用于柔性織物電極的導(dǎo)電紗線耐久性研究

李倩文，周嘉琳，孫 超，衣衛(wèi)京

(1.北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029； 2.中華女子學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，北京 100101)

智能服裝是服裝與各領(lǐng)域技術(shù)融合產(chǎn)生的一種新型服裝，其可感知外部及內(nèi)部環(huán)境變化，模擬生態(tài)系統(tǒng)，并通過反饋機(jī)制做出響應(yīng)，且能夠保留服裝固有風(fēng)格和服用性能，在醫(yī)療、運(yùn)動和軍事等領(lǐng)域均有很好的發(fā)展和應(yīng)用?？椢飩鞲衅骶哂腥彳?、吸濕透氣、價格低且更容易和服裝集成等特點(diǎn)，大大提高了智能服裝的舒適性。常用的基于紡織材料的導(dǎo)電紗線包括金屬絲紗線、表面涂覆導(dǎo)電物質(zhì)的紗線、碳纖維紗線等，市場所用大多數(shù)紡織電極是基于金屬包覆的紗線。而在運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測時，由于訓(xùn)練過程中大量出汗，且室外訓(xùn)練會受到光照的影響，因此，對導(dǎo)電紗線的耐光和耐汗液腐蝕性能有更高的要求。

本文結(jié)合運(yùn)動訓(xùn)練場景對導(dǎo)電紗線耐久性能的要求，在考慮紗線舒適性的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計實(shí)驗(yàn)分析汗液和光照對導(dǎo)電紗線表面形態(tài)、力學(xué)性能和電學(xué)性能的影響，綜合評價不同導(dǎo)電紗線的耐久性，以期為運(yùn)動訓(xùn)練場景智能服裝的運(yùn)用提供更有競爭力的產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)部分

1．1 材 料

試驗(yàn)所選用的導(dǎo)電紗線及其規(guī)格參數(shù)及電學(xué)性能見表1。

表1 導(dǎo)電纖維的基本性能Tab.1 Basic properties of conductive fibers

1.2 形貌表征

分別制取試樣1#、2#、3#的樣品，并對上述樣品表面進(jìn)行噴金處理，采用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)觀察樣品的表面形態(tài)。

1.3 性能測試

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》，將試樣1#～6#放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(65±5)%的LLY-33恒溫恒濕箱(萊州市電子儀器有限公司)平衡24 h后，使用INSTRON-3367電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國英斯特朗公司)測試每種試樣的強(qiáng)力數(shù)據(jù)各20根，結(jié)果取平均值。

按氯化鈉20.0 g/L、氯化銨17.5 g/L、尿素5.0 g/L、乙酸2.5 g/L、乳酸15.0 g/L，滴加氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至4.7的方法配制人工汗液500 mL，放入長度為10 cm的3種導(dǎo)電紗線各150根。每間隔1 h取出3種導(dǎo)電紗線各10根，用水沖洗后放入溫度為60 ℃的Y802K快速八籃烘干箱(萊州市電子儀器有限公司)烘干5 min后，測試紗線中間位置5 cm的電阻值。

將3種導(dǎo)電紗線順直貼在透明玻璃窗戶上，在有光照的自然條件下放置，每隔1周測定其電阻變化，測試時間持續(xù)1個月，分析紗線的耐光老化性。

2 結(jié)果與討論

2.1 汗液對紗線表面形態(tài)的影響

汗液處理前試樣1#、2#、3#長度方向放大不同倍數(shù)SEM照片見圖1，由圖示出1#單根紗線是由約132根復(fù)絲抱合加捻，纖維邊界粗糙不光滑，纖維表面銀含量比較高，但銀鍍層牢度較差，呈現(xiàn)為鍍層銀薄厚不一，且有脫落現(xiàn)象；2#單根紗線是由24根復(fù)絲抱合加捻，錦綸基鍍銀纖維邊界光滑，纖維表面均勻覆蓋一層薄薄的銀。鍍銀層有輕微脫落現(xiàn)象，但不明顯；2#單根紗線是由約40根復(fù)絲抱合加捻，纖維之間較為松散，表面不如鍍銀纖維縱向光滑。

圖1 汗液處理前1#、2#、3#縱向放大不同倍數(shù)SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of 1#, 2# and 3# along the axial direction in different magnifications before sweat treatment

汗液處理后1#、2#、3#放大1 000倍的SEM照片見圖2，由圖2的(a)～(f)示出1#在汗液處理2 h后纖維表面的銀鍍層開始脫落，同時出現(xiàn)了直徑非常小的白色顆粒浮在纖維表面，鍍銀層的脫落面積隨著汗液處理時間的增加而增大。初始時白色顆粒直徑小且數(shù)量多，隨著浸泡時間的增加，白色顆粒數(shù)量減小同時顆粒直徑增大。由圖2(g)～(l)示出2#和1#一樣在汗液處理2 h后纖維表面可以觀察到的比較明顯的白色顆粒，但鍍銀層還沒有明顯的脫落現(xiàn)象。隨著時間的增加，其特征與1#相似，可見，汗液處理會破壞鍍銀紗線表面的鍍銀層，當(dāng)鍍銀層表面有缺陷時，破壞過程會加速。由圖2的(m)～(r)示出浸泡汗液時間對纖維表面影響不明顯。3#導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電物質(zhì)是以顆粒的形式分散在紗線內(nèi)部。

圖2 汗液處理不同時間后1#、2#、3#的SEM照片(×1 000)Fig.2 SEM images of 1#, 2# and 3# after sweat treatment in different time(×1 000)

2.2 汗液對紗線力學(xué)性能的影響

導(dǎo)電紗線的力學(xué)性能見表2。由表可知1#～5#紗線彈性模量都相對較小，適合采用較細(xì)針距的緯編針織機(jī)編織成織物電極，而6#不銹鋼絲模量非常大，且斷裂伸長率非常低，在制作用于緊貼皮膚的織物電極時加工困難。2#、4#、5#是同一公司生產(chǎn)的不同細(xì)度錦綸基鍍銀紗線，工藝基本相同，因此，在后續(xù)的耐汗?jié)n性能和耐光性能研究中，主要對試樣1#～3#進(jìn)行測試。

表2 導(dǎo)電紗線的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of conductive yarns

3種導(dǎo)電紗線機(jī)械強(qiáng)力與汗液處理時間關(guān)系曲線見圖3，由圖示出3種紗線的力學(xué)性能隨著汗液處理時間的延長，只有輕微的變化，雖然汗液處理對1#和2#表面的鍍銀層有一定的影響，但紗線強(qiáng)力大小主要取決于纖維自身，表層鍍銀層對紗線的力學(xué)性能影響不大。

圖3 3種導(dǎo)電紗線機(jī)械強(qiáng)力與汗液處理時間關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between mechanical strength and sweat treatment of three conductive yarns. (a) Change in elongation at break； (b) Change in breaking strength

2.3 汗液對紗線電學(xué)性能的影響

3種導(dǎo)電紗線初始電阻見圖4，由圖示出汗液處理前3種導(dǎo)電紗線的電阻隨長度的增加呈線性增加，因此，可以說明紗線本身具有較好的均勻性，實(shí)驗(yàn)時將紗線按一定時間間隔取出進(jìn)行電阻測試能夠體現(xiàn)紗線本身的耐汗液性能。1#、2#鍍銀紗線表面有連續(xù)的鍍銀層，電阻較小，而3#電阻率較大，原因在于導(dǎo)電物質(zhì)是以顆粒的形式分散在纖維內(nèi)部，粒子之間采用電子躍遷的方式導(dǎo)電。對比2種鍍銀導(dǎo)電紗線電阻均勻性可知，2#比1#有更好的線性度，說明2#的電阻均勻性比較好，由SEM照片可知1#纖維表面的銀鍍層有明顯脫落，從而影響電阻均勻性。3#線性度和2#相近，導(dǎo)電紗線電阻均勻性比較高。

圖4 3種導(dǎo)電紗線初始電阻Fig.4 Initial resistance of three conductive yarns

汗液處理對導(dǎo)電紗線電阻的影響見表3，1#間隔1 h電阻測試數(shù)據(jù)見表4，由表3、4可知，1#初始電阻為0.02 kΩ/(5 cm)，每小時隨機(jī)抽取10個試樣，隨著汗液處理時間的增加，電阻也快速增加，并有部分樣品超出萬用表量程，超出樣品數(shù)量也隨著處理時間的增加逐漸增加，所以1#的平均值是剔除了超出量程數(shù)據(jù)(最大電阻值)后計算所得。有效電阻值的誤差與汗液處理時間呈正比，說明隨著時間的增加，紗線電阻的均勻性逐漸降低。第5 h測試有效電阻平均值超1×10kΩ，且60%的測試樣品電阻值已經(jīng)超出電表量程，認(rèn)為1#在汗液處理5 h后不再具備導(dǎo)電能力。2#初始電阻為0.04 kΩ/(5 cm)，電阻隨浸泡時間逐漸增大，初期電阻值變化緩慢，前6 h每次所測紗線所有試樣均為有效值未超出電表量程，直到第7 h電阻值突然增加到53 507.57 kΩ，不再具備導(dǎo)電能力，汗液處理對紗線導(dǎo)電性的影響結(jié)果與SEM照片具有一致性，處理過程中，產(chǎn)生白色顆粒浮在纖維表面，對紗線的導(dǎo)電性影響不大，隨著浸泡時間的增加，白色顆粒直徑逐漸變大，緊接著開始脫落，導(dǎo)電性能直線下降，故而2#的電阻變化表現(xiàn)為初期電阻變化不明顯，直到第8 h白色顆粒大量脫落后，電阻值大幅度降低直接超出導(dǎo)電紗線定義的電阻值，不再具備導(dǎo)電能力。3#隨著浸泡時間電阻平緩有規(guī)律的逐漸增加，在浸泡9 h后超過導(dǎo)電紗線定義范圍。1#的耐汗?jié)n性能最差，3#的耐汗?jié)n性能比2#有明顯提升。這主要與3#的導(dǎo)電成分和導(dǎo)電顆粒的分布有關(guān)。結(jié)果說明3#更適合運(yùn)動訓(xùn)練出汗量較高的使用場景，在改善智能服裝柔性織物電極的耐久性方面具有很大應(yīng)用潛力。

表3 汗液處理對導(dǎo)電紗線電阻的影響Tab.3 Effect of sweat treatment on electrical resistance of conductive yarn

2.4 光照對紗線電學(xué)性能的影響

光照時間對導(dǎo)電紗線電阻的影響見圖5，示出1#電阻隨著光照時間增長快速增加，1個月左右增加了8倍多，且紗線間的電阻均勻性也變化非常明顯；2#初始時電阻相對穩(wěn)定，隨著光照時間的延長，變化開始變得明顯，紗線間電阻的差異也變大。2種鍍銀紗線的耐光性差異與鍍銀層的工藝和質(zhì)量以及紗線結(jié)構(gòu)有關(guān)。1#紗線根數(shù)更多，表面積比較大，更易受到光照氧化的影響，所以耐光性能更差。隨光照時間的延長，3#的電阻變化不明顯，一方面是由于腈綸紗線本身具有較好的耐光性，另一方面是由于腈綸導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電填料基本處于紗線內(nèi)部，且石墨烯紗線對光照不敏感，因此具有較高的穩(wěn)定性。

表4 1#每次間隔1h電阻測試數(shù)據(jù)Tab.4 Resistance test data of 1# at each interval of one hour

圖5 光照時間對導(dǎo)電紗線電阻的影響Fig.5 Influence of illumination time on the resistance of conductive yarn

3 結(jié) 論

針對運(yùn)動訓(xùn)練用織物電極導(dǎo)電材料的影響因素進(jìn)行分析，設(shè)計實(shí)驗(yàn)，從汗液和光照2個方面，對導(dǎo)電紗線處理前后的表面形態(tài)、力學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明：不銹鋼紗線具有較大的模量，在針織織物電極加工中存在加工困難的問題，在鍍銀錦綸紗線、腈綸基石墨烯紗線中，汗液對導(dǎo)電紗線的力學(xué)性能沒有顯著影響；隨著汗液處理時間的增加，鍍銀導(dǎo)電紗線鍍銀層受到腐蝕，而腈綸導(dǎo)電紗線表面無明顯變化。2種鍍銀紗線在汗液分別處理4 h和6 h后不再具有導(dǎo)電能力，且隨著處理時間的增加，紗線電阻的均勻性逐漸降低。腈綸基石墨烯導(dǎo)電紗線相對具有更好的耐汗液腐蝕性能，隨著處理時間的增加，紗線電阻平穩(wěn)有規(guī)律地逐漸增長；光照對腈綸基石墨烯電學(xué)性能影響最小，鍍銀錦綸紗線電阻隨光照時間不僅電阻增加，而且電阻的均勻性也變差。綜合分析認(rèn)為腈綸基石墨烯紗線具有更優(yōu)異的性能，在運(yùn)動訓(xùn)練智能服裝領(lǐng)域具有更好應(yīng)用前景。