集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣原料與尺寸設(shè)計(jì)

戴憶凡 陳慰來(lái) 王金鳳 王鍵強(qiáng) 鐘斌悅

摘要：研究集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣的原料選擇與最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)，采用單因子控制變量以及正交試驗(yàn)法，選用不同地紗、面紗設(shè)計(jì)不同尺寸柔性傳感器并測(cè)試其電阻大小。結(jié)果表明：以44 dtex裸氨為地紗，83 dtex滌綸色紗為扎口線，78 dtex錦綸色紗為面紗，78 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線為添紗原料，設(shè)計(jì)柔性傳感器尺寸為30個(gè)橫列、40個(gè)縱行，使用適宜的編織參數(shù)，形成的無(wú)縫內(nèi)衣具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和服用性能。

關(guān)鍵詞：鍍銀導(dǎo)電紗線;無(wú)縫內(nèi)衣;柔性傳感器;編織工藝

中圖分類號(hào)：TS155.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-265X（2020）01-0042-05Material and Size Design of Seamless Underwear Integrated with Flexible Sensor

DAI Yifan1， CHEN Weilai1， WANG Jinfeng1， WANG Jianqiang2， ZHONG Binyue1

Abstract：In this study， material selection and optimal size design of seamless underwear integrated with flexible sensor are studied. Flexible sensors of different sizes were designed with different ground yarn and surface yarn by employing the single factor control variable method and orthogonal test， and their resistances were measured. Results show that the conditions for forming seamless underwear with optimal electrical conductivity and wearability are 44 dtex naked ammonia as ground yarn， 83 dtex polyester yarn as tying thread， 78 dtex polymide dyed yarn as surface yarn， 78 dtex silverplated conductive yarn as embossed raw material， flexible sensor of a size of 30 columns and 40 rows， and optimal weaving parameters.

Key words：silverplated conductive yarn; seamless underwear; flexible sensor; knitting technology

由于針織物具有柔軟、易變形、舒適等特性，導(dǎo)電針織物逐漸代替硬件傳感器應(yīng)用于可穿戴服裝中，針織成型織物具有設(shè)計(jì)便捷，與人體接觸緊密，舒適性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，為柔性傳感器的優(yōu)良載體[13]。織物柔性傳感器不僅是簡(jiǎn)單的導(dǎo)電織物，更是可用于監(jiān)測(cè)呼吸的智能傳感器[4]。王金鳳[5]在導(dǎo)電針織結(jié)構(gòu)柔性傳感器上建立了六角電阻模型，從理論上探討了其電力學(xué)性能;張亮[6]對(duì)導(dǎo)電纖維針織物的橫機(jī)編織工藝進(jìn)行了探討，結(jié)果表明積極式喂紗、彎紗深度盡可能小、適當(dāng)大的牽拉張力有利于導(dǎo)電纖維的編織;劉松等[7]對(duì)導(dǎo)電纖維編織過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果表明炭黑纖維最易于編織，彎紗深度影響其編織效果;陳斌等[8]對(duì)不同類型導(dǎo)電紗線采用不同組織編織，并研究其導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，結(jié)果表明鍍銀導(dǎo)電紗線形成的織物性能最優(yōu)，其中單面集圈組織導(dǎo)電性能更優(yōu)。

本文對(duì)常見(jiàn)的幾種導(dǎo)電紗線進(jìn)行研究，選用合適的導(dǎo)電紗與常規(guī)的地紗、面紗編織形成集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣，分析不同地紗、面紗對(duì)嵌織柔性傳感器的電阻及服用效果的影響;設(shè)計(jì)不同尺寸的柔性傳感器進(jìn)行編織，對(duì)編織形成的嵌織柔性傳感器進(jìn)行電阻和穩(wěn)定性測(cè)試，選擇最適合編織集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣的原料及尺寸參數(shù)。為集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1試驗(yàn)

1.1原料與儀器設(shè)備

原料：扎口線選用83 dtex黑色滌綸色紗（義烏澤童化纖有限公司）;地紗選用22 dtex/44 dtex/78 dtex/111 dtex裸氨（煙臺(tái)紐仕達(dá)氨綸有限公司）;2030錦包氨綸包芯紗（海寧市龍仕達(dá)紡織有限公司）;面紗選用78 dtex全消光滌綸紗（海寧市龍仕達(dá)紡織有限公司）;78 dtex黑色滌綸色紗（義烏澤童化纖有限公司）;78 dtex黑色錦綸色紗（義烏澤童化纖有限公司）;導(dǎo)電紗線選用78 dtex石墨烯腈綸毛紗（東麗集團(tuán)）;78 dtex銅纖維導(dǎo)電紗線（青島亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司）;78 dtex/111 dtex鍍銀錦綸紗線（青島亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司）。

儀器與設(shè)備：GDNJ08單針筒無(wú)縫針織圓機(jī)（杭州高騰機(jī)電科技有限公司）;KG55B染色機(jī)（佛山航星科技有限公司）;SWA801系列自動(dòng)烘干機(jī)（泰州市通江洗滌）;RIGOL DM30686位半數(shù)字萬(wàn)用表（北京普源精電科技）;XL2型紗線強(qiáng)伸儀（上海新纖儀器有限公司）;SteREO Discovery V20型蔡司體視顯微鏡（北京普瑞賽司儀器有限公司）;Instron高強(qiáng)材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)英斯特朗公司）。

1.2集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣的設(shè)計(jì)

1.2.1紗線配置

紗線的穿紗配置如表1所示，相鄰?fù)N紗線捻向SZ向配置相反。

1.2.2無(wú)縫內(nèi)衣組織設(shè)計(jì)

無(wú)縫內(nèi)衣的主體組織采用平針、吊針、網(wǎng)眼等形式：大身采用緯平針組織，具有布面平整的優(yōu)點(diǎn);領(lǐng)口、袖口采用雙層假羅紋結(jié)構(gòu);腋下部位采用網(wǎng)眼組織，有利于熱量的散發(fā);腰部和背部采用吊針的形式，用來(lái)增加腰部的彈性，塑造人體的三維形態(tài);腹部線條的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)與人體曲線貼合，增加其設(shè)計(jì)感。選用平針組織進(jìn)行添紗有利于紗線間的穩(wěn)定接觸，保證柔性傳感器的穩(wěn)定性和電阻率。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的柔性傳感器橫列數(shù)為10、20、30三個(gè)梯度，縱行數(shù)為40、60、80三個(gè)梯度。圖1為集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣組織示意圖（柔性傳感器橫列數(shù)為10、縱行數(shù)為40、60、80）。

1.2.3工藝流程

采用78 dtex全消光滌綸為面紗編織形成的集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣，下機(jī)后采用染色工藝，其完整的工藝流程如下：原料的采購(gòu)→絡(luò)筒→無(wú)縫織造→織后檢驗(yàn)→熱定形→染色→脫水烘干→半成品檢驗(yàn)→裁剪拼縫→成品檢驗(yàn)→包裝入庫(kù)。

采用78 dtex滌綸（錦綸）色紗為面紗形成的集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣，下機(jī)后采用縮水工藝，其工藝流程如下：原料采購(gòu)→絡(luò)筒→原料染色前處理→筒紗染色→筒紗檢驗(yàn)→二次絡(luò)筒→包纏氨綸→無(wú)縫織造→織后檢驗(yàn)→熱定形→柔軟脫水烘干→半成品檢驗(yàn)→剪裁縫制→成品檢驗(yàn)→包裝入庫(kù)。

1.3性能測(cè)試

1.3.1紗線性能測(cè)試

按照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》，使用XL2型紗線強(qiáng)伸儀，預(yù)加張力10 cN，隔距250 mm，拉伸速度500 mm/min，對(duì)紗線進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，可得紗線的強(qiáng)力、伸長(zhǎng)率、斷裂強(qiáng)度等參數(shù)。

1.3.2紗線電阻測(cè)試

在導(dǎo)電紗線5、10、15、20 cm處采用導(dǎo)電銅膠將其覆蓋，避免接觸不良導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)，采用DM3068 6位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)長(zhǎng)度的電阻。做出其線性圖像，圖像斜率為電阻率。

1.3.3柔性傳感器電阻測(cè)試

在柔性傳感器的兩邊進(jìn)行浮線設(shè)計(jì)，柔性傳感器挑出兩端浮線，采用銅膠（0.121 Ω/cm）包裹浮線，避免由于接觸不良導(dǎo)致的電阻不穩(wěn)定。采用DM30686位半數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)柔性傳感器進(jìn)行電阻測(cè)試。

1.3.4織物拉伸電阻穩(wěn)定性

參照FZ/T 70006—2004《針織物拉伸性回復(fù)率試驗(yàn)方法》，使用Instron高強(qiáng)材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)英斯特朗公司）對(duì)含柔性傳感器織物進(jìn)行20%反復(fù)5次的拉伸，測(cè)試?yán)旌筢樋椢锏碾娮?。電阻穩(wěn)定性采用電阻穩(wěn)定率進(jìn)行表征。ΔR為拉伸后的電阻變化，R0為拉伸前的電阻，電阻穩(wěn)定率見(jiàn)式（1）。

電阻穩(wěn)定率/%=1-ΔRR0×100（1）

2結(jié)果與討論

2.1導(dǎo)電紗線選擇

為達(dá)到電信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，需要選擇易于編織、導(dǎo)電性能優(yōu)良的導(dǎo)電紗線。對(duì)導(dǎo)電紗線的各項(xiàng)力學(xué)性能及電阻進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1，外觀如圖2所示。

由表1可知，石墨烯腈綸毛紗斷裂強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率較小，在編織過(guò)程中容易發(fā)生斷紗現(xiàn)象，且電阻率較大，不適合作為應(yīng)變電阻傳感器原件材料;銅纖維導(dǎo)電紗線力學(xué)性能參數(shù)較優(yōu)，但其電阻過(guò)大不適合作為柔性傳感器的編織原料;鍍銀導(dǎo)電紗具有適合編織的力學(xué)性能，以及優(yōu)良的導(dǎo)電性能。為滿足無(wú)縫內(nèi)衣的服用性能要求，選用78dtex鍍銀導(dǎo)電紗有利于形成手感細(xì)膩的服用效果。由圖2可知，石墨烯腈綸毛紗表面具有較多毛羽;銅纖維導(dǎo)電紗線整體較為蓬松;鍍銀導(dǎo)電紗表面涂覆有一層光滑的銀層，具有銀的光澤。

2.2地紗選擇

在面紗種類、尺寸、編織參數(shù)不變的情況下（面線為78 dtex黑色滌綸紗、尺寸為10橫列×60縱行），改變集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣的地紗（2030包紗、22 dtex裸氨、44 dtex裸氨、78 dtex裸氨、111 dtex裸氨），研究地紗的選擇對(duì)電阻和電阻穩(wěn)定率的影響，如圖3所示。從圖3可以看出：采用2030錦包氨綸包芯紗形成的柔性傳感器電阻值比裸氨大很多;隨著裸氨的纖度變大，其電阻值不斷減小，電阻穩(wěn)定率不斷增加。分析可知，包芯紗中由于滌綸包覆絲的存在，在拉伸過(guò)程中外層包覆的滌綸長(zhǎng)絲影響了鍍銀導(dǎo)電紗的接觸，故其電阻的穩(wěn)定性較差;隨著裸氨的纖度變大，其回彈性變差使得導(dǎo)電紗線的位移變小，接觸更為緊密，故其導(dǎo)電性和電阻穩(wěn)定性均更為優(yōu)異。綜合考慮其導(dǎo)電性、穩(wěn)定性以及服用性能，最終選擇44 dtex裸氨作為柔性傳感器的地紗。

2.3面紗選擇

在地紗、尺寸、編織參數(shù)和組織不變的情況下（地紗為44 dtex裸氨、尺寸為10橫列×60縱行），改變無(wú)縫內(nèi)衣的面紗（78 dtex全消光滌綸紗、78 dtex黑色滌綸色紗、78 dtex黑色錦綸色紗），得到不同面紗形成柔性傳感器電阻及其穩(wěn)定率關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知采用78 dtex黑色滌綸色紗和78 dtex黑色錦綸色紗形成的柔性傳感器具有較為優(yōu)良的導(dǎo)電性能和電阻穩(wěn)定率。分析可得，采用78 dtex全消光滌綸紗形成的柔性傳感器經(jīng)過(guò)染色工藝后對(duì)鍍銀導(dǎo)電紗造成了一定的破壞，柔性傳感器的電阻偏大。在實(shí)驗(yàn)編織過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用78 dtex黑色滌綸色紗編織形成的試樣，手感較硬，不適合作為貼身衣物。故選用78 dtex黑色錦綸色紗作為面紗。

2.4尺寸對(duì)柔性傳感器性能影響

2.4.1應(yīng)用單因子分析法

在編織紗線、編織參數(shù)和組織的不變的情況下圖4不同面紗形成的柔性傳感器電阻及其穩(wěn)定率關(guān)系

（地紗為44 dtex裸氨、面紗為78 dtex黑色錦綸色紗、平針組織），改變?nèi)嵝詡鞲衅鞒叽纾M列數(shù)為10、20、30，縱行數(shù)為40、60、80），得到圖5不同尺寸柔性傳感器電阻及其穩(wěn)定率。

由圖5可知，隨著橫列數(shù)的增加，柔性傳感器的電阻變小，導(dǎo)電性能更為優(yōu)異，電阻穩(wěn)定率變小，穩(wěn)定性變差;隨著縱行數(shù)的增加，柔性傳感器的電阻變大，其電阻穩(wěn)定性更優(yōu)。電阻的大小變化與文獻(xiàn)[5]中六角電阻模型一致。故在柔性傳感器的尺寸設(shè)計(jì)上，在滿足人體測(cè)試部位大小需求與導(dǎo)電性符合測(cè)試要求時(shí)，尺寸上應(yīng)選擇橫列數(shù)越小，縱行數(shù)越大越好。故選擇柔性傳感器尺寸為30個(gè)橫列與40個(gè)縱行的組合。

2.4.2應(yīng)用正交分析法

采用正交法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。柔性傳感器尺寸的影響因素主要為橫列數(shù)和縱行數(shù)，設(shè)計(jì)橫列數(shù)和縱行數(shù)各3個(gè)水平，因此選擇正交表L9（34），由于試驗(yàn)中為兩個(gè)變量其余兩變量為空。表2為不同尺寸柔性傳感器試驗(yàn)因素水平表。

根據(jù)正交表的設(shè)計(jì)原則及柔性傳感器電阻及電阻穩(wěn)定率的測(cè)試方法，得到表3不同尺寸柔性傳感器試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果。依據(jù)表3，分別以電阻值、電阻穩(wěn)定率為試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算其響應(yīng)值Ki、平均響應(yīng)值ki和效應(yīng)極差R，計(jì)算結(jié)果如表4、表5所示。

分析表3可得：在橫列數(shù)相同的時(shí)候，柔性傳感器電阻隨縱行數(shù)的增加而增加，電阻穩(wěn)定率隨縱行數(shù)的增加而增大;在縱行數(shù)相同時(shí)，柔性傳感器電阻隨橫列數(shù)的增加而減小，電阻穩(wěn)定率隨縱行數(shù)增加而增大。分析表4、表5所示，對(duì)于柔性傳感器電阻值，比較兩個(gè)因素極差的最優(yōu)組合為A3B1，且A因素對(duì)電阻的影響比B因素更為重要;對(duì)于柔性傳感器的電阻穩(wěn)定率，兩個(gè)因素極差的最優(yōu)組合為A1B3，A因素對(duì)電阻穩(wěn)定率的影響更為重要。由于柔性傳感器的電阻值越小其柔性傳感器導(dǎo)電功耗越小，試驗(yàn)電阻穩(wěn)定率為80%以上，優(yōu)先考慮柔性傳感器的電阻大小。綜上，選擇柔性傳感器大小為30個(gè)橫列、40個(gè)縱行。

2.5編織注意要點(diǎn)

由于鍍銀導(dǎo)電紗表面光滑，在編織過(guò)程中容易出現(xiàn)帶紗疵點(diǎn)，需在穿紗口增加張力，避免疵點(diǎn)的發(fā)生;本文中柔性傳感器以添紗的形式在無(wú)縫內(nèi)衣中存在，編織過(guò)程中需要不斷進(jìn)行剪線的動(dòng)作，連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程中需要關(guān)注剪刀口處否有廢紗堵住影響編織。

3結(jié)論

本文探討了鍍銀導(dǎo)電紗集成柔性傳感器無(wú)縫內(nèi)衣在單針筒無(wú)縫圓機(jī)上編織的導(dǎo)電紗線、地紗、面紗的選擇及柔性傳感器尺寸設(shè)計(jì)等編織工藝對(duì)產(chǎn)品電阻及其穩(wěn)定性的影響。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下的結(jié)論：

a）裸氨形成的柔性傳感器電阻穩(wěn)定率優(yōu)于包芯紗;隨著裸氨的纖度變大，其電阻值不斷減小，電阻穩(wěn)定率不斷增大。隨著裸氨的纖度變大，其回彈性變差使得導(dǎo)電紗線的位移變小，接觸更為緊密，故導(dǎo)電性和電阻穩(wěn)定率更為優(yōu)異。

b）面紗選擇與導(dǎo)電紗線纖度接近的紗線，有利于形成平整的織物表面;選擇錦綸紗線有利于形成優(yōu)良的服用性能;選擇色紗有利于減少染色對(duì)導(dǎo)電紗線的破壞并具有保護(hù)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。

c）在設(shè)計(jì)柔性傳感器的尺寸時(shí)，隨著橫列數(shù)的增加其導(dǎo)電性能更為優(yōu)異，而電阻穩(wěn)定率變小;隨縱行數(shù)的增加柔性傳感器電阻變大，電阻穩(wěn)定率更大。在柔性傳感器的尺寸設(shè)計(jì)上，在保證滿足人體測(cè)試部位大小需求，導(dǎo)電性符合測(cè)試要求時(shí)，尺寸上應(yīng)以橫列數(shù)越小，縱行數(shù)越大為宜。

d）通過(guò)單因子比較與正交試驗(yàn)分析可得，以44 dtex裸氨為地紗，83 dtex黑色滌綸色紗為扎口線，78 dtex錦綸色紗為面紗，78 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線為添紗原料，設(shè)計(jì)柔性傳感器尺寸為30個(gè)橫列、40個(gè)縱行，并選用適宜的編織參數(shù)形成的柔性傳感器具有優(yōu)良的電阻穩(wěn)定率和服用性能。

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收稿日期：2018-05-23網(wǎng)絡(luò)出版日期：2018-12-16

基金項(xiàng)目：海寧市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017109）

作者簡(jiǎn)介：戴憶凡（1994-），女，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代紡織、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的研究。

通信作者：陳慰來(lái)，Email：wlchen193@163.com