經編導電織物彈性對傳感性能的影響

張一鳴 繆旭紅 張舒 萬愛蘭 韓曉雪

摘要： 為探討經編導電織物彈性與傳感性能的關系，將鍍銀基錦綸紗線作為導電紗線分別與氨綸包覆紗線和氨綸裸絲在特里科經編機上交織，制備了具有不同彈性的3種經編導電織物。測試了3種織物在一定拉伸范圍內的應力大小與電阻變化，并根據實驗數據計算出彈性性能和靜態評價指標，得出彈性與傳感性能的關系。結果表明：彈性導電織物的電阻隨應變呈線性變化，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，彈性伸長與織物彈力的大小成正相關;在中小應變范圍內，彈性模量越低、彈性伸長越大的導電織物傳感性能越優。

關鍵詞： 經編;導電織物;彈性模量;彈性伸長;靜態評價;傳感性能

中圖分類號： TS186.1文獻標志碼： A文章編號： 10017003（2020）02002506

引用頁碼： 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

隨著科技的進步與發展，傳統的硬質電路難以滿足發展需求，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注[1]。目前對于針織柔性傳感器的研究大多集中在緯編針織結構，如緯平組織、羅紋組織、提花添紗組織結構等[24]，但是在經編織物方面研究較少。導電織物的電學性能研究也大多基于電阻式應變傳感器，討論電阻與應變間的傳感關系。并且對導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討論織物彈性性能[5]，很少有從多方面綜合評價彈性導電織物傳感性能的研究。彈性導電織物在拉伸過程中，紗線的長度變化引起的長度電阻與紗線間接觸產生并聯引起的接觸電阻，均會導致織物的總電阻發生變化[6]。經過對文獻[79]的整理與分析，本文將傳感器性能采用的靜態指標靈敏度、線性度、回復性和滯后性作為主要指標進行計算與評定。

為了探究不同彈性下的經編導電織物在中小應變下的傳感性能，本文將選取鍍銀錦綸作為導電紗線，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，通過交織以制得3種不同彈性的經編織物。通過實驗測試與分析，探討彈性導電織物在20%應變范圍下彈性與傳感性能之間的關系，為紡織柔性傳感器的設計與制備提供經驗和參考。

1實驗

1.1經編柔性傳感器的制備

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

1.2性能指標測試

評價氨綸織物彈性性能的重要指標有彈性伸長率、彈性回復率和彈性模量。彈性伸長率是指在一定外力下，織物拉伸后達到的長度與其原來長度的百分比值[12]。彈性回復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，其應力與應變之比，可用拉伸曲線上某點對應的正切值表示。本文將從以上3個指標來分析導電織物的彈性性能。

評價傳感器的傳感性能主要靜態指標有靈敏度、線性度、滯后性與重復性。靈敏度是應變傳感織物的靈敏性到達穩定工作狀態時輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比，表示在拉伸應變過程中電阻隨應變的變化速度。

K=ΔR/R0ΔL/L0（1）

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

線性度是指傳感器的電阻與應變間成線性關系的程度，用電阻應變曲線與擬合直線之間的最大偏差值ΔθL與電阻應變曲線最大應變的電阻值間的比值來表示。

L/%=ΔθLYFS×100（2）

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

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

H/%=ΔθHYFS×100（3）

式中：H為滯后性;ΔθH為回復電阻應變曲線之間的最大差值。

重復性是表示應變傳感織物在相同條件下，多次拉伸測試時的電阻變化回復的一致程度。

Effect of warpknitted conductive fabric elasticity on sensing performance經編導電織物彈性對傳感性能的影響1.3應變傳感性能實驗設計

1.3.1測試準備

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

測試標準：實驗采用目前最常用的測試標準，ASTM D4964—2008《彈力織物彈性及伸長測試標準》。

1.3.2測試步驟

1）所有樣品實驗均在溫度（21±1）℃，相對濕度65%±2%的標準環境下進行。

2）在測試3種彈性織物電阻時，織物夾持隔距為100mm，織物每縱向拉伸2mm穩定后記錄拉伸應力值和電阻值，完成20%的拉伸應變后，用Origin 8.0數據分析軟件將得到的數據進行擬合，得到應力和電阻隨應變變化的曲線;對3種導電織物在應變為20%范圍內進行5次反復的拉伸與回復測試，得到織物拉伸電阻變化曲線。

3）彈性回復率由實驗數據計算得出，再由彈性模量計算應力應變曲線的初始模量。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，重復該過程兩次，記錄第三次測試的彈性伸長率。

傳感器靜態指標靈敏度、線性度與滯后性由實驗數據結合公式計算得出，重復性由5次勻速拉伸導電織物到20%長度，得到的電阻隨拉伸回復的變化曲線來評價。

2結果與分析

2.1電力學性能

根據實驗數據，得出彈性導電織物應力應變曲線如圖2所示，彈性導電織物電阻應變曲線如圖3所示，彈性導電織物回復電阻隨應變的變化曲線如圖4所示。

從3種彈性導電織物在20%的拉伸下擬合的曲線中可以看出，各項測試的擬合關系數R2數值均趨向于1，表明回歸函數對測試值的擬合程度較好。

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

在圖3電阻與應變的變化曲線中，3種彈性導電織物的電阻隨應變均呈線性變化的關系。包氨彈性織物A的電阻隨應變的增加顯著降低，裸氨彈性織物B和C電阻隨應變的增加而增加。這是因為彈性紗線增大了織物成品密度，織物縱向拉伸導致密度減小，相同層面線圈與線圈間接觸隨應變增大而變少，該因素有導致織物電阻增大的趨勢;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，但是此時作為主導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，導致織物電阻減小。在裸氨織物中，紗線初始密度更大，拉伸過程中密度變化更為顯著，同層面紗線間接觸變化更為顯著，此時同層面線圈間接觸面積引起的接觸電阻為主導因素，接觸面積隨應變的增加而減少從而接觸電阻上升，導致織物總電阻上升。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，所以電阻隨應變的增加而上升的變化速度更快。

[5]王楠. 氨綸經編針織物的彈性研究[D]. 無錫： 江南大學， 2014.

WANG Nan. Elasticity of Spandex Warp Knitted Fabrics [D]. Wuxi： Jiangnan University， 2014.

[6]王金鳳. 導電針織柔性傳感器的電力學性能及內衣壓力測試研究[D]. 上海： 東華大學， 2013.

WANG Jinfeng. ElectricalMechanical Properties and Underwear Pressure Measurement of Conductive Knitted Flexible Sensor [D]. Shanghai： Donghua University， 2013.

[7]楊斌， 陶肖明， 俞建勇. 不銹鋼纖維織物的電阻與應變關系[J]. 稀有金屬材料與工程， 2006（1）： 9699.

YANG Bin， TAO Xiaoming， YU Jianyong. A study on the relation between resistance and strain based on stainless steel fabric [J]. Rare Metal Materials and Engineering， 2006（1）： 9699.

[8]謝娟. 針織物傳感器雙向延伸電力學性能及肢體動作監測研究[D]. 上海： 東華大學， 2015.

XIE Juan. Study on the Monitoring of ElectricalMechanical Properties and Limb Movements of TwoWay Extension of Knitted Fabric Sensors [D]. Shanghai： Donghua University， 2015.

[9]RAJI RK， MIAO X， ZHANG S， et al. Influence of rib structure and elastic yarn type variations on textile piezoresistive strain sensor characteristics [J]. Fibres & Textiles in Eastern Europe， 2018， 5（131）： 2431.

[10]蔡倩文. 基于導電纖維針織物的柔性傳感器呼吸監測研究[D]. 杭州： 浙江理工大學， 2015.

CAI Qianwen. Research on Flexible Sensor Breathing Monitoring Based on Conductive Fiber Knitted Fabric [D]. Hangzhou： Zhejiang SciTech University， 2015.

[11]張舒， 繆旭紅， RAJI Rafiu King， 等. 經編導電針織物的應變電阻傳感性能[J]. 紡織學報， 2018， 39（2）： 7377.

ZHANG Shu， MIAO Xuhong， RAJI Rafiu King， et al. Strainresistance sensing property of warp knitted conductive fabrics [J]. Journal of Textile Research， 2018， 39（2）： 7377.

[12]夏濤. 彈力織物設計中有關問題的討論[J]. 棉紡織技術， 2001， 29（6）： 3133.

XIA Tao. Discussion on the relative questions on design of elastic fabrics [J]. Cotton Textile Technology， 2001， 29（6）： 3133.

[13]梁玉華， 高守武. 影響氨綸緯編織物彈性回復率的因素研究[J]. 北京紡織， 2005（3）： 4950.

LIANG Yuhua， GAO Shouwu. Study on the factors affecting the elastic recovery rate of spandex weft knitted fabric [J]. Beijing Textile Journal， 2005（3）： 4950.

收稿日期： 20190417; 修回日期： 20191210

作者簡介： 張一鳴（1996），男，碩士研究生，研究方向為智能紡織品與智能材料。通信作者：繆旭紅，教授，miaoxuhong@163.com。