靈敏系數(shù)；ΔR為電阻的變化量；R0為初始電阻；Δl為長度的變化量；l為初始長度；ε為應(yīng)變.在分析線性度時得到電阻與應(yīng)變的線性關(guān)系方程如式(2)所示.

R=kε+R0

(2)

式中：R為變化電阻；k為電阻與應(yīng)變的線性關(guān)系方程對應(yīng)的斜率.

K=k/R0

(3)

1.3　應(yīng)變-電阻關(guān)系與重現(xiàn)性測試

集成針織柔性傳感器的智能無縫內(nèi)衣是通過人體皮膚伸縮作用于傳感器使之電阻發(fā)生變化來測試人體生理信號的，因此需要著重考察針織柔性傳感器的電阻-應(yīng)變關(guān)系.

試樣下機(jī)后裁剪成16 cm×6 cm(長×寬)的矩形，使傳感區(qū)處于試樣中心位置，如圖1所示.其中，深色部分為傳感區(qū)，面紗采用導(dǎo)電紗線，淺色部分為連接區(qū)，面紗采用錦綸彈力絲，兩個區(qū)的地紗均為錦/氨包覆紗.將傳感區(qū)兩端的導(dǎo)電紗線連接至帶存儲功能的DM3680型數(shù)字萬用表，試樣的末端夾持在X-Y型電子織物強(qiáng)力儀的一對夾頭中.根據(jù)人體呼吸及心跳時皮膚收縮作用產(chǎn)生的形變，將試樣的緯向拉伸應(yīng)變設(shè)定在15% 以內(nèi)，拉伸試樣的同時采集傳感器對應(yīng)的電阻值，從而得到電阻與應(yīng)變的一一對應(yīng)關(guān)系.對每種導(dǎo)電紗線編織的不同傳感區(qū)尺寸的3個試樣，分別測試其在應(yīng)變范圍內(nèi)的電阻起始值及電阻變化值，基于3組數(shù)據(jù)的平均值分析電阻與應(yīng)變的關(guān)系.

(a) 正面　(b) 反面

從每種導(dǎo)電紗線編織的傳感區(qū)尺寸為16×50的3個試樣中選取1個，反復(fù)拉伸10次并同步測量其電阻的變化，將應(yīng)變范圍設(shè)定在0～15%，記錄10次拉伸過程中的電阻與應(yīng)變的一一對應(yīng)關(guān)系，從而得到針織柔性傳感器電阻變化的重現(xiàn)性.

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　不同線密度鍍銀錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)

當(dāng)使用相同材料導(dǎo)電紗線編織針織柔性傳感器時，應(yīng)考慮導(dǎo)電紗線線密度、傳感區(qū)橫列數(shù)及縱行數(shù)如何選擇，才能使傳感器的靈敏系數(shù)盡可能大.為此采用正交試驗，分析1#～3#鍍銀錦綸絲線密度A、橫列數(shù)B、縱行數(shù)C 3個因素對于傳感器靈敏系數(shù)的影響，所使用的因素水平表如表2所示.

表2　因素水平表Table 2　Table of factors and levels

在3個因素中，除了考慮鍍銀錦綸絲線密度A與橫列數(shù)B、縱行數(shù)C的單一因素的影響之外，還需分析兩兩之間的交互作用.因此選用正交表L27(313)進(jìn)行試驗.本文正交試驗的結(jié)果為傳感器的靈敏系數(shù)，因此首先要分析電阻與應(yīng)變是否呈線性關(guān)系及其確定系數(shù).將27組采用1#～3#導(dǎo)電紗線編織的不同尺寸針織柔性傳感器電阻與應(yīng)變的實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行Matlab擬合分析得到電阻與應(yīng)變在1%～15%應(yīng)變范圍內(nèi)的二元一次線性方程，所有方程的確定系數(shù)R2均大于0.99，表明所有受試針織柔性傳感器的電阻與應(yīng)變呈線性關(guān)系.接著利用式(3)計算得到各試驗號的靈敏系數(shù)，其正交試驗方案與試驗結(jié)果見表3.

表3　正交試驗方案及試驗結(jié)果

(續(xù)　表)

對表3中得到的試驗結(jié)果進(jìn)行Matlab極差分析，得到影響傳感器靈敏系數(shù)的因素排列為：A， B， B×C， A×B， C， A×C.從單因素角度分析，影響次序依次為：鍍銀錦綸絲線密度、橫列數(shù)、縱行數(shù).3種不同線密度的鍍銀錦綸絲的制備方法均采用化學(xué)鍍銀技術(shù)在錦綸纖維的表面形成一層銀的鍍層，導(dǎo)電紗線的線密度對于傳感器的靈敏系數(shù)的影響最大，而縱行數(shù)對于靈敏系數(shù)的影響相對較小.考慮交互作用時，橫列數(shù)B與縱行數(shù)C的交互作用、鍍銀錦綸絲線密度A與橫列數(shù)B的交互作用對靈敏系數(shù)的影響比單因素縱行數(shù)C大，而鍍銀錦綸絲線密度A與縱行數(shù)C的交互作用對于靈敏系數(shù)的影響反而小于單因素鍍銀錦綸絲線密度A、縱行數(shù)C.因此試驗結(jié)果是否可靠需要進(jìn)一步分析，在水平數(shù)大于等于3且考慮交互作用的正交試驗中，采用極差分析法雖然可以得到影響次序，但得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性無法確定[6].故對上述試驗結(jié)果進(jìn)行Matlab方差分析得到表4.

表4　方差分析表Table 4　Analysis of variance table

由表4可知，鍍銀錦綸絲線密度A和橫列數(shù)B對傳感器靈敏系數(shù)的影響很顯著，橫列數(shù)B與縱行數(shù)C的交互作用對靈敏系數(shù)的影響較顯著，其他因素對靈敏系數(shù)的影響并不顯著.因此只有影響次序排在前3位的A， B， B×C對靈敏系數(shù)影響顯著.考慮后續(xù)編織智能無縫產(chǎn)品選擇針織柔性傳感器時，鍍銀錦綸絲線密度選擇尤為重要，并在設(shè)計傳感區(qū)尺寸時，橫列數(shù)比縱行數(shù)更為重要.

2.2　相同線密度鍍銀及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)

將所測得的以4#導(dǎo)電紗線編織的不同尺寸針織柔性傳感器的電阻與應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行Matlab擬合分析，得到電阻與應(yīng)變在1%～15%范圍內(nèi)的二元一次線性方程，所有方程的確定系數(shù)R2均大于0.99，因此77.7 dtex鍍銅錦綸絲編織的不同尺寸針織柔性傳感器的電阻與應(yīng)變呈線性關(guān)系，再利用式(3)進(jìn)行計算得到對應(yīng)的靈敏系數(shù)，對比相同線密度的鍍銀錦綸絲(表3中的數(shù)據(jù))及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)如圖2所示.

圖2　相同線密度的鍍銀及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)對比Fig.2　Sensitivity coefficient comparison between silver-plated and copper-plated yarn sensors with the same linear density

由圖2可知：鍍銅錦綸絲傳感器在縱行數(shù)相同時，橫列數(shù)越多，傳感器的靈敏系數(shù)越大；在橫列數(shù)相同時，縱行數(shù)越多，鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)也越大.因此，在設(shè)計鍍銅錦綸絲針織柔性傳感器時，傳感區(qū)尺寸越大，對應(yīng)的靈敏系數(shù)越大.試驗所用到的鍍銅錦綸絲是通過化學(xué)方法將硫化銅微粒子合成物沉積到錦綸原絲制成.由于銀在所有金屬中導(dǎo)電性能最好[7]，且金屬導(dǎo)電性優(yōu)于金屬化合物，因此純銀比銅化合物的導(dǎo)電性能要好，電阻也較小，因此鍍銅錦綸絲的導(dǎo)電性能比鍍銀錦綸絲差，電阻要比鍍銀錦綸絲大很多.

在針織柔性傳感器的基本組織、編織工藝參數(shù)設(shè)定均相同的前提下，使用相同線密度的導(dǎo)電紗線進(jìn)行針織柔性傳感器的編織，圖2中使用的兩種材料導(dǎo)電紗線的不同點僅在于錦綸絲表面鍍層的材料.由圖2可知：當(dāng)傳感區(qū)尺寸為8×50、 8×100、 8×150和16×50時，鍍銀比鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)要大；當(dāng)傳感區(qū)尺寸為16×100、 16×150、 24×50、 24×100、 24×150時，則情況正好相反.但針織物的線圈結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且靈敏系數(shù)的影響因素眾多，不能得到某種材料編織的傳感區(qū)尺寸與靈敏系數(shù)的準(zhǔn)確函數(shù)關(guān)系.由2.1節(jié)中分析可知，橫列數(shù)對于針織柔性傳感器靈敏系數(shù)的影響遠(yuǎn)大于縱行數(shù).因此在設(shè)計針織柔性傳感器時，首先應(yīng)考慮橫列數(shù).當(dāng)橫列數(shù)選用8時，鍍銀錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)略高；當(dāng)橫列數(shù)選用16時，縱行數(shù)小于100時鍍銀錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)較高，而縱行數(shù)大于100時則鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)較高.當(dāng)橫列數(shù)選用24時，鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)比鍍銀錦綸絲高35%以上.

綜上分析可知，在傳感區(qū)尺寸為16×100時，相同線密度的鍍銀及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數(shù)基本相差無幾，當(dāng)應(yīng)用針織柔性傳感器所需的傳感區(qū)范圍較小時，鍍銀錦綸絲針織柔性傳感器對應(yīng)的靈敏系數(shù)較大，當(dāng)應(yīng)用針織柔性傳感器所需的傳感區(qū)范圍較大時，鍍銅錦綸絲針織柔性傳感器對應(yīng)的靈敏系數(shù)較大.測量人體生理信號時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計的傳感區(qū)范圍大小，在確定合適的靈敏系數(shù)后，進(jìn)行導(dǎo)電紗線的選擇，可以得到靈敏度較高的監(jiān)測數(shù)據(jù).

2.3　含銅腈綸紗及含銅腈綸/滌綸混紡紗的電阻與應(yīng)變關(guān)系

2.3.1含銅腈綸紗及含銅腈綸/滌綸混紡紗的基本性能

含銅腈綸紗利用聚丙烯腈中的腈基(—CN)與Cu2+、 Cu-發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，纖維上Cu-或Cu2+與溶液中的硫發(fā)生作用形成Cu2S與CuS的復(fù)合物結(jié)晶Cu9S5，該沉淀屬于P型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要取決于結(jié)晶中銅點陣上欠缺含銅帶來的空穴[8-10].

由于含銅腈綸/滌綸混紡紗中摻有不導(dǎo)電的滌綸，因此其電阻比含銅腈綸紗要大.具有導(dǎo)電性的含銅腈綸紗的聚合物本身為聚丙烯腈，彈性比錦綸差.為防止在測量電阻-應(yīng)變關(guān)系過程中應(yīng)變過大導(dǎo)致紗線斷裂，首先對該紗線進(jìn)行了拉伸試驗，結(jié)果如表5所示.

表5　含銅腈綸及混紡紗的拉伸性能

考慮到針織柔性傳感器使用中的應(yīng)變范圍以及含銅腈綸及混紡紗的拉伸斷裂伸長率，將用這些紗線編織的針織柔性傳感器的拉伸應(yīng)變設(shè)定為10%.

2.3.2含銅腈綸及混紡紗的電阻-應(yīng)變關(guān)系

取5#及6#導(dǎo)電紗線編織的傳感區(qū)尺寸為8×50的試樣進(jìn)行定伸長拉伸試驗，得到的電阻-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示.

(a) 5#

(b) 6#

測試分析傳感區(qū)尺寸為8×100， 8×150， 16×50， 16×100， 16×150， 24×50， 24×100， 24×150的試樣均出現(xiàn)圖3變化趨勢.在應(yīng)變增加的過程中，拉伸到一定程度時電阻出現(xiàn)減小的情況，這種減小趨勢會持續(xù)到應(yīng)變?yōu)?0%，并且在拉伸過程中出現(xiàn)電阻波動較大的情況，這種電阻與應(yīng)變的非線性關(guān)系源自于Cu9S5腈綸特殊的結(jié)構(gòu).

在拉伸應(yīng)變較大時，導(dǎo)致了復(fù)合物Cu9S5結(jié)晶與聚丙烯腈纖維間的結(jié)合及Cu9S5的連續(xù)性被破壞，半導(dǎo)體所呈現(xiàn)的空穴導(dǎo)電性能進(jìn)而遭受影響[11].由圖3可知，當(dāng)應(yīng)變小于2%時，得到試樣電阻-應(yīng)變的變化才接近線性關(guān)系.因此，只有當(dāng)應(yīng)變較小時，含銅腈綸及混紡紗才符合針織柔性傳感器的要求.但在穿著及使用過程中，無縫產(chǎn)品的形變遠(yuǎn)大于2%，因此含銅腈綸及混紡紗不適宜作為編織針織柔性傳感器的導(dǎo)電材料.

2.4　傳感器的電阻-應(yīng)變重現(xiàn)性分析

將1#～4#導(dǎo)電紗線編織的傳感器區(qū)尺寸為16×50的針織柔性傳感器反復(fù)拉伸10次并同步測量其電阻的變化，結(jié)果如圖4所示.

(a) 1#

(b) 2#

(c) 3#

(d) 4#

由圖4可知，3種線密度鍍銀錦綸絲的傳感器均呈現(xiàn)良好的電阻-應(yīng)變重現(xiàn)性，77.7 dtex鍍銅錦綸絲的傳感器雖然電阻波動值較鍍銀錦綸絲傳感器的大，但其本身電阻數(shù)量級在104～105之間，因此波動幅度不大.故上述1#～4#導(dǎo)電紗線傳感器均呈現(xiàn)良好的電阻-應(yīng)變重現(xiàn)性.

3　結(jié)　語

由于針織柔性傳感器的后續(xù)應(yīng)用方向為智能無縫服裝監(jiān)測人體生理信號，故總結(jié)出以下結(jié)論：

(1) 不同線密度的鍍銀錦綸絲針織柔性傳感器的電阻與應(yīng)變呈線性關(guān)系，反復(fù)拉伸電阻重現(xiàn)性良好，影響傳感器靈敏系數(shù)的顯著性因素依次為：鍍銀錦綸絲線密度、橫列數(shù)、橫行數(shù)與縱行數(shù)的交互作用.

(2) 鍍銅錦綸絲針織柔性傳感器的電阻與應(yīng)變呈線性關(guān)系.由于鍍銅錦綸絲表面為金屬化合物涂層，在相同縱行數(shù)下，橫列數(shù)越大，靈敏系數(shù)越大；在相同橫列數(shù)下，縱行數(shù)越大，靈敏系數(shù)越大.該傳感器的電阻重現(xiàn)性良好.

(3) 含銅腈綸紗和含銅腈綸/滌綸混紡紗針織柔性傳感器的電阻與應(yīng)變只在小應(yīng)變(≤2%)時才能滿足線性關(guān)系，因此不適宜作為導(dǎo)電材料用于針織柔性傳感器的編織.

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