不銹鋼/滌綸纖維導電針織物的傳感靈敏度

李煜天, 繆旭紅

(1.香港理工大學 紡織及制衣學系，香港；2.江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

不銹鋼/滌綸纖維導電針織物的傳感靈敏度

李煜天1, 繆旭紅*2

(1.香港理工大學 紡織及制衣學系，香港；2.江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

選用不銹鋼纖維與滌綸混合編織的導電針織物，測試緯平、1+1羅紋和2+2羅紋組織針織物反復拉伸變化與導電靈敏度之間的關系，并分析針織物的導電靈敏度及傳感性能。結果表明：在拉伸變化時，隨著伸長率的增大不銹鋼/滌綸針織物的導電靈敏度不斷增大，縱向拉伸時電信號靈敏度優于橫向拉伸時； 加入氨綸的不銹鋼/滌綸導電針織物，其導電靈敏度大于普通不銹鋼/滌綸導電針織物的，3組不銹鋼/滌綸導電針織物中,緯平結構針織物的靈敏度高于1+1羅紋織物，2+2羅紋組織靈敏度最差；同一種緯平組織下，導電針織物密度越大，電信號靈敏度越低；不同速率下，1+1羅紋組織織物的電信號相對較穩定，優于2+2羅紋組織和緯平組織織物。

不銹鋼/滌綸纖維；導電針織物；應變；靈敏度

隨著智能裝備的不斷發展，可穿戴設備正在逐漸代替傳統的硬件設備，柔性可穿戴織物傳感器除具備基本功能之外，還具有可彎折、水洗、拉伸等特點，因此在智能裝備上擁有得天獨厚的優勢。針織物因其特殊的結構特點，具有舒適、柔軟性及彈力貼身等優良結構性能，越來越多地用于研發制備柔性傳感器。目前，關于制備柔性傳感器方面，王金鳳等[1]主要利用鍍銀纖維制得導電針織物，并建立等效電阻的電阻六角模型，分析得出線密度較大的鍍銀纖維柔性傳感器表現出較好的導電性；不銹鋼微絲和銅絲的單絲導電性能良好。楊斌等[2]同樣利用不銹鋼長絲制備了單針編鏈組織、緯平組織、1+1羅紋組織3種導電織物，并得出緯平組織和羅紋組織電阻響應靈敏度相對較好。然而實驗中考慮其他影響因素不足，樣本較少。為此，文中首先選擇了不銹鋼纖維作為柔性針織物導電絲，與滌綸進行混合編織，組成緯平、1+1羅紋、2+2羅紋3組不同結構的針織物(文中稱之為普通不銹鋼/滌綸導電針織物)，并且每組中加入氨綸絲混合編織進行拉伸性能測試；通過控制針織物組織結構、材質、密度以及橫向拉伸速率下的電阻變化反映傳感靈敏度的變化趨勢，為柔性織物傳感器的制作提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料 直徑為35 μm的316I 型不銹鋼纖維(斷裂延伸率為35%，電阻率為6.5×102Ω·mm,線密度/孔數為72.5 dtex/39 f,捻度為120捻/m)，河北奧徳源金屬制品有限公司生產；普通滌綸(線密度/孔數為80 dtex/36 f),浙江桐昆化纖集團有限公司生產；氨綸長絲(線密度為45 dtex)，江蘇雙良氨綸有限公司生產。

1.1.2 儀器 Stoll CMS 530型電腦橫機(針型為3.5.2)，德國斯托爾公司制造；HD026H-50 0型多功能電子織物強力儀，南通宏大實驗儀器有限公司制造；VC890D數字萬用表，勝利儀器有限公司制造。

1.2 方法

1.2.1 樣布制備 根據實驗設計的要求，利用不銹鋼纖維與滌綸混合編織的導電針織物和氨綸長絲分別組合編織，設計出6組不同組織結構的織物作為導電針織物的基礎樣布。 文中選用普通滌綸絲與不銹鋼纖維混合編織，以提高其織造性和適用性，加入氨綸絲可加大針織物伸縮回復性。

導電針織物樣布結構如圖1所示。每個樣布尺寸為20 cm×10 cm,全部用不銹鋼纖維與滌綸混合編織。每組樣布編號為1#～6#，織物樣布參數見表1。

1.2.2 樣布測試 選用強力儀固定樣布中間5 cm，兩端夾窄細銅片，并連接數字萬用表，采用絕緣材料包裹其他部分，選取試樣中間5 cm可避免邊緣的卷曲對實驗結果的影響，由于其余5 cm并不在測量范圍內，不產生伸縮回復性，同樣條件下，對實驗本身影響不大。

表1 緯編針織物樣品參數表

2 導電針織物傳感性能指標

靈敏度是表征傳感器靜態特性的主要參數，因此導電織物傳感性能可用靈敏度指標進行評價。假定導電針織物為均勻導體，金屬導體在應力作用下發生機械變形時，其電阻值將對應地發生變化，這種現象稱為金屬導體的電阻-應變效應。

電信號變化的靈敏度系數K可通過電阻變化率(ΔR/R)和應變ε(ΔL/L) 計算[2]：

式中：R為材料拉伸后的電阻；R0為初始電阻；ε為導電針織物的伸長率。K值越大則電信號靈敏度越大。同時，對于導電針織物而言，應變拉伸越大，電阻率變化越大[3]。

3 導電針織物的拉伸測試

根據FZ/T70006—2004(針織物拉伸彈性回復率試驗方法)測試標準,用電子織物強力儀對導電針織物進行拉伸實驗;并用數字萬用表實時監測導電織物的電阻變化[4]。

當原料相同、組織結構不同的基礎樣布在相同的工藝條件下織成導電織物后，保持實驗室為恒溫(25±2)℃，恒濕在(60±3)%。拉伸實驗示意如圖2所示。

3.1 不同組織結構織物拉伸測試

應力拉伸時，強力儀對導電針織物加載0.5 N，拉伸位移為20 mm，拉伸速率為100 mm/min，數字萬用表每間隔1 s讀取10個數，每組進行20次應力拉伸循環，每次實驗在應變為5%時讀取數據，直到樣布拉伸至35%以后，測量導電織物電阻的最大值和最小值[5]。

圖3為不同結構導電針織物橫向和縱向在應力拉伸時，靈敏度的變化情況。

由圖3可以看出，在橫、縱向拉伸時，隨著伸長率不斷增大，織物導電靈敏度系數相應增大。比較圖3(a)和圖3(b) 可以看出，橫向拉伸變化時，電阻變化率最高數值約為1.5；而縱向應力拉伸時，電阻變化率變化較大，最高峰值達到20。因此，在縱向拉伸時，導電織物靈敏度高于同等條件下橫向拉伸時。在織物受到縱向拉伸時，針織線圈和線圈間相互接觸并發生位移變化，產生較小位移拉伸量，從而導致紗線的拉伸和靈敏度的顯著變化;在橫向應力拉伸時，導電織物更易伸長，并導致拉伸時變化延遲。因此，在縱向拉伸時電阻變化更大，相應地靈敏度系數也更大，表面織物靈敏性特征更顯著。

由圖3還可以看出，不同組織導電織物受應變拉伸影響，緯平針織物和1+l羅紋針織物拉伸時電阻的變化范圍較大，即K較大，電信號變化的靈敏度較高。另外在拉伸時，線圈會相應地產生位移而伸長或是紗線本身伸長，從而使電阻值變小，所以緯平和1+1羅紋織物受拉后電阻的變化范圍較大，靈敏度也較好。

圖3同一組織中，加入氨綸的不銹鋼/滌綸導電針織物電信號靈敏度優于普通不銹鋼/滌綸纖維導電針織物，加入氨綸的導電織物伸縮回復性增強，使得線圈之間接觸點減少，整個織物電阻變化量減小，電信號靈敏度提高。

3.2 不同密度下織物拉伸測試

選擇2#-1，2#-2和2#-3共3種加入氨綸的不同密度緯平導電針織物，分別進行同樣的拉伸測試，共計20次拉伸測試，每次實驗在應變為5%時讀取數據，直到樣布拉伸至35%，測得不同密度織物導電靈敏度與伸長率的變化如圖4所示[6]。

由織物的組織結構分析可知，密度越大，織物拉伸時電信號靈敏度越小。導電織物通過線圈間相互接觸進行傳感，在施加電壓后，絕大多數電流選擇較小長度的紗線傳導，所以在拉伸過程中，整個織物的電阻變化量是很小的，即靈敏度變化弱。

3.3 不同速率下織物拉伸測試

根據文獻[7]的方法，對1#，3#，5#導電織物依次采用50，100，250和400 mm/min 4種速率進行拉伸實驗。因橫向拉伸時為服用性時通常受力方向，故采用橫向拉伸測試。文中將拉伸速率最大400 mm/min時的拉伸力定義為瞬間的拉伸力[8]，測得不同速率下織物導電靈敏度變化如圖5所示。

由圖5可以看出，3種組織的織物在不同的拉伸速率下均表現出相似的趨勢，拉伸速率越大，電阻變化率越大。觀察1#緯平針織物在不同速率下的導電靈敏度變化趨勢，在速率達到400 mm/min時,導電靈敏度變化量均大于其他3種速率下的織物，在織物瞬間拉伸時，電阻變化響應遲緩，但電信號靈敏度呈較高趨勢。由圖5分析得出，在相同織物下，拉伸速率越大，導電靈敏度越高。在100 mm/min和400 mm/min拉伸速率時，靈敏度變化趨勢相似[9]。

圖5(a)和圖5(b)為緯平織物和1+1羅紋織物不同速率下的電信號靈敏度變化。當速度為400 mm/min時，電信號靈敏度最高；在一定拉伸速率下，伸長率相同時，拉伸速率越快，電信號靈敏度越大。通過靈敏度系數K可以計算出1#織物斜率最大和最小差值為0.396，而3#織物的斜率差值為0.12，變化差值相對1#織物要小，說明速度對1#緯平織物的靈敏度變化影響較大，而對3#1+1羅紋織物的影響較小。

由圖5可以看出，3#和5#的靈敏度變化趨勢相似，但1+1羅紋的斜率差值為0.13，2+2羅紋試樣的差值為0.15。因此，綜合6種織物，1+1羅紋織物在不同速度下的導電靈敏度相對比較穩定。速度對導電針織物靈敏度變化的原因可能主要是因為結構的不同引起織物彈性回復率的不同[10]。

4 結語

通過測試3組不銹鋼/滌綸導電針織物在應力拉伸時，不同組織結構、速率以及密度下電阻的變化情況，分析傳感靈敏度的變化趨勢，并尋找影響導電針織物傳感性能的主要因素，并得出結論：

1) 3組不銹鋼/滌綸導電織物在拉伸力作用下的電信號靈敏度隨著伸長率的增加而逐漸增大。3組不銹鋼/滌綸導電針織物中,緯平結構針織物的靈敏度高于1+1羅紋織物，2+2羅紋組織靈敏度最差。結構較松的不銹鋼/滌綸導電緯平組織或1+1羅紋組織織物，具有良好的傳感導電性能，應用于柔性導電織物傳感器中應具有比較好的優勢。

2) 加入氨綸的不銹鋼/滌綸導電針織物，導電靈敏度比普通不銹鋼/滌綸導電針織物變化大，6種試樣中靈敏度最高的為2#。加入氨綸的普通不銹鋼/滌綸導電緯平針織物，靈敏度最低的為2+2羅紋不銹鋼/滌綸導電針織物。實驗結果表明，加入氨綸的不銹鋼/滌綸導電針織物導電靈敏度優于普通不銹鋼/滌綸導電針織物，氨綸對提高導電織物傳感靈敏度有一定影響。在相同加入氨綸的緯平組織結構下，不銹鋼/滌綸導電針織物密度越大，傳感靈敏度系數越小，且密度較大的導電織物，電信號靈敏度相對較低。

3) 速度對緯平針織物的靈敏度變化影響較大，對1+1羅紋織物的影響最小，且不同速度下拉伸時靈敏度相對穩定，其次是2+2羅紋織物電阻變化介于兩者之間。速度對導電針織物靈敏度變化的影響主要由于織物彈性回復性的不同引起的。在不同方向拉伸時，縱向拉伸時3組不銹鋼/滌綸導電針織物的表現均好于橫向拉伸，表面織物靈敏性特征也更顯著。

4) 不銹鋼/滌綸纖維導電性能好，所編織的織物傳感靈敏度優良，但在編織過程中易出現挑洞、浮線等問題，過細的不銹鋼纖維也會影響織物傳感靈敏度。實際設計時，應綜合考慮不銹鋼纖維的編織性、穿著舒適性和傳感性等，選擇合適的不銹鋼纖維。

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(責任編輯：邢寶妹)

Investigation of Conductive Sensitivity of Fabric Knitted by Stainless Steel Fiber

LI Yutian1， MIAO Xuhong*2

(1.The Institute of Textiles and Clothing,The Hong Kong Polytechnic University,Hong Kong,China；2.Engineering Research Center for Knitting Technology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

To investigate the conductivity and sensitivity of fabric knitted by stainless steel fiber and polyester, the relationship between repeated tensile and conductive sensitivity were studied. Fabric structures employed in this research were weft plain, 1+1 rib weaves and 2+2 rib weaves.It was found that with increasing elongation,the conductive sensitivity of stainless steel knitted fabric decreased continuously. Electrical signal sensitivity of longitudinal tensile was better than transverse tensile. The conductive sensitivity of stainless steel/polyester knitted fabric blended with spandex was higher than the one without spandex. Weft knitted fabric has the best conductive sensitivity and 2+2 rib weaves tissue was the worst one among the three employed fabric structrues. With the same kind of weft flat organization, the higher the conductive fabric density, the lower the electrical signal sensitivity. Under different elongation speed, the electrical signals of 1+1 rib fabric was relatively stable and was better than the 2+2 rib weaves and weft flat organization fabrics.

stainless steel fiber，conductive knitted fabric，strain，sensibility

2016-06-28；

2016-09-08。

李煜天(1992—)，男，碩士研究生。

*通信作者： 繆旭紅(1971—)，女，教授，博士生導師。主要研究方向為紡織品開發、紡織品結構與性能。 Email:miaoxuhong@163.com

TS 186.2

A

2096-1928(2016)05-0450-05