經(jīng)編導(dǎo)電織物彈性對(duì)傳感性能的影響

張一鳴 繆旭紅 張舒 萬(wàn)愛(ài)蘭 韓曉雪

摘要： 為探討經(jīng)編導(dǎo)電織物彈性與傳感性能的關(guān)系，將鍍銀基錦綸紗線作為導(dǎo)電紗線分別與氨綸包覆紗線和氨綸裸絲在特里科經(jīng)編機(jī)上交織，制備了具有不同彈性的3種經(jīng)編導(dǎo)電織物。測(cè)試了3種織物在一定拉伸范圍內(nèi)的應(yīng)力大小與電阻變化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出彈性性能和靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出彈性與傳感性能的關(guān)系。結(jié)果表明：彈性導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變呈線性變化，原料越粗則電阻變化的速度越快;彈性模量隨著織物彈力的增大而減小，彈性伸長(zhǎng)與織物彈力的大小成正相關(guān);在中小應(yīng)變范圍內(nèi)，彈性模量越低、彈性伸長(zhǎng)越大的導(dǎo)電織物傳感性能越優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 經(jīng)編;導(dǎo)電織物;彈性模量;彈性伸長(zhǎng);靜態(tài)評(píng)價(jià);傳感性能

中圖分類(lèi)號(hào)： TS186.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10017003（2020）02002506

引用頁(yè)碼： 021105DOI： 10.3969/j.issn.10017003.2020.02.005

Effect of warpknitted conductive fabric elasticity on sensing performance

ZHANG Yiming， MIAO Xuhong， ZHANG Shu， WAN Ailan， HAN Xiaoxue

（Engineering Research Center for Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： In order to explore the relationship between elasticity and sensing properties of warpknitted conductive fabric， silverplated nylon yarn as the conductive yarn was interwoven with spandexcoated yarn and spandex bare yarn on Trico warp knitting machine. Three kinds of warpknitted conductive fabrics with different elasticity were prepared. The stress and resistance changes of three kinds of fabrics were measured within a certain range of tension. Besides， the elastic performance and static evaluation index were calculated according to the experimental data， and the relationship between elasticity and sensing performance was obtained. It is concluded that the resistance of elastic conductive fabrics varies linearly with strain. The thicker the raw material， the faster the resistance varies. Elastic modulus decreases with the increase of fabric elasticity， and elastic elongation is positively correlated with fabric elasticity. Within the range of medium and small strain elasticity， the sensing property of conductive fabrics with lower elastic modulus and larger elastic elongation is better.

Key words： warp knitting; conductive fabric; elastic modulus; elastic elongation; static evaluation; sensing performance

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質(zhì)電路難以滿足發(fā)展需求，針織柔性傳感器作為智能服裝與智能柔性材料的重要載體而受到廣泛關(guān)注[1]。目前對(duì)于針織柔性傳感器的研究大多集中在緯編針織結(jié)構(gòu)，如緯平組織、羅紋組織、提花添紗組織結(jié)構(gòu)等[24]，但是在經(jīng)編織物方面研究較少。導(dǎo)電織物的電學(xué)性能研究也大多基于電阻式應(yīng)變傳感器，討論電阻與應(yīng)變間的傳感關(guān)系。并且對(duì)導(dǎo)電織物彈性與傳感性能的研究，也主要集中于從原料角度分析彈性纖維和單獨(dú)討論織物彈性性能[5]，很少有從多方面綜合評(píng)價(jià)彈性導(dǎo)電織物傳感性能的研究。彈性導(dǎo)電織物在拉伸過(guò)程中，紗線的長(zhǎng)度變化引起的長(zhǎng)度電阻與紗線間接觸產(chǎn)生并聯(lián)引起的接觸電阻，均會(huì)導(dǎo)致織物的總電阻發(fā)生變化[6]。經(jīng)過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[79]的整理與分析，本文將傳感器性能采用的靜態(tài)指標(biāo)靈敏度、線性度、回復(fù)性和滯后性作為主要指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算與評(píng)定。

為了探究不同彈性下的經(jīng)編導(dǎo)電織物在中小應(yīng)變下的傳感性能，本文將選取鍍銀錦綸作為導(dǎo)電紗線，采用氨綸包覆紗（20氨/50滌）和氨綸裸絲（惠利氨綸制品廠）分別作為彈性紗線，通過(guò)交織以制得3種不同彈性的經(jīng)編織物。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，探討彈性導(dǎo)電織物在20%應(yīng)變范圍下彈性與傳感性能之間的關(guān)系，為紡織柔性傳感器的設(shè)計(jì)與制備提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1經(jīng)編柔性傳感器的制備

鍍銀纖維在可編織性、彈性、舒適性等方面都優(yōu)于不銹鋼纖維[10]，是當(dāng)前織制導(dǎo)電織物的主要原料[11]，研究表明，鍍銀錦綸整體力學(xué)性能雖略低于普通滌綸長(zhǎng)絲，但是仍滿足正常的編織要求，且其導(dǎo)電性能與金屬導(dǎo)電性能一致。為了解經(jīng)編導(dǎo)電織物彈性與傳感性能的關(guān)系，將氨綸包覆紗和兩種不同粗細(xì)的氨綸裸絲分別與鍍銀基錦綸紗線在特里科經(jīng)編機(jī)上編織得到A、B和C。其中氨綸包覆紗在HKS 4E高速經(jīng)編機(jī)（佶龍機(jī)械有限公司）上編織，氨綸裸絲在HKS23E高速經(jīng)編機(jī)（佶龍機(jī)械有限公司）上編織，在編織過(guò)程中并未出現(xiàn)異常情況，氨綸及鍍銀紗線均表現(xiàn)出良好的可編織性?？椢锞捎孟嗤M織GB1：10/23//，GB2：12/10//?？椢镆?guī)格如表1所示，拉伸后的織物狀態(tài)如圖1所示。

1.2性能指標(biāo)測(cè)試

評(píng)價(jià)氨綸織物彈性性能的重要指標(biāo)有彈性伸長(zhǎng)率、彈性回復(fù)率和彈性模量。彈性伸長(zhǎng)率是指在一定外力下，織物拉伸后達(dá)到的長(zhǎng)度與其原來(lái)長(zhǎng)度的百分比值[12]。彈性回復(fù)率指織物在去除拉伸外力之后回縮的程度[13]。彈性模量指織物受外力拉伸后，其應(yīng)力與應(yīng)變之比，可用拉伸曲線上某點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正切值表示。本文將從以上3個(gè)指標(biāo)來(lái)分析導(dǎo)電織物的彈性性能。

評(píng)價(jià)傳感器的傳感性能主要靜態(tài)指標(biāo)有靈敏度、線性度、滯后性與重復(fù)性。靈敏度是應(yīng)變傳感織物的靈敏性到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比，表示在拉伸應(yīng)變過(guò)程中電阻隨應(yīng)變的變化速度。

K=ΔR/R0ΔL/L0（1）

式中：K為應(yīng)變傳感織物的靈敏性;R0為應(yīng)變傳感織物的初始電阻值;ΔR為初始電阻與拉伸狀態(tài)下的電阻值之間的差值;R0為應(yīng)變傳感織物的初始長(zhǎng)度;ΔL為初始長(zhǎng)度與拉伸狀態(tài)下的長(zhǎng)度之間的差值。

線性度是指?jìng)鞲衅鞯碾娮枧c應(yīng)變間成線性關(guān)系的程度，用電阻應(yīng)變曲線與擬合直線之間的最大偏差值ΔθL與電阻應(yīng)變曲線最大應(yīng)變的電阻值間的比值來(lái)表示。

L/%=ΔθLYFS×100（2）

式中：L為線性度;ΔθL為電阻應(yīng)變曲線與擬合直線之間的最大偏差值;YFS為最大拉伸狀態(tài)下的的電阻值。

滯后性是應(yīng)變傳感織物在拉伸與回復(fù)電阻應(yīng)變曲線的不重合程度的指標(biāo)。本文采用應(yīng)變傳感織物在拉伸與回復(fù)電阻應(yīng)變曲線的最大差值ΔθH與電阻應(yīng)變曲線最大應(yīng)變的電阻值間的比值來(lái)表征。

H/%=ΔθHYFS×100（3）

式中：H為滯后性;ΔθH為回復(fù)電阻應(yīng)變曲線之間的最大差值。

重復(fù)性是表示應(yīng)變傳感織物在相同條件下，多次拉伸測(cè)試時(shí)的電阻變化回復(fù)的一致程度。

Effect of warpknitted conductive fabric elasticity on sensing performance經(jīng)編導(dǎo)電織物彈性對(duì)傳感性能的影響1.3應(yīng)變傳感性能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1測(cè)試準(zhǔn)備

測(cè)試儀器：VICTOR4105A型低電阻測(cè)試儀（深圳市驛生勝利科技有限公司）和YG0260D型多功能電子織物強(qiáng)力儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)驗(yàn)采用目前最常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，ASTM D4964—2008《彈力織物彈性及伸長(zhǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》。

1.3.2測(cè)試步驟

1）所有樣品實(shí)驗(yàn)均在溫度（21±1）℃，相對(duì)濕度65%±2%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行。

2）在測(cè)試3種彈性織物電阻時(shí)，織物夾持隔距為100mm，織物每縱向拉伸2mm穩(wěn)定后記錄拉伸應(yīng)力值和電阻值，完成20%的拉伸應(yīng)變后，用Origin 8.0數(shù)據(jù)分析軟件將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)力和電阻隨應(yīng)變變化的曲線;對(duì)3種導(dǎo)電織物在應(yīng)變?yōu)?0%范圍內(nèi)進(jìn)行5次反復(fù)的拉伸與回復(fù)測(cè)試，得到織物拉伸電阻變化曲線。

3）彈性回復(fù)率由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，再由彈性模量計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始模量。將織物在200mm/min速度下拉到5N力后，按原速度降低至拉伸力為0，重復(fù)該過(guò)程兩次，記錄第三次測(cè)試的彈性伸長(zhǎng)率。

傳感器靜態(tài)指標(biāo)靈敏度、線性度與滯后性由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合公式計(jì)算得出，重復(fù)性由5次勻速拉伸導(dǎo)電織物到20%長(zhǎng)度，得到的電阻隨拉伸回復(fù)的變化曲線來(lái)評(píng)價(jià)。

2結(jié)果與分析

2.1電力學(xué)性能

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出彈性導(dǎo)電織物應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，彈性導(dǎo)電織物電阻應(yīng)變曲線如圖3所示，彈性導(dǎo)電織物回復(fù)電阻隨應(yīng)變的變化曲線如圖4所示。

從3種彈性導(dǎo)電織物在20%的拉伸下擬合的曲線中可以看出，各項(xiàng)測(cè)試的擬合關(guān)系數(shù)R2數(shù)值均趨向于1，表明回歸函數(shù)對(duì)測(cè)試值的擬合程度較好。

從圖2可以看出，包氨彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物A應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈二次函數(shù)上升的關(guān)系;裸氨彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物B和C應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈線性上升的關(guān)系。這是由于導(dǎo)電織物A、B和C的彈性紗線性質(zhì)不同，導(dǎo)致三者應(yīng)力隨應(yīng)變變化速度不同，變化速度隨紗線彈性呈反比。氨綸包覆紗線可拉伸范圍小，紗線彈力隨著應(yīng)力增大逐漸接近極限，同時(shí)存在織物間的相互作用，導(dǎo)致織物變化所需外力逐漸增大。

在圖3電阻與應(yīng)變的變化曲線中，3種彈性導(dǎo)電織物的電阻隨應(yīng)變均呈線性變化的關(guān)系。包氨彈性織物A的電阻隨應(yīng)變的增加顯著降低，裸氨彈性織物B和C電阻隨應(yīng)變的增加而增加。這是因?yàn)閺椥约喚€增大了織物成品密度，織物縱向拉伸導(dǎo)致密度減小，相同層面線圈與線圈間接觸隨應(yīng)變?cè)龃蠖兩?，該因素有?dǎo)致織物電阻增大的趨勢(shì);而氨綸包覆紗線由于彈性不足，雖然同層面紗線接觸略微變少，但是此時(shí)作為主導(dǎo)因素的相鄰層面紗線上下線圈間、線圈與延展線間接觸面積增大，導(dǎo)致織物電阻減小。在裸氨織物中，紗線初始密度更大，拉伸過(guò)程中密度變化更為顯著，同層面紗線間接觸變化更為顯著，此時(shí)同層面線圈間接觸面積引起的接觸電阻為主導(dǎo)因素，接觸面積隨應(yīng)變的增加而減少?gòu)亩佑|電阻上升，導(dǎo)致織物總電阻上升。其中裸氨彈性織物C由于原料紗線較粗，電阻初始值較高，紗線間接觸的變化范圍將更大，所以電阻隨應(yīng)變的增加而上升的變化速度更快。

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收稿日期： 20190417; 修回日期： 20191210

作者簡(jiǎn)介： 張一鳴（1996），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芗徔椘放c智能材料。通信作者：繆旭紅，教授，miaoxuhong@163.com。