不銹鋼絲/桑蠶絲復(fù)合導(dǎo)電紗的制備與性能研究

張魯燕 楊瑩瑩 侍康妮 祝成炎 田偉

摘要： 為開發(fā)柔性傳感器用高性能導(dǎo)電紗，文章采用包纏工藝將不銹鋼絲與桑蠶絲進(jìn)行包覆，制備了8種不銹鋼絲/桑蠶絲復(fù)合導(dǎo)電紗，研究了芯紗、外包紗規(guī)格對(duì)復(fù)合導(dǎo)電紗的表觀形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和表面摩擦性能的影響，并通過測(cè)量定速拉伸過程中電阻的變化分析其導(dǎo)電性能。結(jié)果表明：在制備的8種復(fù)合導(dǎo)電紗中，直徑為0.035mm不銹鋼絲與88.9dtex桑蠶絲包覆得到的復(fù)合導(dǎo)電紗條干均勻度最好，復(fù)合導(dǎo)電紗的斷裂強(qiáng)度較好，表面摩擦系數(shù)最小，靈敏度最大。綜合分析復(fù)合導(dǎo)電紗的各項(xiàng)性能，得出直徑為0.035mm不銹鋼絲與88.9dtex桑蠶絲包覆得到的導(dǎo)電紗性能最好。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼絲;條干均勻度;力學(xué)性能;摩擦系數(shù);導(dǎo)電性能

中圖分類號(hào)： TS102.64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2019）03-0001-06

引用頁碼： 031101

Study on preparation and properties of stainless steel wire/silk composite conductive yarn

ZHANG Luyan， YANG Yingying， SHI Kangni， ZHU Chengyan， TIAN Wei

（a. College of Materials and Textiles Silk Institute; b. Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，

Ministry of Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to develop the high-performance conductive yarn used for the flexible sensor， eight kinds of stainless steel wire/silk composite conductive yarns were prepared by wrapping technology. The effects of core yarn and cladding yarn specifications on the apparent morphology， mechanical properties and surface friction properties of the composite conductive yarns were studied and the conductivity was analyzed by measuring resistance changes in the process of constant-speed stretching. The results show that among eight kinds of composite conductive yarns， the composite conductive yarn coated by the stainless steel wire with diameter of 0.035mm and 88.9dtex silk has the best yarn evenness. In addition， the breaking strength is good， the surface friction coefficient is the lowest， and the sensitivity is the best. By synthetically analyzing the properties of composite conductive yarn， it is concluded that the composite conductive yarn coated with 0.035mm stainless steel wire and 88.9dtex silk has the best properties.

Key words： stainless steel wire; yarn evenness; mechanical properties; friction coefficient; conductivity

收稿日期： 2018-06-27;

修回日期： 2019-01-10

作者簡介： 張魯燕（1993），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾Q絲產(chǎn)品的開發(fā)。通信作者：祝成炎，教授，cyzhu@zstu.edu.cn。

近年來，智能服裝已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、健康護(hù)理及監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，并越來越受到人們的關(guān)注[1]。紡織服裝可以大面積覆蓋在人體上，除了比其他材料具有更好的柔軟性、舒適性外，還具備靈活地嵌入傳感器等優(yōu)勢(shì)，因此它是作為傳感器的絕佳載體[2]。智能服裝系統(tǒng)集成了通訊元件、傳感器、微型計(jì)算機(jī)等裝置，傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的快速儲(chǔ)存與處理，是實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵[3-4]。通過紡織材料來制作傳感器可以與紡織服裝更好地融合為一體，其中常用的紡織材料為導(dǎo)電纖維[5]。為了提高融合了信息技術(shù)和紡織技術(shù)的智能紡織品等產(chǎn)品性能，高性能導(dǎo)電紗線和織物的開發(fā)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[6]。

目前，針對(duì)智能服裝柔性傳感器的導(dǎo)電材料，多集中在涂覆型導(dǎo)電纖維及金屬纖維與普通纖維的混紡研究[7-9]，但織物的柔軟性、舒適性等服用性能并不理想。金屬擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，不銹鋼絲兼具纖維的柔軟性和金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等性能，是理想的導(dǎo)電纖維，但金屬纖維較差的抱合力和可紡性限制了它的發(fā)展，因此金屬絲常與滌綸纖維混合編織制備導(dǎo)電針織物[10-11]。在天然纖維中，桑蠶絲因柔和的光澤、軟糯的手感及優(yōu)良的吸濕透氣性得到消費(fèi)者的青睞。本文選用2種不同規(guī)格的不銹鋼絲、4種不同規(guī)格的桑蠶絲作為芯紗與外包紗，采用包纏工藝開發(fā)出8種不銹鋼絲/桑蠶絲復(fù)合紗，在獲得穩(wěn)定的傳感性能和改善單獨(dú)的金屬絲在織造過程中勾絲、易斷、磨損等問題同時(shí)，使紗線織造的機(jī)織物或者針織物又兼具桑蠶絲良好的服用性能[12]。通過研究包纏工藝對(duì)復(fù)合紗形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、摩擦性能和導(dǎo)電性能的影響，測(cè)試復(fù)合導(dǎo)電紗在拉伸過程中電阻的變化，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其靈敏度的影響，為復(fù)合導(dǎo)電紗在后期柔性傳感器的制備及其在智能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料與儀器

材料：為保證織物柔軟舒適等服用性能，選用直徑分別為0.021mm（25.6dtex）、0.035mm（78.8dtex）的不銹鋼金屬長絲（萊蕪龍志金屬紗線有限公司），線密度規(guī)格分別為44.4、88.9、130.0、177.8dtex的4種常見桑蠶絲（金富春絲綢科技股份有限公司）。

儀器：JKV 260/240空心錠子包覆機(jī)（中國人民解放軍第四八零六工廠），KSZX真空定形快速蒸箱（江蘇佳聯(lián)華機(jī)械制造有限公司），XY218倒筒機(jī)（浙江新亞紡織機(jī)械有限公司），LEICA DM2700P偏光顯微鏡（北京中輝徠博儀器有限公司），XL-2型紗線強(qiáng)伸度儀（上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所），LFY-110型紗線動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀（山東省紡織科學(xué)研究院），VICTOR VC890C+數(shù)字萬用表（深圳市驛生勝利科技有限公司），INSTRON 3369型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)（英斯特朗試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司）。

1.2復(fù)合導(dǎo)電紗的制備

分別采用不同直徑的2種不銹鋼絲為芯紗，不同線密度的4種桑蠶絲為外包紗，在空心錠子包覆機(jī)上制備8種不同規(guī)格的復(fù)合導(dǎo)電紗。其中復(fù)合工藝參數(shù)為：包覆速度13970r/min，錠速13880r/min，捻度1750捻/m，捻向采用Z捻，張力0.4g。將包纏紗用真空定形快速蒸箱定型，再倒筒后即得到如表1所示8種不銹鋼絲/桑蠶絲復(fù)合導(dǎo)電紗。

1.3性能測(cè)試

1.3.1復(fù)合紗表面形態(tài)分析

將置有復(fù)合紗的載玻片放在LEICA DM2700P偏光顯微鏡的載物臺(tái)上，先用低倍鏡找到目標(biāo)并移到視野的中心，然后轉(zhuǎn)換使用高倍鏡，調(diào)整觀察的亮度、放大倍數(shù)等參數(shù)后得到清晰的復(fù)合紗表面形態(tài)圖片。在Photoshop中打開復(fù)合紗表面形態(tài)圖，在不同部位測(cè)量紗線的屈曲波高5次，記錄測(cè)試結(jié)果并取平均值。

1.3.2復(fù)合紗強(qiáng)伸性測(cè)試

在紗線性能測(cè)試之前，先將制備的復(fù)合紗試樣置于溫度20℃、相對(duì)濕度65%的標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下調(diào)濕24h至平衡。根據(jù)GB/T3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定（CRE法）》的測(cè)試規(guī)定，設(shè)置測(cè)試的參數(shù)分別為：夾距200mm，試樣的拉伸速度100mm/min，預(yù)加張力0.05cN/dtex。在纖維強(qiáng)伸度儀上測(cè)試8組試樣的強(qiáng)伸性，每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)試20次，記錄測(cè)試結(jié)果并取平均值。

1.3.3復(fù)合紗摩擦性能的測(cè)試

將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中調(diào)濕24h后，將復(fù)合紗不斷地喂入LFY-110型紗線動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀的滾動(dòng)輥，與摩擦體穩(wěn)定摩擦，進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3108—2001《紗線與固體材料之間摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》的測(cè)試規(guī)定，設(shè)置測(cè)試的參數(shù)分別為：測(cè)試速度100m/min，時(shí)間6s，包角90°，初張力20cN。在紗線動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀上測(cè)試每個(gè)試樣的摩擦系數(shù)，每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)試20次，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值。

1.3.4復(fù)合紗導(dǎo)電性能的測(cè)試

測(cè)試前，將各試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中靜置24h。為避免儀器短路，將INSTRON 3369型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)的常用夾頭內(nèi)側(cè)放入具有絕緣作用的橡膠片。測(cè)試時(shí)設(shè)置夾距100mm，采用電阻較低、厚度超薄的銅片為導(dǎo)出電極，將試樣和銅片一頭固定在夾頭內(nèi)側(cè)，用VICTOR VC890C+數(shù)字萬用表的夾頭夾住銅片的另一頭測(cè)出初始電阻R0并記錄。以拉伸速率為15mm/min拉伸，每拉伸1mm時(shí)暫停強(qiáng)力儀，每個(gè)試樣拉伸10mm，同一種復(fù)合紗測(cè)試10次，記錄每次拉伸下的電阻值并計(jì)算平均值。

復(fù)合導(dǎo)電紗可以感受材料內(nèi)外部的刺激，并隨之產(chǎn)生響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的探測(cè)和傳輸，因此復(fù)合紗的電信號(hào)響應(yīng)精度可評(píng)價(jià)其傳感性能。靈敏度是衡量柔性傳感器測(cè)試精度的重要指標(biāo)之一，靈敏度系數(shù)（gauge factor， GF）可以用來表征在拉伸作用下復(fù)合導(dǎo)電紗電阻變化的靈敏度，計(jì)算公式如下：

GF=ΔR/R0ε=R-R0/R0ε（1）

式中：ΔR為拉伸前后電阻的變化量，Ω;R0為拉伸前復(fù)合紗的電阻，Ω;R為拉伸后復(fù)合紗的電阻，Ω;ε為復(fù)合紗的伸長率，%。

2結(jié)果與分析

2.1復(fù)合紗形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)不銹鋼絲/桑蠶絲復(fù)合紗在顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)觀察可評(píng)價(jià)復(fù)合紗的成型結(jié)構(gòu)、條干均勻度，不同規(guī)格的復(fù)合紗的形態(tài)結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。屈曲波高是指紗線屈曲波的波峰與波谷之間的垂直距離，復(fù)合紗的成型結(jié)構(gòu)可用屈曲波高來表征，測(cè)試示意如圖2所示。

圖1復(fù)合導(dǎo)電紗的形態(tài)結(jié)構(gòu)（×400）

Fig.1Morphology and structure of composite conductive yarn（×400）

圖2紗線屈曲波高

Fig.2Buckling wave height of yarn

圖1中顏色較深的紗線為不銹鋼絲芯紗，顏色較淺的紗線是為桑蠶絲外包紗。分別測(cè)量每個(gè)試樣的屈曲波高OA長度，其大小分別為0.126、0.115、0137、0.143、0.105、0.01、0.139、0.262mm，即試樣屈曲波高的大小排序?yàn)椋?#>4#>7#>3#>1#>2#>5#>6#。復(fù)合紗3#、4#、7#和8#的芯紗和外包紗的復(fù)合貼合度較好，但是芯紗產(chǎn)生了不同程度的扭曲，屈曲波高較大，這可能是由于外包紗線密度為177.8dtex和130.0dtex時(shí)，芯紗與外包紗線密度相差太大導(dǎo)致復(fù)合紗的條干均勻度較差;復(fù)合紗1#的芯絲與外包紗之間產(chǎn)生縫隙，屈曲波高比復(fù)合紗2#、5#和6#大，明顯的露芯現(xiàn)象是由包纏工藝中氣圈的大幅變化引起復(fù)合點(diǎn)的上下波動(dòng)造成的，這種紗線在織造過程中易導(dǎo)致不銹鋼絲的勾絲;復(fù)合紗5#和6#的復(fù)合效果較好，其中復(fù)合紗6#的芯紗平直，外包紗連續(xù)均勻纏繞在芯紗外面，紗線條干均勻度相對(duì)其他復(fù)合紗來說最好。

2.2復(fù)合紗的力學(xué)性能分析

在織造過程中，紗線與紗線、機(jī)械部件會(huì)接觸摩擦和彎曲，為了保證順利地織造減少斷頭，復(fù)合紗需要有良好的力學(xué)性能。不銹鋼絲/桑蠶絲復(fù)合紗和原料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

由表2和表3可知，當(dāng)芯紗不銹鋼絲的線密度相同時(shí)，復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度與外包紗桑蠶絲的線密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，外包紗線密度越大，復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度越小。不銹鋼絲的斷裂強(qiáng)力隨著線密度的增大而增大，但是當(dāng)芯紗線密度相同時(shí)，復(fù)合紗線密度的增幅速度比斷裂強(qiáng)力快，故斷裂強(qiáng)度反而降低。對(duì)比復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度與桑蠶絲的斷裂強(qiáng)度，可發(fā)現(xiàn)復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度較小，這是因?yàn)閺?fù)合紗包纏工藝中的加捻會(huì)使紗線中纖維傾斜程度加大，承受軸向上的拉力有效分力降低導(dǎo)致強(qiáng)力下降。

當(dāng)桑蠶絲線密度小于130.0dtex時(shí)，復(fù)合紗斷裂伸長率隨著外包紗線密度的增加而增加，此時(shí)再增加外包紗線密度，斷裂伸長率減小，且不銹鋼絲為0035mm時(shí)復(fù)合紗的下降幅度較0.021mm大。紗線的捻系數(shù)是衡量不同粗細(xì)紗線的加捻程度，捻系數(shù)與圖3中捻回角的正切值（tanβ）成正比[13]。而當(dāng)外包紗線密度為177.8dtex時(shí)，由圖1可知紗線的捻回角增大，即復(fù)合紗的捻系數(shù)較大，紗線中纖維的傾斜程度和伸長變形較大，且條干均勻度較差，紗線中纖維斷裂伸長率減小。

圖3紗線捻系數(shù)

Fig.3Yarn twist factor

2.3復(fù)合紗摩擦性能分析

紗線表面粗糙程度在一定程度上決定織物交織阻力的大小，從而影響織物風(fēng)格手感，當(dāng)交織阻力越大時(shí)手感越硬。為了提高可穿戴柔性傳感器的使用性能，傳感器需要具有柔軟性和高舒適性的特點(diǎn)。不銹鋼絲/桑蠶絲復(fù)合導(dǎo)電紗的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。

圖4復(fù)合導(dǎo)電紗表面摩擦系數(shù)

Fig.4Friction coefficient on the surface of

composite conductive yarn

由圖4可知，復(fù)合紗6#紗線表面摩擦系數(shù)最小，結(jié)合復(fù)合紗的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)可知該復(fù)合紗的桑蠶絲均勻包纏復(fù)合在芯紗外面，紗線條干均勻度較好，故復(fù)合紗的摩擦系數(shù)最小，由該紗線織成的織物手感最柔軟。當(dāng)外包紗線密度為130.0、177.8dtex時(shí)，后者的屈曲波高較前者大，后者的紗線條干程度最差，表面摩擦系數(shù)也最大。

2.4復(fù)合紗的導(dǎo)電性能分析

為探究復(fù)合紗在拉伸變形條件下的電信號(hào)響應(yīng)靈敏性，本文記錄了復(fù)合紗拉伸至10%時(shí)的11個(gè)電阻值，復(fù)合紗的導(dǎo)電靈敏度與線密度、伸長率的關(guān)系，如圖5所示。

圖5復(fù)合紗的導(dǎo)電性

Fig.5Conductivity of composite yarn

由圖5（a）可以看出，所有復(fù)合紗伸長率為10%時(shí)的靈敏度GF值大小排序?yàn)椋?#<4#<7#<3#<1#<2#<5#<6#。在外包紗桑蠶絲線密度相同情況下，復(fù)合紗的靈敏度GF值隨外包紗線密度的增大呈先增加后減小的趨勢(shì)，其中復(fù)合紗5#的靈敏度系數(shù)比復(fù)合紗1#高0.76，復(fù)合紗6#的靈敏度系數(shù)比復(fù)合紗2#高0.93，而復(fù)合紗3#和7#、4#和8#的靈敏度系數(shù)相差較小。根據(jù)靈敏度系數(shù)的公式可知，圖5（b）中的斜率即代表靈敏度系數(shù)，從中也可以發(fā)現(xiàn)相同的靈敏度排序規(guī)律。因此通過分析可以發(fā)現(xiàn)靈敏度系數(shù)跟紗線的包覆結(jié)構(gòu)有關(guān)，復(fù)合紗的包覆結(jié)構(gòu)越好，靈敏度系數(shù)越高，靈敏性特征越顯著;反之當(dāng)復(fù)合紗的包覆效果較差時(shí)，則靈敏性特征越不明顯。在所有試樣中，復(fù)合紗5#和6#的包覆效果最好，不銹鋼絲芯紗較為平直，當(dāng)復(fù)合紗受到拉伸時(shí)產(chǎn)生的電響應(yīng)最為明顯。而復(fù)合紗4#和8#的屈曲波高最大，不銹鋼絲在復(fù)合紗包覆結(jié)構(gòu)中扭曲程度較嚴(yán)重，當(dāng)紗線受到拉伸時(shí)，不銹鋼絲芯紗先改變不銹鋼絲在復(fù)合紗中傾斜狀態(tài)，因此產(chǎn)生的電響應(yīng)較不明顯。

3結(jié)論

復(fù)合紗的芯紗和外包紗分別采用直徑為0.035mm的不銹鋼絲、線密度為44.4dtex和88.9dtex的桑蠶絲時(shí)，復(fù)合紗成形質(zhì)量較好，芯紗平直不傾斜，外包紗均勻纏繞在芯紗外側(cè)。當(dāng)芯紗的線密度相同時(shí)，復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度與外包紗的線密度有關(guān)，外包紗的線密度越大，復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度越小，斷裂伸長率則受到復(fù)合紗的外包紗線密度和條干均勻度的綜合影響;桑蠶絲線密度為177.8dtex的復(fù)合紗條干不均勻，紗線的表面摩擦系數(shù)越大，紗線條干均勻度越好，表面摩擦系數(shù)越小;復(fù)合紗的復(fù)合結(jié)構(gòu)越好，它的導(dǎo)電性能更優(yōu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)不理想的芯紗在紗線中呈傾斜狀態(tài)，靈敏性則較差。

根據(jù)復(fù)合紗形貌結(jié)構(gòu)、強(qiáng)伸度、摩擦性能和導(dǎo)電特性結(jié)果可知，由芯紗為0.035mm的不銹鋼絲、線密度為88.9dtex的桑蠶絲包覆得到的復(fù)合紗綜合性能較好，更適合作為柔性傳感器的導(dǎo)電紗。

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