洗滌及熱定型對柔性傳感器導電性能的影響

蔡倩文　陳慰來　王金鳳

摘要：采用5種不同的導電纖維試織出10種針織柔性傳感器試樣。對試樣進行洗滌及熱定型處理，分析不同的洗滌次數(shù)及熱定型溫度對緯編導電針織物等效電阻的影響。結(jié)果表明：隨著洗滌次數(shù)的增加，鍍銀導電織物橫向尺寸先變小后縱向尺寸變小，織物電阻先減小后略微增大趨于平穩(wěn)；同為單絲的不銹鋼絲與銅絲，電阻增大。選擇鍍銀纖維作為柔性傳感器的后整理工藝中，可以采用100℃或120℃的定型溫度以期達到較合理穩(wěn)定的電阻值。各試樣在40橫列×40縱行的等效電阻隨洗滌次數(shù)的變化幅度極小，隨著熱定型溫度的升高電阻變化率小，可見所織柔性傳感器較耐洗滌，同時熱穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞：柔性傳感器；洗滌；熱定型；導電性能

“智慧衫”、“生命衫”、“保健衫”等統(tǒng)稱為智能紡織品的新型功能材料在近幾年發(fā)展迅速，它是基于仿生學概念將紡織、電子、服裝、生物、醫(yī)學等多學科綜合在一起開發(fā)，能夠采集生命信號，并對信號進行相應地處理與反饋。導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。

影響柔性傳感器等效電阻的因素有很多，從纖維材料自身固有的極性或可被電離的粒子數(shù)（取決于纖維中的含水、含雜量）、接觸的環(huán)境溫度、紗線電阻、紗線間接觸電阻、線圈紗段轉(zhuǎn)移電阻以及外界接觸對柔性傳感器造成破壞等。本文基于制備的針織柔性傳感器，將分別研究影響導電緯編針織物等效電阻的兩個外部因素：洗滌次數(shù)及后整理中熱定型的處理。

1.試驗

1.1織物原料及柔性傳感器制備

使用77 dtex/111 dtex錦綸基鍍銀纖維長絲、77 dtex銅纖維、77 dtex不銹鋼微絲、111 dtex銅絲這5種導電纖維分別與纖度為20 dtex/30 dtex彈力錦綸/氨綸包芯紗、123 dtex（48。）粘膠纖維在機號為E14的電腦橫機上制備緯平針和滿針羅紋針織柔性傳感器。其中編織平針柔性傳感器時的前紗嘴使用粘膠纖維，后紗嘴使用導電纖維，從而柔性傳感器正面呈現(xiàn)導電纖維，反面則為粘膠纖維。

1.2試樣的洗滌及耐洗性

測試10種試樣。每種試樣測試方式為：全自動洗衣機設(shè)置模式為輕柔模式，洗滌10 min，脫水1 min（模擬一般服裝洗滌要求）為1次；分別漂洗5、10、15、20、25、30次，每洗1次后將其從洗衣機中取出放入紡織品專用烘箱，待其完全干燥約40～50 min后從烘箱中取出。分別測得洗滌5、10、15、20、25、30次的織物尺寸、密度，并使用VICTOR-VC890C+數(shù)字萬用表測其（10，20，30，40）橫列×40縱行的等效電阻值。

1.3試樣的熱定型及導電性能

測試前將試樣置于溫度為（20±2）℃，相對濕度為63%～67%的標壓下進行預調(diào)濕24 h。將試驗棉布放置針板上，以便放置試樣。在Rapid自動定型烘干機上分次設(shè)置溫度為40、60、80、100、120、140℃，分別熱烘5 min后，使用數(shù)字萬用表分別測試不同試樣（10，20，30，40）橫列×40縱行的等效電阻值。

2.結(jié)果與討論

2.1針織柔性傳感器工藝參數(shù)

成功編織平紋、滿針羅紋共10種柔性傳感器試樣，使用SteREO Discovery.V20蔡司體式顯微鏡拍攝試樣3、4實物圖，如圖1所示。所用導電纖維柔性傳感器編號及工藝參數(shù)如表1所示。

2.2等效電阻實測模型

根據(jù)文獻[1]建立的導電緯平針織物的六角模型，來表征導電緯平針織物的結(jié)構(gòu)特征，沿著導電緯平針織物的縱行方向，等效電路為并聯(lián)電路，等效電阻隨橫列數(shù)的增加而減??；沿導電緯平針織物的橫列方向，其等效電路為串聯(lián)電路，等效電阻隨縱行數(shù)的增加而增加。選擇（10，20，30，40）橫列×40縱行測試織物等效電阻是基于基爾霍夫電壓定律KVL，確定電路中任意回路中各電壓之間關(guān)系的定律。在織物中拆出導電纖維，10根一組并股，并與圖2所示線圈電路圖相一致的方式來加載電壓，從而測試柔性傳感器在指定橫列、縱行數(shù)的等效電阻。

2.3洗滌次數(shù)對織物導電性能影響分析

通過蔡司體式顯微鏡，對未洗滌、洗滌5、10、15、20、25、30次后的織物進行了圖片的采集，統(tǒng)一放大倍數(shù)為15倍。選取其中一種試樣111 dtex鍍銀織物洗滌30次后織物表觀特征如圖3所示。

從圖1可以看出，原織物（未洗滌狀態(tài)）線圈平整，且毛羽規(guī)則。伴隨洗滌次數(shù)的增加，織物在洗滌過程中受洗衣機離心力的作用發(fā)生變形，洗滌30次后的試樣線圈表現(xiàn)明顯的歪斜，且表面毛羽較多。隨著洗滌次數(shù)的增多，實測結(jié)果所有平紋導電織物試樣的縱橫向尺寸都在變小，因此其織物密度變大。各試樣在洗滌5次后出現(xiàn)大幅度尺寸變化后，在后續(xù)洗滌的測量中，變化幅度都較小，其中存在一定的測量誤差。對于羅紋導電織物，鍍銀羅紋織物的橫向尺寸隨著洗滌次數(shù)的增加而增大。銅絲與不銹鋼絲羅紋織物無論縱向尺寸或橫向尺寸都在減小。

相關(guān)文獻介紹了洗滌次數(shù)對導電織物抗靜電性能的影響，本文使用VICTOR-VC890C+數(shù)字萬用表，選擇40縱行，10橫列一組來連接加載電壓，來測試導電織物（10，20，30，40）橫列×40縱行的等效電阻，從而分析其導電性能，測試結(jié)果為5次平均值。選擇相同電阻檔位實測銅纖維導電織物時電阻超過量程，數(shù)據(jù)無效。其它8種試樣的等效電阻隨洗滌次數(shù)變化如圖4所示。

從圖4可以看出，縱行數(shù)相同，隨著橫列數(shù)的增加，織物等效電阻值遞減，因沿織物縱向線圈之間存在并聯(lián)關(guān)系，洗滌后亦如此。圖4（a）-圖4（d）中，隨著洗滌次數(shù)的增加，織物等效電阻先是減少然后增加至趨于平穩(wěn)，這主要是因為隨著洗滌次數(shù)的增加，橫向尺寸先變小后縱向尺寸變小，橫密及縱密都不同程度的增大，根據(jù)以上模型可知，織物橫向等效電路為串聯(lián)，縱向等效電路為并聯(lián)，故其電阻先減小后略微增大趨于平穩(wěn)。

而圖4（e）-圖（h）則表現(xiàn)不同的變化規(guī)律，隨著洗滌次數(shù)的增加，織物等效電阻先增加后趨于平穩(wěn)。這是因為不銹鋼絲與銅絲為單絲，洗滌時因其自身的強力不高，在織物中的紗線存在斷裂的情況，從而導致電阻增大。觀察各試樣40橫列×40縱行等效電阻隨洗滌次數(shù)的變化情況，其等效電阻變化幅度極小，可見所織柔性傳感器較耐洗滌。

2.4熱定型溫度對織物導電性能影響分析

采用物理機械方式，熱定型對織物進行后整理處理，將織物置于高溫環(huán)境中，加以外力保持一定的尺寸形態(tài)，熱定型的溫度和時間是影響定型質(zhì)量的主要因素。本文主要通過干熱定型工藝中的紅外輻射加熱的方法研究熱定型溫度對織物導電性能的影響。不同溫度下8種試樣在（10，20，30，40）×40縱行等效電阻的變化如圖5所示。

圖5（a）-圖5（d）可以看出鍍銀導電織物隨著定型溫度的增加，等效電阻先減小后增大。4種試樣10橫列×40縱行的等效電阻最高值與最低值降低了近50%。其中鍍銀平紋織物在溫度達到100℃時等效電阻約為最低值，而鍍銀羅紋織物在溫度達到120℃時等效電阻近最低點。在選擇鍍銀纖維作為柔性傳感器的后整理工藝中，可以采用100℃或120℃的定型溫度以期達到較合理穩(wěn)定的電阻值。純不銹鋼絲具有良好的耐氧化性及耐熱性，不銹鋼絲織物的變化曲線與鍍銀織物接近，變化趨勢較為平穩(wěn)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，銅絲柔性傳感器的等效電阻隨溫度的升高緩慢增大，因部分銅絲在空氣中加熱后與氧氣反應生成CuO，其表面游離電子減少。各試樣在40橫列×40縱行的等效電阻的變化率都較小，熱穩(wěn)定性較好。

3.結(jié)論

a）5種導電纖維與粘膠、彈力錦綸/氨綸包芯紗在電腦橫機上成功混織平紋、羅紋柔性傳感器，說明導電纖維（金屬絲）具有一定的可編織性。

b）隨著洗滌次數(shù)的增加，鍍銀導電織物橫向尺寸先變小后縱向尺寸變小，織物電阻先減小后略微增大趨于平穩(wěn)；同為單絲的不銹鋼絲與銅絲，因織物中的紗線存在斷裂的情況，從而導致電阻增大；各試樣在40橫列×40縱行的等效電阻隨洗滌次數(shù)的變化幅度極小，可見所織柔性傳感器較耐洗滌。

c）選擇鍍銀纖維作為柔性傳感器的后整理工藝中，可以采用100℃或120℃的定型溫度以期達到較合理穩(wěn)定的電阻值；隨著溫度的升高，各試樣在40橫列×40縱行的等效電阻的變化率都較小，熱穩(wěn)定性較好。