經(jīng)編導(dǎo)電針織物的應(yīng)變電阻傳感性能

張 舒， 繆旭紅， RAJI Rafiu King， 孫 婉(1.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122； 2.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)醫(yī)療的不斷發(fā)展，可穿戴式生理監(jiān)測設(shè)備在人體健康監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。智能紡織品中的導(dǎo)電織物柔性傳感器受到廣泛關(guān)注，并以其具有彈性模量低、應(yīng)變大、可彎曲、可折疊、可水洗、舒適性較好等優(yōu)點(diǎn)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的智能服裝中硬件傳感器[1]。而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，被廣泛作為傳感器的載體進(jìn)行研究。國內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)電針織物傳感器的研究大都基于針織緯編結(jié)構(gòu)，對于經(jīng)編結(jié)構(gòu)的研究只限于邊條鏈組織[2-5]；導(dǎo)電織物的傳感性能也多基于對導(dǎo)電織物的電阻監(jiān)測。在導(dǎo)電織物的拉伸過程中，織物的總電阻由長度電阻與接觸電阻組成[4]。在正常的拉伸過程中，織物的伸長未引起導(dǎo)電紗線的伸長，長度電阻不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，故主要對接觸電阻進(jìn)行研究。

本文選取導(dǎo)電性較好的錦綸基鍍銀紗線[6]，將其與普通滌綸或氨綸在特里科經(jīng)編機(jī)上采用兩梳交織，制得不同的經(jīng)平組織結(jié)構(gòu)以及彈性經(jīng)平織物，對此類織物在拉伸過程中的電阻進(jìn)行測試，探討經(jīng)編導(dǎo)電織物的應(yīng)變-電阻傳感特性，為經(jīng)編導(dǎo)電織物柔性應(yīng)變傳感器的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

儀器：YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀、VICTOR 4105A型低電阻測試儀、YG0260D型多功能電子織物強(qiáng)力儀。

1.2 紗線性能測試

1.2.1導(dǎo)電纖維的力學(xué)性能

將錦綸基鍍銀纖維長絲靜置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下平衡24 h后，使用YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀測試強(qiáng)力，測50組數(shù)據(jù)取平均值。

1.2.2導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性能

將錦綸基鍍銀纖維長絲靜置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下平衡24 h后，用VICTOR 4105A低電阻測試儀測量2～20 cm 導(dǎo)電紗的電阻，每隔2 cm記錄1個(gè)電阻值，直至導(dǎo)電纖維被夾持度達(dá)極根長度為止。測試結(jié)果為10次的平均值。

支撐組件實(shí)際提供的穩(wěn)定支撐力大約為M0=2.8N，代入式(6)計(jì)算可得傳感器自身的系統(tǒng)測量誤差δ=0.45%。伸桿組件的支撐力精度主要包括壓力傳感器測量誤差和支撐組件因轉(zhuǎn)動(dòng)而引入的支撐力誤差兩項(xiàng)，故系統(tǒng)誤差總和為0.45%+0.7%=1.15%，該值在合理范圍之內(nèi)。因此綜上所述，伸桿支撐組件在上述展開方法中的卸載效率均滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 經(jīng)編針織柔性傳感器的制備

實(shí)驗(yàn)所用的樣品是在高速特里克經(jīng)編機(jī)上織造，為了解鍍銀紗線組織結(jié)構(gòu)對電力學(xué)性能的影響，鍍銀紗線選取了具有不同延展長度的3種組織與滌綸交織制得CP1、CP2和CP3，同時(shí)，選用了最常用的彈性經(jīng)平組織織制得CS4，觀察彈性導(dǎo)電經(jīng)編織物的電力學(xué)特性。鍍銀錦綸與滌綸或氨綸在特里科經(jīng)編機(jī)上交織，制得不同的經(jīng)平組織結(jié)構(gòu)以及彈性經(jīng)平紋織物，在織造過程中未出現(xiàn)異常情況，銀錦綸具有良好的可編織性。

有關(guān)織物規(guī)格如表1所示，非彈性導(dǎo)電織物結(jié)構(gòu)實(shí)物圖照片見圖1所示，圖中：a表示織物工藝正面；b表示織物工藝反面。

表1 織物規(guī)格Tab.1 Characterization of fabric samples

圖1 織物實(shí)物圖Fig.1 Micro images of fabric samples

1.4 傳感織物的應(yīng)變傳感性能

傳感織物的應(yīng)變傳感性能的測試是在YG0260DG型多功能電子織物強(qiáng)力儀與VICTOR 4105A型低電阻測試儀配合使用下進(jìn)行的，如圖2所示。由織物強(qiáng)力儀①、低電阻測試儀③和夾具④組成。測量織物電阻時(shí)將待測織物②自然伸直的狀態(tài)加持織物強(qiáng)力儀上，并將低電阻測試儀的2個(gè)夾頭分別夾在待測織物的兩端。夾頭寬度為5 mm，織物強(qiáng)力儀拉伸隔距為100 mm，記錄電阻值。然后啟動(dòng)織物強(qiáng)力儀，使織物沿縱向方向拉伸，織物伸長1 mm，待其電阻值穩(wěn)定后記錄其電阻值。繼續(xù)拉伸，每次伸長1 mm，記錄1個(gè)電阻值，直至織物達(dá)到極限伸長。按上述步驟，同種組織的織物測試5次。

圖2 測試模型圖Fig.2 Test setup

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電紗線的性能分析

2.1.1力學(xué)性能

紗線力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 纖維材料特征Tab.2 Tensile properties of conductive yarns

由表可以看出，鍍銀錦綸的均勻性較好。一般錦綸的斷裂強(qiáng)度約4.2～5.6 cN/dtex，斷裂伸長率達(dá)25%～65%[7]， 鍍銀錦綸的力學(xué)性能都略低于普通的滌綸長絲。可能因表面鍍了銀而導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)度有所下降，斷裂伸長率較普通錦綸低，但可以滿足正常的經(jīng)編織造的使用。

2.1.2導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電性能

圖3示出導(dǎo)電纖維的電阻隨長度的變化情況?？煽闯?，錦綸基鍍銀導(dǎo)電纖維的電阻隨長度的變化，呈線性變化的關(guān)系。

圖3 鍍銀錦綸20 cm內(nèi)的電阻值Fig.3 Resistance of the silver plated yarn samples within 20 cm

由導(dǎo)電纖維的電阻擬合數(shù)據(jù)可看出，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2的值趨向于1，表明回歸直線對觀測值的擬合程度較好，與金屬導(dǎo)電性能一致。

2.2 導(dǎo)電織物的應(yīng)變電阻傳感性能

2.2.1非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物

將非彈性傳感織物夾持，夾持長度為100 mm，記錄此時(shí)的電阻值，織物每次伸長1 mm，記錄1個(gè)電阻值，直至導(dǎo)電織物的長度達(dá)到極限長度為止。用origin 8.0將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到3種組織結(jié)構(gòu)的應(yīng)變-電阻曲線。

圖4示出傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況。可看出3種織物在縱向拉伸時(shí)非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況可分為3個(gè)階段。

圖4 非彈性織物傳感應(yīng)變曲線Fig.4 Piezoresistive test response of inelastic fabric samples

1)階段I。在拉伸應(yīng)變小于8%的小應(yīng)變范圍內(nèi)，3種織物的電阻隨應(yīng)變的增加顯著降低。這是因?yàn)樵诮?jīng)編導(dǎo)電織物的開始拉伸時(shí)，導(dǎo)電紗線的長度方向沒有發(fā)生變化，長度電阻隨應(yīng)變的增加幾乎不發(fā)生變化；接觸電阻分為同層間的導(dǎo)電紗線的接觸電阻與相鄰上下層的導(dǎo)電紗線的接觸電阻。在縱向初始拉伸時(shí)，織物的密度幾乎未沒有發(fā)生變化，同層間的導(dǎo)電紗線的接觸面積也沒改變，同層間導(dǎo)電紗線的接觸電阻幾乎沒有變化；相鄰上下層導(dǎo)電紗線的接觸面積隨著應(yīng)變的增加而增大，從而導(dǎo)致接觸電阻減少，整個(gè)電阻隨應(yīng)變的增加而減少。

2)階段II。在8%～14%拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，織物電阻趨于平穩(wěn)。這個(gè)階段導(dǎo)電紗線上下層的接觸面積達(dá)到一定極限，而織物的伸長還未引起導(dǎo)電紗線的伸長，故電阻的變化不明顯。

3)階段III。繼續(xù)拉伸織物，織物的電阻隨應(yīng)變的增加而略有增加。這主要是因?yàn)樵诶斓倪^程中，織物結(jié)構(gòu)變化達(dá)到極限，拉伸應(yīng)力作用到導(dǎo)電紗線，導(dǎo)電紗線的長度方向發(fā)生滑移，導(dǎo)致直徑減少，長度略有增加，故長度電阻隨應(yīng)變的增加而略有增加。對比3種織物在縱向拉伸時(shí)非彈性傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況可以發(fā)現(xiàn)CP3最先進(jìn)入平穩(wěn)期，然后是CP2，最后是CP1。

在經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化的第1階段，導(dǎo)電織物表現(xiàn)出很明顯的變化規(guī)律，故對經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化的第1階段的靈敏性進(jìn)行研究。由圖4可看出，在階段I的拉伸過程中，3種非彈性傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化，總體接近于線性關(guān)系。并對階段I的拉伸過程中，3種非彈性傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3所示。

表3 樣品的電阻擬合數(shù)據(jù)Tab.3 Resistance fitting data of fabric

由表可知，復(fù)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，線性度較好。傳感器的靈敏度可用擬合直線的斜率表征[9]。由表可看出，CP3應(yīng)變-電阻的靈敏度最高，CP2的靈敏度次之，CP1的靈敏度最小。

區(qū)分3種導(dǎo)電織物結(jié)構(gòu)的不同在于其延展線的長短，見圖1(b)、(d)、(f)。延展線與周圍線圈或延展線的接觸形成接觸電阻，延展線越長與線圈間的上下層重疊部分越多，接觸面積越大，接觸電阻的變化也越快。CP3的延展線最長，CP2的延展線次之，CP1的延展線最短，所以CP3的應(yīng)變-電阻的靈敏度最高，CP2的靈敏度次之，CP1的靈敏度最小。隨著延展線長度的增加，織物的可延伸性降低，故電阻可變化有限，故應(yīng)變電阻的變化率越快的導(dǎo)電織物越早進(jìn)入平穩(wěn)期。

2.2.2彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物

為探究氨綸彈性對經(jīng)編導(dǎo)電織物的傳感性能的影響，故加入1組帶有氨綸的彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的應(yīng)變電阻傳感性能的測試。

將彈性傳感織物夾持，夾持長度為100 mm，記錄此時(shí)電阻值，織物每次伸長10 mm，記錄1個(gè)電阻值，直至導(dǎo)電織物的長度達(dá)到極限長度為止。用origin8將得到數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變電阻曲線。

圖5示出彈性導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況?？煽闯鰪椥越?jīng)編導(dǎo)電織物呈現(xiàn)出電阻隨應(yīng)變的增加先增加然后再減小最終趨于平穩(wěn)的整體趨勢，在100%的應(yīng)變范圍內(nèi)，織物的電阻隨應(yīng)變的增加而上升，在100%～160%應(yīng)變范圍內(nèi)，織物電阻趨于平穩(wěn)。

圖5 彈性織物傳感應(yīng)變曲線Fig.5 Piezoresistive test response of elastic fabric

由此可見，彈性導(dǎo)電織物不僅應(yīng)變范圍大，而且電阻隨應(yīng)變變化的情況比非彈性織物更為復(fù)雜。究其原因主要是彈性導(dǎo)電織物與非彈性導(dǎo)電織物的接觸電阻有所不同，在織物縱向拉伸時(shí)，彈性織物的接觸電阻的變化為三維方向的改變，除非彈性導(dǎo)電織物所具有的線圈與線圈或延展線上下層間的接觸電阻的改變，還存在著因氨綸彈性紗線收縮造成織物縱行間緊密排列，形成平面同層導(dǎo)電紗線之間縱橫向的接觸電阻的變化。

由于氨綸彈性的存在，經(jīng)編導(dǎo)電織物的密度較大，導(dǎo)電紗線同層間的接觸面積較大，見圖1(g)、(h)，故織物電阻較小。在縱向初始拉伸過程中，織物縱向密度減小，同層導(dǎo)電紗線間的接觸面積隨之減少；上下層間的接觸面積增加，但同層間接觸的面積是其主要影響因素，故接觸電阻隨應(yīng)變的增加而上升。在繼續(xù)拉伸過程中，同層導(dǎo)電紗線間的接觸面積的變化逐漸減弱，而上下層導(dǎo)電紗線間的接觸面積的變化增強(qiáng)。當(dāng)拉伸到一定程度之后，織物的電阻隨應(yīng)變的增加而趨于平穩(wěn)。

最后氨綸的作用不再明顯，同層導(dǎo)電紗線間的接觸面積不再變化，只有上下層導(dǎo)電紗線間的接觸面積發(fā)生變化，故彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化規(guī)律與非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物變化規(guī)律相似，繼續(xù)增大拉伸應(yīng)變，均呈現(xiàn)先減少最終趨于平穩(wěn)的趨勢。

3 結(jié) 論

1)所選鍍銀錦綸導(dǎo)電纖維具有良好的可編織性；非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的增加呈現(xiàn)先減小，再趨于平穩(wěn)，最后略有上升的趨勢；非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物隨著織物延展線長度的增加，在小應(yīng)變下的靈敏度增加；導(dǎo)電織物的延伸性降低，織物更早進(jìn)入到平穩(wěn)期。

2)彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物呈現(xiàn)出電阻隨應(yīng)變的增加先增加再減少最終趨于平穩(wěn)的趨勢；同層間導(dǎo)電紗線的接觸電阻的改變造成其電阻隨應(yīng)變的變化規(guī)律與非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的變化規(guī)律的不同。

3)隨著經(jīng)編彈性導(dǎo)電織物應(yīng)變的增加，同層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻隨之而增大，上下層間的接觸電阻隨之而減小；在織物拉伸過程中，同層導(dǎo)電紗線間接觸電阻的變化逐漸減弱，而上下層導(dǎo)電紗線間接觸電阻的變化逐漸增強(qiáng)。 初始時(shí)拉伸時(shí)同層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻占據(jù)主導(dǎo)地位；進(jìn)一步拉伸織物，同層與上下層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻變化趨于平穩(wěn)，最后氨綸的作用不再明顯，上下層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻占據(jù)主導(dǎo)地位。

FZXB

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