圓形緯編針織物電極導(dǎo)電性能及電阻理論模型構(gòu)建

張佳慧， 王建萍,3

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))，上海 200051； 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

采用導(dǎo)電纖維制得的傳感器織物具有柔軟輕巧、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，在信息傳感及傳輸方面已成為智能服裝開發(fā)的最佳材料之一，織物電極常選用的織物類型有機(jī)織[1]、針織[2]、刺繡、非織造[3]等，其中針織物電極具有與人體皮膚較好貼合的優(yōu)點(diǎn)，能減少因相對(duì)摩擦引起的滑動(dòng)偽跡，從而提高信號(hào)的采集精度。目前針織物電極主要用于制作無(wú)縫內(nèi)衣，在呼吸監(jiān)測(cè)[4]、肢體動(dòng)作監(jiān)測(cè)[5]、心率監(jiān)測(cè)[6]等方面也有所應(yīng)用。

針織導(dǎo)電織物是由導(dǎo)電紗線彎曲成線圈并穿套而成的復(fù)雜串并聯(lián)電路，其電阻理論模型目前僅有電阻六角模型，文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)建立電阻六角模型以表征導(dǎo)電針織物的結(jié)構(gòu)特征，并采用Y形和△形聯(lián)結(jié)的等效變化方法得到了1～4橫列針織物電阻的表達(dá)式，用于分析等橫列不同縱行的矩形緯平針導(dǎo)電針織物之間的電阻關(guān)系，但該模型計(jì)算過(guò)程較為煩瑣，較難適用于矩形、緯平針織物以外的緯編織物電極，因此有必要建立電阻模塊理論模型。

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有針織物電極研究主要集中于定性比較不同原料、尺寸及組織結(jié)構(gòu)[9-10]和制作工藝[11]的電極的等效電阻，忽略了不同因素對(duì)織物電極等效電阻的影響情況，且不能用于織物電極電阻的定量分析與預(yù)測(cè)，缺少對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)。為此，本文選用2種導(dǎo)電紗線、4種電極尺寸和3種組織結(jié)構(gòu)制作基于圓形織物電極的腿套，測(cè)試其下機(jī)及熱定形后的導(dǎo)電性能，分析電極導(dǎo)電性能的影響因素，同時(shí)建立緯編針織物電極的電阻模塊理論模型和橫向電阻擬合模型，有利于快速、準(zhǔn)確地定量分析并預(yù)測(cè)織物電極的等效電阻，為基于織物電極的緯編針織物產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考，對(duì)智能服裝向多領(lǐng)域發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

紗線基本信息見表1。導(dǎo)電紗線分別選用紗線A、紗線B，面紗及扎口線選用紗線C，地紗選用紗線D，襯墊選用紗線E。

表1 紗線基本信息Tab.1 Parameters of yarns

設(shè)備與儀器：SANTONI-Goal 615D型襪機(jī)(圣東尼(上海)針織機(jī)械有限公司)、TH2811D型LCR-Meter電阻測(cè)定計(jì)(常州同惠電子股份有限公司)、INSTRON 3365型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(英斯特朗(上海)試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司)。

1.2 試樣制作

使用SANTONI Goal 615D襪機(jī)(筒徑為9.53 cm，針數(shù)為144，織針厚度為0.85 mm)制作試樣，腿套的主體組織采用襯墊平針組織，電極部位分別選用平紋、1×1抽條、1×2抽條組織進(jìn)行添紗；同時(shí)設(shè)計(jì)4種圓形電極尺寸，縱行數(shù)×橫列數(shù)分別為12×24、16×32、20×40、24×48。試樣的組織結(jié)構(gòu)見圖1，其中電極部位縱行數(shù)×橫列數(shù)為16×32，組織分別為平紋、1×1抽條、1×2抽條。制備的緯編針織物電極工藝參數(shù)見表2。

圖1 組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Loops′ structures. (a) Plain weave fabric;(b) 1×1 rib fabric; (c) 1×2 rib fabric

表2 緯編針織物電極工藝參數(shù)Tab.2 Processing parameter of weft-knitted electrodes

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 導(dǎo)電紗線性能測(cè)試

試驗(yàn)條件：溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±5)%，在試驗(yàn)前將導(dǎo)電纖維靜置于試驗(yàn)條件下調(diào)濕24 h。

1)紗線強(qiáng)力測(cè)試：根據(jù)GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，裁剪30 cm的紗線A和紗線B，并用醫(yī)用膠帶纏繞紗線兩端，使用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置隔距為250 mm，拉伸速度為100 mm/min，測(cè)試紗線的拉伸強(qiáng)力，每種試樣分別測(cè)試10根，并取均值。

2)紗線導(dǎo)電性能測(cè)試：裁剪30 cm的紗線A和紗線B順直放置于絕緣木板上，并在兩端用絕緣膠帶固定，用電阻測(cè)定計(jì)分別測(cè)定20 cm內(nèi)不同單位長(zhǎng)度的電阻值。每種紗線每單位長(zhǎng)度分別測(cè)試10次取平均值。

1.3.2 織物電極導(dǎo)電性能測(cè)試

參照文獻(xiàn)[8]中柔性傳感器導(dǎo)電性能測(cè)試方法，將試樣電極背面兩側(cè)多余的導(dǎo)電紗線并股，在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±5)%的恒溫恒濕條件下，使用電阻測(cè)定計(jì)分別測(cè)定不同試樣電極部位的橫向與縱向電阻。測(cè)試6次取平均值。

2 討論與分析

2.1 導(dǎo)電紗線性能分析

通過(guò)電阻測(cè)定計(jì)測(cè)試導(dǎo)電紗線的電阻值，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線性擬合；根據(jù)導(dǎo)電紗線的纖維直徑計(jì)算不同導(dǎo)電材料的電阻率，結(jié)果見表3。

從表3看出：紗線A有較好的延展性，但斷裂強(qiáng)力差于紗線B；而紗線B剛性較大，在力的作用下不易變形斷裂。從紗線的電阻擬合情況來(lái)看，紗線A與紗線B均具有較好的導(dǎo)電性能，原料電阻系數(shù)(即每厘米紗線等效電阻)分別為5.037 Ω和0.366 Ω，2種紗線電阻率接近合金的電阻率。

2.2 織物電極電阻模塊理論模型建立

基于針織線圈的循環(huán)結(jié)構(gòu)建立電阻模塊理論模型，線圈及等效電阻理論模型見圖2，根據(jù)線圈結(jié)構(gòu)分別構(gòu)建電阻六角模型、電阻模塊和電阻模塊理論模型。其中：Ra、Rb和Rd分別表示紗線針編弧部分、圓柱部分和沉降弧部分電阻；Rc表示紗線與紗線間的接觸電阻；Rp表示平紋組織的電阻。

圖2 線圈及等效電阻理論模型Fig.2 Loop′s structure and its resistance theory model.(a) Loop′s structure; (b) Resistance hexagonal model;(c) Resistance module; (d) Resistance module theory model

采用相同的設(shè)備及編織程序時(shí)，作如下假設(shè)：1)導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電離子分布完全均勻；2)成圈過(guò)程中摩擦損耗均勻；3)自然狀態(tài)下各單元導(dǎo)電線圈的圈柱、針編弧、沉降弧及線圈間的接觸長(zhǎng)度相等，將不同組織的單元線圈視作一個(gè)電阻單元，分別命名平紋、1×1抽條、1×2抽條組織的電阻為Rp、R1、R2。當(dāng)電流橫向通過(guò)時(shí)，橫列電阻串聯(lián)，縱行電阻并聯(lián)；當(dāng)電流縱向通過(guò)時(shí)，橫列電阻并聯(lián)，縱行電阻串聯(lián)。以此計(jì)算不同組織、不同縱橫線圈數(shù)的電阻理論K值，并分別命名為KpH、KpZ、K1H、K1Z、K2H、K2Z，如12縱行×24橫列的平紋組織的橫向理論電阻表達(dá)式為R=(12×24)KpHRp。各組織不同縱橫線圈數(shù)的織物電極電阻理論K值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 織物電極的電阻理論K值Tab.4 Theoretical value K of knitted electrode resistance

2.3 織物電極導(dǎo)電性能影響因素分析

通過(guò)織物電極導(dǎo)電性能測(cè)試得到織物電極橫向電阻及縱向電阻實(shí)測(cè)值，通過(guò)Origin 8.0繪制織物電極橫向與縱向電阻值和相應(yīng)的理論K值?？椢镫姌O橫向電阻見圖3，織物電極縱向電阻見圖4。

圖3 織物電極橫向電阻Fig.3 Horizontal resistance of knitted electrodes. (a) Plain weave fabric; (b) 1×1 rib fabric; (c) 1×2 rib fabric

圖4 織物電極縱向電阻Fig.4 Vertical resistance of knitted electrodes. (a) Plain weave fabric; (b) 1×1 rib fabric; (c) 1×2 rib fabric

圖3、4分別表明，選用不同原料、尺寸和組織時(shí)橫向與縱向電阻均有所差異，且織物電極的電阻實(shí)測(cè)值與理論K值變化趨勢(shì)基本一致，故認(rèn)為建立的電阻模塊理論模型能夠適用于不同橫列與縱行線圈圓形電阻的定性分析。同時(shí)，通過(guò)方差分析得到不同因素對(duì)電極導(dǎo)電性能的影響情況，織物電極橫向與縱向電阻主體間效應(yīng)檢驗(yàn)見表5。

表5 織物電極橫向與縱向電阻主體間效應(yīng)檢驗(yàn)Tab.5 Intersubjective effect of horizontal and vertical resistance of knitted electrodes

注：*表示在 0.05 水平上影響顯著，下同。

原料、尺寸和組織3個(gè)因素以及其交互作用對(duì)橫向?qū)щ娦阅芫酗@著性影響，3個(gè)單因素對(duì)電極電阻的影響強(qiáng)弱是：原料>組織>尺寸。為進(jìn)一步深入探究每個(gè)因素對(duì)電極導(dǎo)電性能的影響，采用方差分析來(lái)計(jì)算各因素的估算邊際均值及均值差異。

2.3.1 原料對(duì)織物電極導(dǎo)電性能的影響

原料對(duì)織物電極橫向與縱向電阻的估算邊際均值見表6。由紗線A織成的織物電極其橫向?qū)щ娦阅芫黠@弱于原料為紗線B的電極，這是由原料的導(dǎo)電性能決定的；而織物電極縱向?qū)щ娦阅軇t是原料選用紗線A的織物優(yōu)于原料為紗線B的織物，這是因?yàn)榧喚€B較為剛硬，不易針織成圈導(dǎo)致相同針數(shù)的電極較大，從而影響織物的導(dǎo)電性能。

表6 原料對(duì)織物電極橫向與縱向電阻的估算邊際均值Tab.6 Mean marginal estimation of materials to horizontal and vertical resistance of knitted electrodes

2.3.2 尺寸對(duì)織物電極導(dǎo)電性能的影響

尺寸對(duì)織物電極橫向與縱向電阻的估算邊際均值見表7。在不考慮電極原料及組織結(jié)構(gòu)影響時(shí)，織物電極橫向與縱向估算電阻值整體隨著縱行×橫列的增大而增加，較小的電極尺寸表現(xiàn)出更好的導(dǎo)電性能。進(jìn)一步比較不同各縱橫線圈數(shù)間織物電極電阻的均值差異發(fā)現(xiàn)，12×24與16×32之間均值差異顯著性大于0.05，認(rèn)為二者無(wú)明顯差異，而其余尺寸間電極電阻均存在顯著性差異。

表7 尺寸對(duì)織物電極橫向與縱向電阻的估算邊際均值Tab.7 Mean marginal estimation of sizes to horizontal and vertical resistance of knitted electrodes

2.3.3 組織對(duì)織物電極導(dǎo)電性能的影響

組織對(duì)織物電極橫向與縱向電阻的估算邊際均值見表8。在不考慮電極原料及尺寸影響時(shí)，織物電極橫向與縱向估算電阻值依次為平紋>1×2抽條>1×1抽條。進(jìn)一步比較3種組織織物電極電阻差異發(fā)現(xiàn)，平紋組織與其余2種組織電極均在0.05水平上差異較顯著，而1×1抽條與1×2抽條組織導(dǎo)電性能無(wú)明顯差異。相同縱橫線圈數(shù)的織物電極中，平紋組織導(dǎo)電紗線彎曲成圈數(shù)量更多，因此其電阻實(shí)測(cè)值更大，導(dǎo)電性能略差于其他2種織物組織。

表8 組織對(duì)織物電極橫向與縱向電阻的估算邊際均值Tab.8 Mean marginal estimation of structures to horizontal and vertical resistance of knitted electrodes

2.3.4 熱定形對(duì)織物電極導(dǎo)電性能的影響

由紗線B所織成的織物電極在熱定形后，其等效電阻有不同程度的增加，且縱向電阻變化較橫向電阻更為明顯，電阻變化率最高達(dá)56%(見圖3、4)，因此熱定形對(duì)紗線B為原料的織物電極導(dǎo)電性能影響較大；而紗線A為原料的織物電極在熱定形后橫向電阻均有所下降，且縱向電阻變化率均小于5%，故熱定形對(duì)紗線A為原料的織物電極導(dǎo)電性能影響較小。

2.4 織物電極等效電阻線性擬合模型

采用偏相關(guān)分析在控制“原料”因素的線性影響條件下分析織物電極實(shí)測(cè)值與建立的理論模型中理論K值之間的線性相關(guān)程度，織物電極橫向、縱向電阻實(shí)測(cè)值與理論K值偏相關(guān)系數(shù)見表9。

表9 織物電極橫向、縱向電阻實(shí)測(cè)值與理論K值偏相關(guān)系數(shù)Tab.9 Partial correlation coefficient between horizontal and vertical resistance and value K of knitted electrodes

通過(guò)偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，在剔除原料的影響后，織物電極的橫向電阻實(shí)測(cè)值與理論K值在0.05水平上顯著相關(guān)，而縱向電阻實(shí)測(cè)值與其相應(yīng)的理論K值僅在1×1抽條組織中表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性；因此，采用回歸分析進(jìn)一步考察織物電極橫向電阻值和原料電阻系數(shù)r及理論K值的定量關(guān)系，得到織物電極橫向電阻值的回歸方程及調(diào)整決定系數(shù)R2，如表10所示。

表10 織物電極橫向電阻值的回歸模型Tab.10 Regression model of horizontal resistance of knitted electrodes

注：Yp、Y1、Y2分別為平紋、1×1抽條和1×2抽條織物電極橫向電阻，Ω；KpH、K1H、K2H分別為平紋、1×1抽條和1×2抽條織物電極橫向電阻理論K值。

經(jīng)檢驗(yàn)，回歸模型及回歸系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)意義，模型中的自變量對(duì)應(yīng)變量影響顯著。從表10可以看出，原料電阻系數(shù)與理論K值均對(duì)織物電極的橫向電阻有顯著正向影響，且3種組織的織物電極電阻擬合方程調(diào)整R2均大于0.9，表明回歸模型擬合效果較優(yōu)，可用該模型對(duì)緯編針織物電極的橫向電阻實(shí)測(cè)值進(jìn)行定量分析和預(yù)測(cè)。

3 結(jié) 論

本文選用2種導(dǎo)電紗線、3種組織結(jié)構(gòu)及4種尺寸制作基于圓形緯編針織物電極的腿套，測(cè)試其導(dǎo)電性能，同時(shí)建立緯編針織物電極的電阻理論模型，采用方差分析探究不同因素對(duì)織物電極電阻的影響情況，并用偏相關(guān)分析和回歸分析研究電阻實(shí)測(cè)值與原料電阻和理論值之間的關(guān)系，有助于尋找織物電極導(dǎo)電性能的最優(yōu)方案，并較為高效地定量分析和預(yù)測(cè)圓形緯編針織物電極的等效電阻，為基于織物電極的針織物產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考，促進(jìn)智能服裝向多領(lǐng)域發(fā)展，以多樣的智能方向滿足人們的不同需求。通過(guò)試驗(yàn)與分析得到以下結(jié)論：

1) 原料、尺寸、組織及其交互作用對(duì)電極的導(dǎo)電性能均有顯著影響，其影響強(qiáng)弱依次為原料>組織>尺寸。在原料類型上，紗線A的織物電極橫向電阻大于紗線B，縱向電阻則反之；在組織類型水平上，織物電極電阻為平紋>1×2抽條≈1×1抽條；在尺寸類型上，電極電阻值隨著橫列數(shù)×縱行數(shù)的增大而增加，且12×24與16×32之間電極導(dǎo)電性能無(wú)明顯差異。因此，圓形織物電極的導(dǎo)電性能較優(yōu)方案為抽條組織、較小尺寸，選用以紗線B為原料的織物電極橫向?qū)щ娦阅芨鼉?yōu)，而選用以紗線A為原料的織物電極縱向?qū)щ娦阅芨鼉?yōu)。

2) 以紗線A為原料較紗線B為原料的織物電極導(dǎo)電性能受熱定形影響較小，因此對(duì)于需熱定形整理的導(dǎo)電織物可選用紗線A，即鍍銀錦綸紗作為原料。

3) 建立電阻模塊理論模型，并根據(jù)電流流向估算不同組織的不同電極尺寸理論值，其與織物電極電阻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)較為一致，因此可用于定性分析同一組織不同橫列與縱行線圈的織物電極電阻值。織物電極的橫向電阻實(shí)測(cè)值與理論值和電極原料電阻系數(shù)存在顯著正相關(guān)性，該模型可用于定量分析和預(yù)測(cè)織物電極的橫向電阻實(shí)測(cè)值。