張 舒， 繆旭紅， RAJI Rafiu King， 孫 婉(1.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無(wú)錫 214122； 2.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)醫(yī)療的不斷發(fā)展，可穿戴式生理監(jiān)測(cè)設(shè)備在人體健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。智能紡織品中的導(dǎo)電織物柔性傳感器受到廣泛關(guān)注，并以其具有彈性模量低、應(yīng)變大、可彎曲、可折疊、可水洗、舒適性較好等優(yōu)點(diǎn)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的智能服裝中硬件傳感器[1]。而針織物因其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有舒適、柔軟性及彈力貼身等優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能，被廣泛作為傳感器的載體進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)電針織物傳感器的研究大都基于針織緯編結(jié)構(gòu)，對(duì)于經(jīng)編結(jié)構(gòu)的研究只限于邊條鏈組織[2-5]；導(dǎo)電織物的傳感性能也多基于對(duì)導(dǎo)電織物的電阻監(jiān)測(cè)。在導(dǎo)電織物的拉伸過(guò)程中，織物的總電阻由長(zhǎng)度電阻與接觸電阻組成[4]。在正常的拉伸過(guò)程中，織物的伸長(zhǎng)未引起導(dǎo)電紗線的伸長(zhǎng)，長(zhǎng)度電阻不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，故主要對(duì)接觸電阻進(jìn)行研究。

本文選取導(dǎo)電性較好的錦綸基鍍銀紗線[6]，將其與普通滌綸或氨綸在特里科經(jīng)編機(jī)上采用兩梳交織，制得不同的經(jīng)平組織結(jié)構(gòu)以及彈性經(jīng)平織物，對(duì)此類織物在拉伸過(guò)程中的電阻進(jìn)行測(cè)試，探討經(jīng)編導(dǎo)電織物的應(yīng)變-電阻傳感特性，為經(jīng)編導(dǎo)電織物柔性應(yīng)變傳感器的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

儀器：YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀、VICTOR 4105A型低電阻測(cè)試儀、YG0260D型多功能電子織物強(qiáng)力儀。

1.2 紗線性能測(cè)試

1.2.1導(dǎo)電纖維的力學(xué)性能

將錦綸基鍍銀纖維長(zhǎng)絲靜置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下平衡24 h后，使用YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀測(cè)試強(qiáng)力，測(cè)50組數(shù)據(jù)取平均值。

1.2.2導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性能

將錦綸基鍍銀纖維長(zhǎng)絲靜置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下平衡24 h后，用VICTOR 4105A低電阻測(cè)試儀測(cè)量2～20 cm 導(dǎo)電紗的電阻，每隔2 cm記錄1個(gè)電阻值，直至導(dǎo)電纖維被夾持度達(dá)極根長(zhǎng)度為止。測(cè)試結(jié)果為10次的平均值。

支撐組件實(shí)際提供的穩(wěn)定支撐力大約為M0=2.8N，代入式(6)計(jì)算可得傳感器自身的系統(tǒng)測(cè)量誤差δ=0.45%。伸桿組件的支撐力精度主要包括壓力傳感器測(cè)量誤差和支撐組件因轉(zhuǎn)動(dòng)而引入的支撐力誤差兩項(xiàng)，故系統(tǒng)誤差總和為0.45%+0.7%=1.15%，該值在合理范圍之內(nèi)。因此綜上所述，伸桿支撐組件在上述展開(kāi)方法中的卸載效率均滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 經(jīng)編針織柔性傳感器的制備

實(shí)驗(yàn)所用的樣品是在高速特里克經(jīng)編機(jī)上織造，為了解鍍銀紗線組織結(jié)構(gòu)對(duì)電力學(xué)性能的影響，鍍銀紗線選取了具有不同延展長(zhǎng)度的3種組織與滌綸交織制得CP1、CP2和CP3，同時(shí)，選用了最常用的彈性經(jīng)平組織織制得CS4，觀察彈性導(dǎo)電經(jīng)編織物的電力學(xué)特性。鍍銀錦綸與滌綸或氨綸在特里科經(jīng)編機(jī)上交織，制得不同的經(jīng)平組織結(jié)構(gòu)以及彈性經(jīng)平紋織物，在織造過(guò)程中未出現(xiàn)異常情況，銀錦綸具有良好的可編織性。

有關(guān)織物規(guī)格如表1所示，非彈性導(dǎo)電織物結(jié)構(gòu)實(shí)物圖照片見(jiàn)圖1所示，圖中：a表示織物工藝正面；b表示織物工藝反面。

表1 織物規(guī)格Tab.1 Characterization of fabric samples

圖1 織物實(shí)物圖Fig.1 Micro images of fabric samples

1.4 傳感織物的應(yīng)變傳感性能

傳感織物的應(yīng)變傳感性能的測(cè)試是在YG0260DG型多功能電子織物強(qiáng)力儀與VICTOR 4105A型低電阻測(cè)試儀配合使用下進(jìn)行的，如圖2所示。由織物強(qiáng)力儀①、低電阻測(cè)試儀③和夾具④組成。測(cè)量織物電阻時(shí)將待測(cè)織物②自然伸直的狀態(tài)加持織物強(qiáng)力儀上，并將低電阻測(cè)試儀的2個(gè)夾頭分別夾在待測(cè)織物的兩端。夾頭寬度為5 mm，織物強(qiáng)力儀拉伸隔距為100 mm，記錄電阻值。然后啟動(dòng)織物強(qiáng)力儀，使織物沿縱向方向拉伸，織物伸長(zhǎng)1 mm，待其電阻值穩(wěn)定后記錄其電阻值。繼續(xù)拉伸，每次伸長(zhǎng)1 mm，記錄1個(gè)電阻值，直至織物達(dá)到極限伸長(zhǎng)。按上述步驟，同種組織的織物測(cè)試5次。

圖2 測(cè)試模型圖Fig.2 Test setup

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電紗線的性能分析

2.1.1力學(xué)性能

紗線力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 纖維材料特征Tab.2 Tensile properties of conductive yarns

由表可以看出，鍍銀錦綸的均勻性較好。一般錦綸的斷裂強(qiáng)度約4.2～5.6 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)25%～65%[7]， 鍍銀錦綸的力學(xué)性能都略低于普通的滌綸長(zhǎng)絲。可能因表面鍍了銀而導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)度有所下降，斷裂伸長(zhǎng)率較普通錦綸低，但可以滿足正常的經(jīng)編織造的使用。

2.1.2導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電性能

圖3示出導(dǎo)電纖維的電阻隨長(zhǎng)度的變化情況。可看出，錦綸基鍍銀導(dǎo)電纖維的電阻隨長(zhǎng)度的變化，呈線性變化的關(guān)系。

圖3 鍍銀錦綸20 cm內(nèi)的電阻值Fig.3 Resistance of the silver plated yarn samples within 20 cm

由導(dǎo)電纖維的電阻擬合數(shù)據(jù)可看出，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2的值趨向于1，表明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度較好，與金屬導(dǎo)電性能一致。

2.2 導(dǎo)電織物的應(yīng)變電阻傳感性能

2.2.1非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物

將非彈性傳感織物夾持，夾持長(zhǎng)度為100 mm，記錄此時(shí)的電阻值，織物每次伸長(zhǎng)1 mm，記錄1個(gè)電阻值，直至導(dǎo)電織物的長(zhǎng)度達(dá)到極限長(zhǎng)度為止。用origin 8.0將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到3種組織結(jié)構(gòu)的應(yīng)變-電阻曲線。

圖4示出傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況?？煽闯?種織物在縱向拉伸時(shí)非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況可分為3個(gè)階段。

圖4 非彈性織物傳感應(yīng)變曲線Fig.4 Piezoresistive test response of inelastic fabric samples

1)階段I。在拉伸應(yīng)變小于8%的小應(yīng)變范圍內(nèi)，3種織物的電阻隨應(yīng)變的增加顯著降低。這是因?yàn)樵诮?jīng)編導(dǎo)電織物的開(kāi)始拉伸時(shí)，導(dǎo)電紗線的長(zhǎng)度方向沒(méi)有發(fā)生變化，長(zhǎng)度電阻隨應(yīng)變的增加幾乎不發(fā)生變化；接觸電阻分為同層間的導(dǎo)電紗線的接觸電阻與相鄰上下層的導(dǎo)電紗線的接觸電阻。在縱向初始拉伸時(shí)，織物的密度幾乎未沒(méi)有發(fā)生變化，同層間的導(dǎo)電紗線的接觸面積也沒(méi)改變，同層間導(dǎo)電紗線的接觸電阻幾乎沒(méi)有變化；相鄰上下層導(dǎo)電紗線的接觸面積隨著應(yīng)變的增加而增大，從而導(dǎo)致接觸電阻減少，整個(gè)電阻隨應(yīng)變的增加而減少。

2)階段II。在8%～14%拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，織物電阻趨于平穩(wěn)。這個(gè)階段導(dǎo)電紗線上下層的接觸面積達(dá)到一定極限，而織物的伸長(zhǎng)還未引起導(dǎo)電紗線的伸長(zhǎng)，故電阻的變化不明顯。

3)階段III。繼續(xù)拉伸織物，織物的電阻隨應(yīng)變的增加而略有增加。這主要是因?yàn)樵诶斓倪^(guò)程中，織物結(jié)構(gòu)變化達(dá)到極限，拉伸應(yīng)力作用到導(dǎo)電紗線，導(dǎo)電紗線的長(zhǎng)度方向發(fā)生滑移，導(dǎo)致直徑減少，長(zhǎng)度略有增加，故長(zhǎng)度電阻隨應(yīng)變的增加而略有增加。對(duì)比3種織物在縱向拉伸時(shí)非彈性傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況可以發(fā)現(xiàn)CP3最先進(jìn)入平穩(wěn)期，然后是CP2，最后是CP1。

在經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化的第1階段，導(dǎo)電織物表現(xiàn)出很明顯的變化規(guī)律，故對(duì)經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化的第1階段的靈敏性進(jìn)行研究。由圖4可看出，在階段I的拉伸過(guò)程中，3種非彈性傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化，總體接近于線性關(guān)系。并對(duì)階段I的拉伸過(guò)程中，3種非彈性傳感織物的電阻隨應(yīng)變的變化進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 樣品的電阻擬合數(shù)據(jù)Tab.3 Resistance fitting data of fabric

由表可知，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2的值趨向1，表明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好，線性度較好。傳感器的靈敏度可用擬合直線的斜率表征[9]。由表可看出，CP3應(yīng)變-電阻的靈敏度最高，CP2的靈敏度次之，CP1的靈敏度最小。

區(qū)分3種導(dǎo)電織物結(jié)構(gòu)的不同在于其延展線的長(zhǎng)短，見(jiàn)圖1(b)、(d)、(f)。延展線與周圍線圈或延展線的接觸形成接觸電阻，延展線越長(zhǎng)與線圈間的上下層重疊部分越多，接觸面積越大，接觸電阻的變化也越快。CP3的延展線最長(zhǎng)，CP2的延展線次之，CP1的延展線最短，所以CP3的應(yīng)變-電阻的靈敏度最高，CP2的靈敏度次之，CP1的靈敏度最小。隨著延展線長(zhǎng)度的增加，織物的可延伸性降低，故電阻可變化有限，故應(yīng)變電阻的變化率越快的導(dǎo)電織物越早進(jìn)入平穩(wěn)期。

2.2.2彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物

為探究氨綸彈性對(duì)經(jīng)編導(dǎo)電織物的傳感性能的影響，故加入1組帶有氨綸的彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的應(yīng)變電阻傳感性能的測(cè)試。

將彈性傳感織物夾持，夾持長(zhǎng)度為100 mm，記錄此時(shí)電阻值，織物每次伸長(zhǎng)10 mm，記錄1個(gè)電阻值，直至導(dǎo)電織物的長(zhǎng)度達(dá)到極限長(zhǎng)度為止。用origin8將得到數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變電阻曲線。

圖5示出彈性導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化情況?？煽闯鰪椥越?jīng)編導(dǎo)電織物呈現(xiàn)出電阻隨應(yīng)變的增加先增加然后再減小最終趨于平穩(wěn)的整體趨勢(shì)，在100%的應(yīng)變范圍內(nèi)，織物的電阻隨應(yīng)變的增加而上升，在100%～160%應(yīng)變范圍內(nèi)，織物電阻趨于平穩(wěn)。

圖5 彈性織物傳感應(yīng)變曲線Fig.5 Piezoresistive test response of elastic fabric

由此可見(jiàn)，彈性導(dǎo)電織物不僅應(yīng)變范圍大，而且電阻隨應(yīng)變變化的情況比非彈性織物更為復(fù)雜。究其原因主要是彈性導(dǎo)電織物與非彈性導(dǎo)電織物的接觸電阻有所不同，在織物縱向拉伸時(shí)，彈性織物的接觸電阻的變化為三維方向的改變，除非彈性導(dǎo)電織物所具有的線圈與線圈或延展線上下層間的接觸電阻的改變，還存在著因氨綸彈性紗線收縮造成織物縱行間緊密排列，形成平面同層導(dǎo)電紗線之間縱橫向的接觸電阻的變化。

由于氨綸彈性的存在，經(jīng)編導(dǎo)電織物的密度較大，導(dǎo)電紗線同層間的接觸面積較大，見(jiàn)圖1(g)、(h)，故織物電阻較小。在縱向初始拉伸過(guò)程中，織物縱向密度減小，同層導(dǎo)電紗線間的接觸面積隨之減少；上下層間的接觸面積增加，但同層間接觸的面積是其主要影響因素，故接觸電阻隨應(yīng)變的增加而上升。在繼續(xù)拉伸過(guò)程中，同層導(dǎo)電紗線間的接觸面積的變化逐漸減弱，而上下層導(dǎo)電紗線間的接觸面積的變化增強(qiáng)。當(dāng)拉伸到一定程度之后，織物的電阻隨應(yīng)變的增加而趨于平穩(wěn)。

最后氨綸的作用不再明顯，同層導(dǎo)電紗線間的接觸面積不再變化，只有上下層導(dǎo)電紗線間的接觸面積發(fā)生變化，故彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的變化規(guī)律與非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物變化規(guī)律相似，繼續(xù)增大拉伸應(yīng)變，均呈現(xiàn)先減少最終趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

1)所選鍍銀錦綸導(dǎo)電纖維具有良好的可編織性；非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變的增加呈現(xiàn)先減小，再趨于平穩(wěn)，最后略有上升的趨勢(shì)；非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物隨著織物延展線長(zhǎng)度的增加，在小應(yīng)變下的靈敏度增加；導(dǎo)電織物的延伸性降低，織物更早進(jìn)入到平穩(wěn)期。

2)彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物呈現(xiàn)出電阻隨應(yīng)變的增加先增加再減少最終趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)；同層間導(dǎo)電紗線的接觸電阻的改變?cè)斐善潆娮桦S應(yīng)變的變化規(guī)律與非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的變化規(guī)律的不同。

3)隨著經(jīng)編彈性導(dǎo)電織物應(yīng)變的增加，同層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻隨之而增大，上下層間的接觸電阻隨之而減??；在織物拉伸過(guò)程中，同層導(dǎo)電紗線間接觸電阻的變化逐漸減弱，而上下層導(dǎo)電紗線間接觸電阻的變化逐漸增強(qiáng)。 初始時(shí)拉伸時(shí)同層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻占據(jù)主導(dǎo)地位；進(jìn)一步拉伸織物，同層與上下層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻變化趨于平穩(wěn)，最后氨綸的作用不再明顯，上下層導(dǎo)電紗線間的接觸電阻占據(jù)主導(dǎo)地位。

FZXB

[1] 楊玲玲,張西正,胡家慶,等. 柔性可穿戴生理監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2017(5):118-122，128.

YANG Lingling,ZHANG Xizheng,HU Jiaqing,et al.Research progress and application of wearable health monitoring items based on soft sensor technology[J]. Chinese Medical Equipment Journal,2017(5):118-122，128.

[2] 李煜天,繆旭紅. 不銹鋼/滌綸纖維導(dǎo)電針織物的傳感靈敏度[J]. 服裝學(xué)報(bào),2016(5):450-454.

LI Yutian,MIAO Xuhong.Investigation of conductive sensitivity of fabric knitted by stainless steel fiber[J]. Journal of Clothing Research,2016(5):450-454.

[3] 蔡倩文,王金鳳,陳慰來(lái). 緯編針織柔性傳感器結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性能[J]. 紡織學(xué)報(bào),2016,37(6):48-53.

CAI Qianwen，WANG Jinfeng，CHEN Weilai．Research on the structure and electrical properties of weft-knitted flexible sensors[J]． Journal of Textile Research，2016,37(6):48-53

[4] 洪劍寒,潘志娟,姚穆. 超高分子量聚乙烯/聚苯胺導(dǎo)電針織物的應(yīng)變傳感性能[J]. 紡織學(xué)報(bào),2016,37(2):73-78.

HONG Jianhan,PAN Zhijuan,YAO Mu.Strain sensing property of knitted fabric of conductive ultrahigh molecular weight polyethylene/polyaniline composite yarn[J]. Journal of Textile Research, 2016,37(2):73-78.

[5] 韓瀟,龍海如. 針織物柔性傳感器的傳感性能探討[J]. 紡織科技進(jìn)展,2014(6):12-14.

HAN Xiao,LONG Hairu.Exploration on sensing property of knitted fabric[J].Progress in Textile Science & Technology, 2014(6):12-14.

[6] 王金鳳. 導(dǎo)電針織柔性傳感器的電—力學(xué)性能及內(nèi)衣壓力測(cè)試研究[D].上海：東華大學(xué),2013:1-24.

WANG Jinfeng.Based on the flexible sensor of conductive fiber knitted fabric respiratory monitoring research[D]. Shanghai: Donghua University, 2013:1-24.

[7] 唐渝思,蔣金華,汪澤幸,等. 鍍銀錦綸電磁反射面織物的力學(xué)性能[J]. 上海紡織科技,2014(6):32-35,62.

TANG Yusi,JIANG Jinhua,WANG Zexing, et al.Mechanical property of its electromagnetic reflecting surface of silver-plated nylon fabric [J]. Shanghai Textile Science & Technology,2014(6):32-35,62.

[8] 謝勇,杜磊,張嘉楠,等. 影響鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的因素分析[J]. 絲綢,2013(11):36-40.

XIE Yong，DU Lei，ZHANG Jianan, et al. Analysis the factors affecting the conductibility of silver-plated filament[J]. Journal of Silk，2013(11):36-40.

[9] 王金鳳,龍海如. 基于導(dǎo)電纖維針織物的柔性傳感器研究[J]. 紡織導(dǎo)報(bào),2011(5):76-79.

WANG Jinfeng, LONG Hairu. Research on flexible sensorsbased on knitted fabric with conductive fiber[J]. China Textile Leader， 2011(5): 76-79．

[10] 張亮,宋廣禮,楊昆. 導(dǎo)電針織物的可編織性能研究[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(5):43-46.

ZHANG Liang,SONG Guangli,YANG Kun.Study on knittability of conducting knitted fabric[J].Journal of Tianjin Polytechnic University,2008(5):43-46.