不銹鋼/滌綸纖維導(dǎo)電針織物的傳感靈敏度

李煜天, 繆旭紅

(1.香港理工大學(xué) 紡織及制衣學(xué)系，香港；2.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

不銹鋼/滌綸纖維導(dǎo)電針織物的傳感靈敏度

李煜天1, 繆旭紅*2

(1.香港理工大學(xué) 紡織及制衣學(xué)系，香港；2.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

選用不銹鋼纖維與滌綸混合編織的導(dǎo)電針織物，測(cè)試緯平、1+1羅紋和2+2羅紋組織針織物反復(fù)拉伸變化與導(dǎo)電靈敏度之間的關(guān)系，并分析針織物的導(dǎo)電靈敏度及傳感性能。結(jié)果表明：在拉伸變化時(shí)，隨著伸長(zhǎng)率的增大不銹鋼/滌綸針織物的導(dǎo)電靈敏度不斷增大，縱向拉伸時(shí)電信號(hào)靈敏度優(yōu)于橫向拉伸時(shí)； 加入氨綸的不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物，其導(dǎo)電靈敏度大于普通不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物的，3組不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物中,緯平結(jié)構(gòu)針織物的靈敏度高于1+1羅紋織物，2+2羅紋組織靈敏度最差；同一種緯平組織下，導(dǎo)電針織物密度越大，電信號(hào)靈敏度越低；不同速率下，1+1羅紋組織織物的電信號(hào)相對(duì)較穩(wěn)定，優(yōu)于2+2羅紋組織和緯平組織織物。

不銹鋼/滌綸纖維；導(dǎo)電針織物；應(yīng)變；靈敏度

隨著智能裝備的不斷發(fā)展，可穿戴設(shè)備正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件設(shè)備，柔性可穿戴織物傳感器除具備基本功能之外，還具有可彎折、水洗、拉伸等特點(diǎn)，因此在智能裝備上擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。針織物因其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有舒適、柔軟性及彈力貼身等優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能，越來越多地用于研發(fā)制備柔性傳感器。目前，關(guān)于制備柔性傳感器方面，王金鳳等[1]主要利用鍍銀纖維制得導(dǎo)電針織物，并建立等效電阻的電阻六角模型，分析得出線密度較大的鍍銀纖維柔性傳感器表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性；不銹鋼微絲和銅絲的單絲導(dǎo)電性能良好。楊斌等[2]同樣利用不銹鋼長(zhǎng)絲制備了單針編鏈組織、緯平組織、1+1羅紋組織3種導(dǎo)電織物，并得出緯平組織和羅紋組織電阻響應(yīng)靈敏度相對(duì)較好。然而實(shí)驗(yàn)中考慮其他影響因素不足，樣本較少。為此，文中首先選擇了不銹鋼纖維作為柔性針織物導(dǎo)電絲，與滌綸進(jìn)行混合編織，組成緯平、1+1羅紋、2+2羅紋3組不同結(jié)構(gòu)的針織物(文中稱之為普通不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物)，并且每組中加入氨綸絲混合編織進(jìn)行拉伸性能測(cè)試；通過控制針織物組織結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、密度以及橫向拉伸速率下的電阻變化反映傳感靈敏度的變化趨勢(shì)，為柔性織物傳感器的制作提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料 直徑為35 μm的316I 型不銹鋼纖維(斷裂延伸率為35%，電阻率為6.5×102Ω·mm,線密度/孔數(shù)為72.5 dtex/39 f,捻度為120捻/m)，河北奧徳源金屬制品有限公司生產(chǎn)；普通滌綸(線密度/孔數(shù)為80 dtex/36 f),浙江桐昆化纖集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；氨綸長(zhǎng)絲(線密度為45 dtex)，江蘇雙良氨綸有限公司生產(chǎn)。

1.1.2 儀器 Stoll CMS 530型電腦橫機(jī)(針型為3.5.2)，德國(guó)斯托爾公司制造；HD026H-50 0型多功能電子織物強(qiáng)力儀，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造；VC890D數(shù)字萬用表，勝利儀器有限公司制造。

1.2 方法

1.2.1 樣布制備 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，利用不銹鋼纖維與滌綸混合編織的導(dǎo)電針織物和氨綸長(zhǎng)絲分別組合編織，設(shè)計(jì)出6組不同組織結(jié)構(gòu)的織物作為導(dǎo)電針織物的基礎(chǔ)樣布。 文中選用普通滌綸絲與不銹鋼纖維混合編織，以提高其織造性和適用性，加入氨綸絲可加大針織物伸縮回復(fù)性。

導(dǎo)電針織物樣布結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)樣布尺寸為20 cm×10 cm,全部用不銹鋼纖維與滌綸混合編織。每組樣布編號(hào)為1#～6#，織物樣布參數(shù)見表1。

1.2.2 樣布測(cè)試 選用強(qiáng)力儀固定樣布中間5 cm，兩端夾窄細(xì)銅片，并連接數(shù)字萬用表，采用絕緣材料包裹其他部分，選取試樣中間5 cm可避免邊緣的卷曲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，由于其余5 cm并不在測(cè)量范圍內(nèi)，不產(chǎn)生伸縮回復(fù)性，同樣條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)本身影響不大。

表1 緯編針織物樣品參數(shù)表

2 導(dǎo)電針織物傳感性能指標(biāo)

靈敏度是表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)，因此導(dǎo)電織物傳感性能可用靈敏度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。假定導(dǎo)電針織物為均勻?qū)w，金屬導(dǎo)體在應(yīng)力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將對(duì)應(yīng)地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬導(dǎo)體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)。

電信號(hào)變化的靈敏度系數(shù)K可通過電阻變化率(ΔR/R)和應(yīng)變?chǔ)?ΔL/L) 計(jì)算[2]：

式中：R為材料拉伸后的電阻；R0為初始電阻；ε為導(dǎo)電針織物的伸長(zhǎng)率。K值越大則電信號(hào)靈敏度越大。同時(shí)，對(duì)于導(dǎo)電針織物而言，應(yīng)變拉伸越大，電阻率變化越大[3]。

3 導(dǎo)電針織物的拉伸測(cè)試

根據(jù)FZ/T70006—2004(針織物拉伸彈性回復(fù)率試驗(yàn)方法)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),用電子織物強(qiáng)力儀對(duì)導(dǎo)電針織物進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn);并用數(shù)字萬用表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)電織物的電阻變化[4]。

當(dāng)原料相同、組織結(jié)構(gòu)不同的基礎(chǔ)樣布在相同的工藝條件下織成導(dǎo)電織物后，保持實(shí)驗(yàn)室為恒溫(25±2)℃，恒濕在(60±3)%。拉伸實(shí)驗(yàn)示意如圖2所示。

3.1 不同組織結(jié)構(gòu)織物拉伸測(cè)試

應(yīng)力拉伸時(shí)，強(qiáng)力儀對(duì)導(dǎo)電針織物加載0.5 N，拉伸位移為20 mm，拉伸速率為100 mm/min，數(shù)字萬用表每間隔1 s讀取10個(gè)數(shù)，每組進(jìn)行20次應(yīng)力拉伸循環(huán)，每次實(shí)驗(yàn)在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)讀取數(shù)據(jù)，直到樣布拉伸至35%以后，測(cè)量導(dǎo)電織物電阻的最大值和最小值[5]。

圖3為不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)電針織物橫向和縱向在應(yīng)力拉伸時(shí)，靈敏度的變化情況。

由圖3可以看出，在橫、縱向拉伸時(shí)，隨著伸長(zhǎng)率不斷增大，織物導(dǎo)電靈敏度系數(shù)相應(yīng)增大。比較圖3(a)和圖3(b) 可以看出，橫向拉伸變化時(shí)，電阻變化率最高數(shù)值約為1.5；而縱向應(yīng)力拉伸時(shí)，電阻變化率變化較大，最高峰值達(dá)到20。因此，在縱向拉伸時(shí)，導(dǎo)電織物靈敏度高于同等條件下橫向拉伸時(shí)。在織物受到縱向拉伸時(shí)，針織線圈和線圈間相互接觸并發(fā)生位移變化，產(chǎn)生較小位移拉伸量，從而導(dǎo)致紗線的拉伸和靈敏度的顯著變化;在橫向應(yīng)力拉伸時(shí)，導(dǎo)電織物更易伸長(zhǎng)，并導(dǎo)致拉伸時(shí)變化延遲。因此，在縱向拉伸時(shí)電阻變化更大，相應(yīng)地靈敏度系數(shù)也更大，表面織物靈敏性特征更顯著。

由圖3還可以看出，不同組織導(dǎo)電織物受應(yīng)變拉伸影響，緯平針織物和1+l羅紋針織物拉伸時(shí)電阻的變化范圍較大，即K較大，電信號(hào)變化的靈敏度較高。另外在拉伸時(shí)，線圈會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生位移而伸長(zhǎng)或是紗線本身伸長(zhǎng)，從而使電阻值變小，所以緯平和1+1羅紋織物受拉后電阻的變化范圍較大，靈敏度也較好。

圖3同一組織中，加入氨綸的不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物電信號(hào)靈敏度優(yōu)于普通不銹鋼/滌綸纖維導(dǎo)電針織物，加入氨綸的導(dǎo)電織物伸縮回復(fù)性增強(qiáng)，使得線圈之間接觸點(diǎn)減少，整個(gè)織物電阻變化量減小，電信號(hào)靈敏度提高。

3.2 不同密度下織物拉伸測(cè)試

選擇2#-1，2#-2和2#-3共3種加入氨綸的不同密度緯平導(dǎo)電針織物，分別進(jìn)行同樣的拉伸測(cè)試，共計(jì)20次拉伸測(cè)試，每次實(shí)驗(yàn)在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)讀取數(shù)據(jù)，直到樣布拉伸至35%，測(cè)得不同密度織物導(dǎo)電靈敏度與伸長(zhǎng)率的變化如圖4所示[6]。

由織物的組織結(jié)構(gòu)分析可知，密度越大，織物拉伸時(shí)電信號(hào)靈敏度越小。導(dǎo)電織物通過線圈間相互接觸進(jìn)行傳感，在施加電壓后，絕大多數(shù)電流選擇較小長(zhǎng)度的紗線傳導(dǎo)，所以在拉伸過程中，整個(gè)織物的電阻變化量是很小的，即靈敏度變化弱。

3.3 不同速率下織物拉伸測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的方法，對(duì)1#，3#，5#導(dǎo)電織物依次采用50，100，250和400 mm/min 4種速率進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。因橫向拉伸時(shí)為服用性時(shí)通常受力方向，故采用橫向拉伸測(cè)試。文中將拉伸速率最大400 mm/min時(shí)的拉伸力定義為瞬間的拉伸力[8]，測(cè)得不同速率下織物導(dǎo)電靈敏度變化如圖5所示。

由圖5可以看出，3種組織的織物在不同的拉伸速率下均表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，拉伸速率越大，電阻變化率越大。觀察1#緯平針織物在不同速率下的導(dǎo)電靈敏度變化趨勢(shì)，在速率達(dá)到400 mm/min時(shí),導(dǎo)電靈敏度變化量均大于其他3種速率下的織物，在織物瞬間拉伸時(shí)，電阻變化響應(yīng)遲緩，但電信號(hào)靈敏度呈較高趨勢(shì)。由圖5分析得出，在相同織物下，拉伸速率越大，導(dǎo)電靈敏度越高。在100 mm/min和400 mm/min拉伸速率時(shí)，靈敏度變化趨勢(shì)相似[9]。

圖5(a)和圖5(b)為緯平織物和1+1羅紋織物不同速率下的電信號(hào)靈敏度變化。當(dāng)速度為400 mm/min時(shí)，電信號(hào)靈敏度最高；在一定拉伸速率下，伸長(zhǎng)率相同時(shí)，拉伸速率越快，電信號(hào)靈敏度越大。通過靈敏度系數(shù)K可以計(jì)算出1#織物斜率最大和最小差值為0.396，而3#織物的斜率差值為0.12，變化差值相對(duì)1#織物要小，說明速度對(duì)1#緯平織物的靈敏度變化影響較大，而對(duì)3#1+1羅紋織物的影響較小。

由圖5可以看出，3#和5#的靈敏度變化趨勢(shì)相似，但1+1羅紋的斜率差值為0.13，2+2羅紋試樣的差值為0.15。因此，綜合6種織物，1+1羅紋織物在不同速度下的導(dǎo)電靈敏度相對(duì)比較穩(wěn)定。速度對(duì)導(dǎo)電針織物靈敏度變化的原因可能主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同引起織物彈性回復(fù)率的不同[10]。

4 結(jié)語

通過測(cè)試3組不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物在應(yīng)力拉伸時(shí)，不同組織結(jié)構(gòu)、速率以及密度下電阻的變化情況，分析傳感靈敏度的變化趨勢(shì)，并尋找影響導(dǎo)電針織物傳感性能的主要因素，并得出結(jié)論：

1) 3組不銹鋼/滌綸導(dǎo)電織物在拉伸力作用下的電信號(hào)靈敏度隨著伸長(zhǎng)率的增加而逐漸增大。3組不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物中,緯平結(jié)構(gòu)針織物的靈敏度高于1+1羅紋織物，2+2羅紋組織靈敏度最差。結(jié)構(gòu)較松的不銹鋼/滌綸導(dǎo)電緯平組織或1+1羅紋組織織物，具有良好的傳感導(dǎo)電性能，應(yīng)用于柔性導(dǎo)電織物傳感器中應(yīng)具有比較好的優(yōu)勢(shì)。

2) 加入氨綸的不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物，導(dǎo)電靈敏度比普通不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物變化大，6種試樣中靈敏度最高的為2#。加入氨綸的普通不銹鋼/滌綸導(dǎo)電緯平針織物，靈敏度最低的為2+2羅紋不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入氨綸的不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物導(dǎo)電靈敏度優(yōu)于普通不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物，氨綸對(duì)提高導(dǎo)電織物傳感靈敏度有一定影響。在相同加入氨綸的緯平組織結(jié)構(gòu)下，不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物密度越大，傳感靈敏度系數(shù)越小，且密度較大的導(dǎo)電織物，電信號(hào)靈敏度相對(duì)較低。

3) 速度對(duì)緯平針織物的靈敏度變化影響較大，對(duì)1+1羅紋織物的影響最小，且不同速度下拉伸時(shí)靈敏度相對(duì)穩(wěn)定，其次是2+2羅紋織物電阻變化介于兩者之間。速度對(duì)導(dǎo)電針織物靈敏度變化的影響主要由于織物彈性回復(fù)性的不同引起的。在不同方向拉伸時(shí)，縱向拉伸時(shí)3組不銹鋼/滌綸導(dǎo)電針織物的表現(xiàn)均好于橫向拉伸，表面織物靈敏性特征也更顯著。

4) 不銹鋼/滌綸纖維導(dǎo)電性能好，所編織的織物傳感靈敏度優(yōu)良，但在編織過程中易出現(xiàn)挑洞、浮線等問題，過細(xì)的不銹鋼纖維也會(huì)影響織物傳感靈敏度。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮不銹鋼纖維的編織性、穿著舒適性和傳感性等，選擇合適的不銹鋼纖維。

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(責(zé)任編輯：邢寶妹)

Investigation of Conductive Sensitivity of Fabric Knitted by Stainless Steel Fiber

LI Yutian1， MIAO Xuhong*2

(1.The Institute of Textiles and Clothing,The Hong Kong Polytechnic University,Hong Kong,China；2.Engineering Research Center for Knitting Technology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

To investigate the conductivity and sensitivity of fabric knitted by stainless steel fiber and polyester, the relationship between repeated tensile and conductive sensitivity were studied. Fabric structures employed in this research were weft plain, 1+1 rib weaves and 2+2 rib weaves.It was found that with increasing elongation,the conductive sensitivity of stainless steel knitted fabric decreased continuously. Electrical signal sensitivity of longitudinal tensile was better than transverse tensile. The conductive sensitivity of stainless steel/polyester knitted fabric blended with spandex was higher than the one without spandex. Weft knitted fabric has the best conductive sensitivity and 2+2 rib weaves tissue was the worst one among the three employed fabric structrues. With the same kind of weft flat organization, the higher the conductive fabric density, the lower the electrical signal sensitivity. Under different elongation speed, the electrical signals of 1+1 rib fabric was relatively stable and was better than the 2+2 rib weaves and weft flat organization fabrics.

stainless steel fiber，conductive knitted fabric，strain，sensibility

2016-06-28；

2016-09-08。

李煜天(1992—)，男，碩士研究生。

*通信作者： 繆旭紅(1971—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榧徔椘烽_發(fā)、紡織品結(jié)構(gòu)與性能。 Email:miaoxuhong@163.com

TS 186.2

A

2096-1928(2016)05-0450-05