不同濕態(tài)下不銹鋼/滌綸針織物的導(dǎo)電性能

陳 晴， 張 鑫， 羅虹富， 陳 杰， 舒 琳

(1. 東華大學(xué) 上海國(guó)際時(shí)尚科創(chuàng)中心， 上海 200051;2.江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122;3.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

隨著科技的發(fā)展和智能化的普及，導(dǎo)電纖維作為智能纖維的典型代表之一，引起國(guó)內(nèi)外材料界的廣泛關(guān)注，對(duì)其及其織物的研究也逐步深入。由于導(dǎo)電纖維獨(dú)特的性能，其在傳感器、服裝等方面擁有較好的應(yīng)用前景[1-2]。導(dǎo)電織物柔性傳感器具有彈性模量低、應(yīng)變大、可彎曲、可折疊、可水洗、舒適性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛關(guān)注并逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)智能服裝中硬件傳感器[3]。導(dǎo)電纖維在信息傳感方面已成為21世紀(jì)智能材料中最理想的載體[4-5]。

導(dǎo)電纖維中的金屬纖維具有良好的導(dǎo)電、傳熱和耐高溫等性能，并且能夠屏蔽電磁波，因此越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于紡織工業(yè)和其他工業(yè)領(lǐng)域，不銹鋼纖維就是具有代表性的金屬纖維之一。不銹鋼纖維的良好性能使其成為防護(hù)功能纖維和生物醫(yī)學(xué)功能纖維等高科技纖維中用途最廣泛的纖維之一[6]。

針織物具有與機(jī)織物不同的結(jié)構(gòu)和性能，它在彈性及延伸性方面有著機(jī)織物難以比擬的優(yōu)勢(shì)，其中1+1羅紋組織彈性最好。目前關(guān)于織物拉伸引起電阻變化的研究，如東華大學(xué)建立內(nèi)衣壓力模型，依據(jù)針織面料在人體圍度上的拉伸變形，分析了內(nèi)衣對(duì)人體各部分的壓力并測(cè)量壓力變化過(guò)程中針織柔性傳感器電阻的變化情況[7]；也有關(guān)于含水量引起電阻變化的研究，如東華大學(xué)研究織物的電阻隨芯吸過(guò)程而改變的規(guī)律等[8]。

由于不銹鋼纖維具有強(qiáng)度大、電阻率低的特點(diǎn)[9]，以其為原料的織物在拉伸中會(huì)造成顯著的電阻變化，所以不銹鋼導(dǎo)電織物主要用作各種織物傳感器[10]，通過(guò)電阻變化傳遞不同的信號(hào)，從而達(dá)到提示或控制的功能。

文中從濕度對(duì)不銹鋼針織物導(dǎo)電性能的影響入手，以不銹鋼和滌綸混紡的1+1羅紋針織物為測(cè)試材料，通過(guò)對(duì)針織物干、濕態(tài)的電阻比較，探究其導(dǎo)電性能與濕度的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 選用不銹鋼和滌綸混紡導(dǎo)電紗線，滌綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，不銹鋼紗線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。紗支為30 tex的雙股紗，紗線捻度為277捻/m。1+1羅紋針織物如圖1所示；織物基本參數(shù)見表1。

1.1.2儀器 CMS7.2型針織橫機(jī)，德國(guó)斯托爾(Stoll)公司制造；RIGOL DM3068型電阻測(cè)量?jī)x器，蘇州普源精電科技有限公司制造。

1.2 方法

1)剪取橫向×縱向分別為2 cm×2 cm，2 cm×4 cm，2 cm×6 cm，2 cm×8 cm的4種織物，每種織物剪取3塊。

2)將大小、方向相同的織物分為一組，橫向4組、縱向4組，共8組，分別進(jìn)行電阻測(cè)量；測(cè)量時(shí)織物平整鋪放，使其處于不受張力的狀態(tài)，以減少織物拉伸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖1 1+1羅紋針織物Fig.1 1+1 rib knitted fabric

(/dm)(/dm)/mm/(g/m2)/(g/m3)1+158.0072.000.89307.55345.56

3)每組織物先測(cè)量其干態(tài)電阻，再在水中潤(rùn)濕且使其表面不凝水珠，測(cè)量其含水率分別為20%，30%與40%時(shí)的濕態(tài)電阻。干、濕態(tài)各測(cè)3次，取平均值。

4)測(cè)量點(diǎn)為距邊緣0.5 cm的中點(diǎn)處，并保證每次夾持點(diǎn)相同，夾持點(diǎn)處保證金屬纖維不裸露。

5)所有組測(cè)完后，匯總數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物干態(tài)電阻分析

羅紋織物干態(tài)電阻變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可以看出，相同面積的織物干態(tài)縱向電阻大于干態(tài)橫向電阻，并且電阻相差大，究其原因?yàn)椋航饘倮w維主要分布在紗線內(nèi)部，致使線圈間搭接相連時(shí)電阻變大。但是相同面積的不同樣品之間電阻也有一定的誤差。這是由于羅紋織物具有較好的拉伸性，而電阻受到了拉伸的影響。此外，由于儀器原因，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法確保每次測(cè)試點(diǎn)位置完全相同，且不銹鋼纖維在測(cè)試點(diǎn)的分布不均勻，織物采樣的尺寸有偏差等，也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)于不同面積的織物，在織物寬度不變的情況下，隨著長(zhǎng)度的增加，織物的橫向電阻和縱向電阻均呈增加趨勢(shì)，這是由于導(dǎo)體電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比[11]，即關(guān)系式為

R=ρL/S

式中：ρ為導(dǎo)體的電阻率(Ω·cm)；L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度(cm)；S為導(dǎo)體的橫截面積(cm2)；R為所測(cè)紗線的電阻(Ω)。

圖2 織物干態(tài)電阻變化趨勢(shì)Fig.2 Changing trend of dry resistance of fabrics

2.2 織物濕態(tài)電阻分析

2.2.1含水量對(duì)電阻的影響 織物含水率與電阻的關(guān)系如圖3所示。

由圖3中不同織物含水率分別為20%，30%，40%時(shí)的橫、縱向電阻，推出其橫、縱向回歸方程。

其中：2 cm×4 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y1,y2)分別為

y1= - 267.8x1+138.64;
y2= - 248.85x2+133.59。

2 cm×4 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y3,y4)為

y3= - 1 466.1x3+ 641.18；

y4= - 373.25x4+200.13。

2 cm×6 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y5,y6)為

y5= - 10 784x5+ 4 048.4；

y6= - 5 988.1x6+ 2 253.7。

2 cm×8 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y7,y8)為

y7= - 7 543.4x7+ 2 919.6；

y8= - 8 067.9x8+ 3 029.8。

由此可知，面積相同的織物隨含水率增加電阻減小，這是由于水具有導(dǎo)電性能，當(dāng)織物的含水率越大，潤(rùn)濕效果越好，表面的水分越多，織物的導(dǎo)電效果越好，所測(cè)量的電阻越小。

圖3 不同織物含水率與電阻的關(guān)系Fig.3 Relationship between moisture content and resistance of different fabrics

2.2.2干、濕態(tài)織物橫、縱向電阻比較 由圖3(a)可知，2 cm×2 cm織物潤(rùn)濕后，20%含水率時(shí)織物縱向電阻比橫向大4.87 kΩ，30%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大7.84 kΩ，40%含水率時(shí)織物縱向電阻比橫向大1.08 kΩ。浸濕后的2 cm×2 cm織物橫、縱向織物電阻差與干態(tài)時(shí)的22 320 kΩ相比較小。

由圖3(b)可知，2 cm×4cm織物潤(rùn)濕后，20%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大250.95 kΩ，30%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大56.45 kΩ，40%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大32.3 kΩ。浸濕后的2 cm×4 cm織物橫、縱向織物電阻差與干態(tài)時(shí)的39 920 kΩ相比十分小。

由圖3(c)可知， 2 cm×6cm織物潤(rùn)濕后，20%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大952.93 kΩ，30%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大71.45 kΩ，40%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大18.79 kΩ。浸濕后的2 cm×6 cm織物橫、縱向織物電阻差與干態(tài)時(shí)的69 600 kΩ相比十分小。

可圖3(d)可知，2 cm×8cm織物潤(rùn)濕后，20%含水率時(shí)織物縱向電阻比橫向大63.18 kΩ，30%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大79.95 kΩ，40%含水率時(shí)織物橫向電阻比縱向大41.72 kΩ。浸濕后的2 cm×8 cm織物橫、縱向織物電阻差值與干態(tài)時(shí)的98 640 kΩ相比十分小。

由圖2和圖3對(duì)比可知，隨著含水率的增加，織物的橫、縱向電阻均呈下降趨勢(shì)，并且織物的橫、縱向電阻趨于相近。這是由于在干態(tài)時(shí)織物的導(dǎo)電是通過(guò)紗線，只是橫、縱向紗線連接的方式不同；而在濕態(tài)時(shí)，由于水分潤(rùn)濕紗線，因此紗線間的連接對(duì)于電阻的影響較小，主要受表面水分導(dǎo)電效果影響。同時(shí)，隨著織物含水率的增加，織物表面的水分越來(lái)越多，致使?jié)駪B(tài)時(shí)織物橫、縱向電阻差值變小，并隨著含水率的增加，差值越來(lái)越小，且含水率在40%時(shí)，橫、縱向電阻幾乎相同。

2.2.3織物尺寸對(duì)電阻的影響 含水率為20%，30%，40% 時(shí)不同尺寸織物的電阻如圖4所示。

圖4 織物尺寸與電阻的關(guān)系Fig.4 Correlation between fabric size and resistance

1)由圖4(a)可知，織物在含水率為20%時(shí)，2 cm×2 cm織物電阻縱向大于橫向，但相差較小，為4.87 kΩ；2 cm×4 cm和2 cm×6 cm織物電阻均橫向大于縱向；2 cm×8 cm織物電阻縱向大于橫向。由于織物含水率20%時(shí)相對(duì)含水較少，造成不同織物表面水分分布的均勻度并不完全相同，因此橫、縱向電阻大小無(wú)明顯規(guī)律。

此外，由圖4(a)可知，在含水率均為20%時(shí)，織物縱向一定的情況下，織物寬度不變，隨著長(zhǎng)度的增加，織物的電阻呈增加趨勢(shì)；對(duì)于織物橫向而言，在含水率均為20%的情況下，由于電阻與長(zhǎng)度呈正相關(guān)，所以織物寬度不變時(shí)，隨著織物長(zhǎng)度的增加，電阻總體呈增加的趨勢(shì)。然而2 cm×8 cm織物的橫向電阻小于2 cm×6 cm織物的橫向電阻，可能是由于在20%含水率的情況下，織物中紗線的潤(rùn)濕并不均勻，測(cè)量2 cm×8 cm織物時(shí)測(cè)試夾所夾位置可能為潤(rùn)濕較完全的紗線，因此導(dǎo)致其電阻較小。

2)由圖4(b)可知，在織物含水率為30%的情況下，4種織物的橫向電阻均大于縱向，且隨著織物面積的增大，橫、縱向電阻差越大，差值依次為7.84，56.45，71.45，162.77 kΩ。同時(shí)，隨著織物面積的增大，橫、縱向電阻均有增加的趨勢(shì)。由此可知，在織物含水率相同，寬度不變的情況下，縱向電阻隨著長(zhǎng)度的增加而增大，這是由于電阻與長(zhǎng)度成正比，長(zhǎng)度增大，電阻增加。

3)由圖4(c)可知，在含水率為40%的情況下，2 cm×2 cm織物的電阻縱向大于橫向，差值為1.08 kΩ；2 cm×4 cm，2 cm×6 cm，2 cm×8 cm織物的電阻橫向大于縱向，差值依次為32.3，18.79，41.72 kΩ，且總體趨勢(shì)為：電阻隨著織物面積的增大而增大。2 cm×2 cm縱向電阻與橫向電阻極其相近，而其他面積織物的電阻橫向大于縱向，這可能是因?yàn)? cm×2 cm織物面積較小，40%的含水率幾乎將織物浸濕，無(wú)論橫向還是縱向，表面水分的導(dǎo)電效果遠(yuǎn)超出紗線導(dǎo)電效果，因此其橫、縱向電阻相近。而其他織物由于面積較大，在40%含水率時(shí)，表面并非完全有水分覆蓋，因此導(dǎo)電即有水的因素，也有紗線影響，從而使得橫向電阻大于縱向電阻。

織物在含水率40%的情況下，寬度一定，隨著長(zhǎng)度增加，電阻總體趨勢(shì)為增加。而2 cm×4 cm織物出現(xiàn)了異常，可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中織物濕度發(fā)生了變化或者是所測(cè)位置有紗線斷裂等原因?qū)е隆?/p>

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)羅紋織物進(jìn)行了干態(tài)與濕態(tài)的電阻測(cè)試后發(fā)現(xiàn)：

1)在干態(tài)時(shí)，羅紋織物的電阻與紗線連接方式有關(guān)，織物縱向?yàn)榫€圈間搭接相連，橫向?yàn)橥桓喚€編織而成，由于搭接的情況會(huì)造成電流通過(guò)受阻，因此織物縱向電阻大于橫向電阻。同時(shí)，由于電阻與長(zhǎng)度成正比，因此對(duì)于寬度相同的織物，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，織物的電阻越大。

2)在濕態(tài)時(shí)，分別對(duì)織物進(jìn)行3種含水率的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)織物在潤(rùn)濕后不再是單一的紗線進(jìn)行導(dǎo)電，同時(shí)有表面的水分導(dǎo)電，因此潤(rùn)濕后的電阻均大幅度小于干態(tài)時(shí)的電阻，且含水率越高，電阻越小，這表明了該紗線潤(rùn)濕度越大時(shí)，其電阻越小。同時(shí)，由于在濕態(tài)時(shí)電流不再是單一的紗線連接，添加了水的因素，織物由縱向電阻大于橫向電阻變成橫向電阻大于縱向電阻，且隨著含水率增加，二者之間的差值減小。