氨綸緯編導電針織物縱向電力學性能

韓曉雪， 繆旭紅

(1. 江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122；2. 江南大學 紡織服裝學院， 江蘇 無錫 214122)

近年來，針織柔性傳感器得到國內外學者的廣泛關注并取得一定的研究成果。與傳統的剛性傳感元件相比，針織柔性傳感器具有舒適性強、柔軟性好、貼身便攜的優勢，是制備智能紡織品的優選材料。目前針對緯編針織物沿橫列方向織物導電性能與小應變范圍拉伸下的電阻應變關系研究較多：王金鳳等[1]用鍍銀紗編織橫條紋假羅紋、豎條紋假羅紋與緯平針織物，根據實際應用中人體呼吸、心跳導致的皮膚擴張情況，考察導電針織物在1%～30%應變下的電阻應變關系；蔡倩文等[2]將5種導電紗線分別與粘膠、氨綸包芯紗混織，并測試不同橫列、縱行的織物導電性能，為發現其他較為合理的導電原料提供了參考；易紅霞等[3]提出并構建了基于針織物柔性傳感器ZigBee無線網絡系統，實現了人體生理參數的采集，對針織物柔性傳感器在智能服裝上的集成進行了初步實踐；基于同樣的原理，Atalay等[4]開發了基于紡織品的應變傳感呼吸帶，并從中獲得了與模擬數據一致的電阻響應信號。對于氨綸織物在較大應變范圍的縱向拉伸下電阻應變關系的探討內容很少，張舒等[5]將鍍銀錦綸與氨綸或滌綸交織成彈性與非彈性經編導電織物，將2種導電經編織物沿線圈縱行方向拉伸并對其電力學性能進行了理論闡述。

無縫內衣是通過一次性無縫成形工藝編織而成，手感柔軟有彈性，貼合人體并能對其產生一定壓力，有“人體第二皮膚之稱”[6]，因此，無縫針織內衣是襯入柔性傳感器的理想材料。有研究表明，人體特定關節的移動會帶動皮膚在縱向上的延伸[7]，比如膝蓋關節的正常彎曲會造成35%～45%的皮膚伸展，因此，要實現在無縫內衣中嵌入導電織物來監測人體肘部、膝部等彎曲運動情況，就需要探究其在縱向產生較大應變下的電力學性能。本文主要探討鍍銀導電紗線織制的平針、1+1假羅紋和2+1假羅紋氨綸導電織物在沿線圈縱行方向拉伸下的電阻-應變關系，并與氨綸導電織物、非氨綸織物在橫向拉伸狀態下的電力學性能進行對比。基于錦綸基鍍銀紗線與滌綸/氨綸包芯紗制備3種組織結構的導電織物，并改變導電區域的橫列數和縱行數，觀察試樣在完整的縱向拉伸過程中的電力學性能，為開發可監測人體關節彎曲狀況的智能無縫運動服和無縫內衣提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料和設備

材料：錦綸基鍍銀纖維長絲紗(線密度為 44 dtex(24 f)，全拉伸絲，阻值為(77±4) Ω/cm，青島亨通偉業特種織物科技有限公司)；錦綸/氨綸包芯紗(氨綸芯紗線密度為22 dtex，錦綸包紗線密度為55 dtex(48 f)，諸暨市大唐泓諾化纖有限公司)；錦綸長絲紗(線密度為55 dtex(48 f)，南通科嘉紡織纖維制品有限公司)。

設備：SM8-TOP2 MP2型圣東尼單面無縫內衣機(筒徑為38.1 cm，機號為28)，圣東尼(上海)針織機器有限公司；VICTOR 4 105 A型低電阻測試儀，深圳市勝利高電子科技有限公司；YG0260D型多功能電子織物強力儀，寧波紡織儀器廠。

1.2 導電針織物的制備

針織內衣具有手感柔軟、穿著舒適、可襯入柔性傳感器的優點，平針和假羅紋是無縫內衣產品中使用較多的組織結構。人體內衣采用平針組織達到收胸、瘦臀的效果，采用假羅紋具有更好的彈性和延伸性，可用于腰腹部位達到收腰、收腹效果[6]。實驗選用緯平針、1+1假羅紋和2+1假羅紋3種結構織制導電針織物：假羅紋是一種浮線組織，前面數字代表一個循環中參加不編織的針數，后面數字代表參加編織的針數。

實驗樣品在單面無縫成型內衣機上織造，樣品基布主紗采用錦綸長絲紗，導電區域主紗為錦綸基鍍銀纖維，添紗均為錦綸/氨綸包芯紗。每種結構各織制橫列數相同，縱行數分別為24、48和74的3種導電區域寬度的試樣進行測試。9種織物的規格如表1所示。

表1 緯編織物規格表Tab.1 Weft-knitted fabric specification

1.3 導電織物的電阻-應變傳感性能測試

在多功能電子織物強力儀上將彈性導電織物沿織物縱向夾持，夾持長度為150 mm，使用低電阻測試儀測試其電阻，記錄初始電阻值，織物每伸長 7.5 mm記錄1個電阻值，直至織物達到拉伸極限為止。

2 結果與分析

2.1 織物電阻-應變關系

3種組織的不同縱行數的導電織物電阻-應變曲線如圖1所示。可見，在沿織物縱向進行拉伸的情況下，氨綸緯編導電織物在拉伸過程中電阻隨應變的變化情況總共可分為4個階段：1)階段Ⅰ，隨著應變的增大，織物的電阻呈現較快的上升；2)階段Ⅱ，隨著應變增加，織物電阻增長減慢，阻值趨于平緩；3)階段Ⅲ，織物電阻隨應變增大呈現較快的下降趨勢；4)階段Ⅳ，隨著應變增大，織物阻值趨于平緩，幾乎沒有變化，因此，可見氨綸緯編導電織物沿縱行方向的電力學性能與氨綸經編織物[5]的相似。

圖1 9種織物電阻-應變曲線Fig.1 Resistance-strain curves of nine types of fabric. (a)Plain stitch fabric; (b)1+1 mock rib fabric; (c)2+1 mock rib fabric

王金鳳等[8]基于針織物線圈結構建立了電阻六角模型，將導電針織物看作各紗段電阻和接觸電阻組成的串并聯復雜電路網。緯編彈性導電織物的電阻受紗線間接觸電阻、紗線自身電阻和線圈紗段轉移的影響。在織物拉伸初始階段，織物線圈中的沉降弧與針編弧段向圈柱進行轉移，此時線圈紗段電阻的變化會影響織物電阻變化。由于圈柱、沉降弧和針編弧長度很短，線段轉移的長度有限，而隨著織物不斷被拉伸，線圈之間的接觸力不斷增大，因此，電阻變化主要由接觸電阻的變化導致。緯平針織物隨縱向應變增大的線圈狀態變化如圖2所示。

圖2 織物拉伸過程中線圈變化Fig.2 Coil changes during fabric drawing. (a) Fabric relaxation; (b) Stretching state 1; (c) Stretching state 2; (d) Stretching state 3

由圖2可知，由于氨綸存在彈性，織物松弛時線圈緊密排列，同層紗線間接觸面積大，根據文獻[8]的接觸電阻理論可知，此時織物電路的接觸電阻小，故織物總體的初始電阻小。在織物拉伸過程中，同層導電紗線接觸面積減小，上下層導電紗線間的接觸面積增大，初始拉伸階段織物縱向線圈密度變化較明顯，同層紗線接觸面積的變化要大于上下層間接觸面積的變化，因此，織物電阻整體呈現上升趨勢；之后同層導電紗線接觸面積的變化與上下層間的接觸面積的變化相近，織物電阻呈現穩定趨勢；隨著織物繼續拉伸，紗線線段的轉移不再明顯，織物線圈密度變化很小，上下層導電紗線接觸面積的變化要大于同層間的接觸面積的變化，織物電阻呈現下降趨勢；最終，織物接近拉伸極限，上下層導電紗線接觸面積和同層間的接觸面積變化都不再明顯，織物電阻呈現穩定趨勢。

2.2 織物組織對其電力學性能的影響

由圖1可以看出，在階段Ⅰ和階段Ⅲ的拉伸過程中，3種組織的彈性緯編織物的電阻隨應變的變化趨勢總體接近線性關系。經測量得到織物2個拉伸階段的靈敏度，如表2所示。

表2 各織物應變范圍及靈敏度Tab.2 Strain range and sensitivity of fabric

注：KⅠ為導電織物在第Ⅰ階段的靈敏度，即織物電阻變化量/織物應變量；KⅢ為導電織物在第Ⅲ階段的靈敏度。

結合圖1和表2可見，階段Ⅰ拉伸過程中，在縱行數相同的情況下，導電織物的靈敏度為平針最好，1+1假羅紋次之，2+1假羅紋最差。這說明導電織物的組織結構對其靈敏度有較大影響。

由于圓機上織造的1+1假羅紋與2+1假羅紋是一種浮線組織，如圖3、4所示。

圖3 導電緯編針織物實物圖Fig.3 Physical maps of conductive weft-knitted fabric. (a)A1 front; (b)A1 back; (c)B1 front; (d)B1 back;(e)C1 front; (f)C1 back

圖4 3種組織的接觸點分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of contact points distribution of three types of fabric structure. (a) Plain; (b) 1+1 mock rib; (c) 2+1 mock rib

由圖3、4可知，織物存在浮線且長短不同，因此，在具有相同的橫列數和縱行數條件下，平針織物的線圈數量最多，1+1假羅紋次之，2+1 假羅紋最少。線圈數量多，則導電區域內同層導電紗線之間的接觸點多，接觸面積大，在初始拉伸時，接觸電阻的變化也越快，靈敏度也就越好。

2.3 導電區域縱行數對其電力學性能影響

結合圖1和表2可知，階段Ⅰ拉伸過程中，在織物結構相同的情況下，3種織物的導電區域縱行數越少，導電織物的靈敏度越大，而且在相同的拉伸應變下，縱行數越少的導電織物阻值越高。在階段Ⅲ拉伸過程中，這一結論對于1+1假羅紋不再成立，但同種組織結構下，縱行數少的導電織物靈敏度依然較高。

基于沿導電針織物橫列方向測量建立的等效電阻模型[8-10]，針織物電路是綜合了并聯和串聯的復雜電路網，沿針織物縱行方向為并聯電路，沿橫列方向為串聯電路。本文對導電織物電阻的測量是基于縱向，在針織物同一縱行上為紗段電阻之間的并聯，但隨著橫列數增多，一個縱行的總電阻也隨之增大；在同一橫列為各縱行電阻的并聯，因此，在實驗試樣中，織物電阻隨縱行數的減少而增大。

2.4 拉伸方向和彈性對電力學性能的影響

2.4.1氨綸緯編織物橫縱向拉伸比較

將實驗中的A3與B3樣品沿橫列方向進行拉伸，測試其電阻-應變變化情況，如圖5所示。結合圖1、5可以發現，在拉伸應變小于100%時，緯編彈性織物沿橫列方向和沿縱行方向拉伸的電阻-應變關系相似。而橫向拉伸與縱向拉伸的主要區別在于紗線線段的轉移方向不同，可得知在織物拉伸過程中，接觸電阻的變化起主導作用，而沿橫列方向線圈中，紗線的轉移造成的電阻變化對織物本身電阻變化影響不大。

圖5 2種織物橫向拉伸的電阻-應變關系Tab.5 Resistance-strain curves of two types of fabric with horizontal stretching

2.4.2彈性與非彈緯編織物橫向拉伸比較

根據文獻[1]沿橫列方向拉伸非彈性鍍銀紗緯平紋織物，得到的織物電阻-應變關系是隨著應變增大，織物電阻呈線性減小，應變超過20%之后電阻下降不明顯。這一趨勢與添加氨綸的鍍銀紗緯平紋織物表現出的沿橫向拉伸的電力學性能相反。這是由于氨綸的存在使得織物線圈排列緊密，同層紗線接觸面積大，因此，在織物拉伸初始階段，同層紗線間接觸電阻的變化起主要作用。非彈性緯編織物在拉伸初始階段，織物線圈密度變化很小，上下層紗線間的接觸電阻變化起主要作用。

3 結 論

小應變范圍的織物拉伸電阻-應變關系可應用于測量人體呼吸、心跳等產生較小皮膚形變量的生理信號，而人體運動姿態監測如對膝關節、肘關節和髖關節等運動變化的監測需要考慮到導電織物在更大應變范圍的電力學性能。經過研究較大應變范圍的9種規格織物的電阻-應變關系，得出以下結論。

1) 氨綸緯編織物在縱向拉伸時電阻的變化情況與彈性經編織物的相似，都呈現出電阻值隨織物伸長先呈線性增長，隨后增長緩慢至阻值穩定，再線性下降最終趨于穩定的電力學性能。

2) 織物的組織結構對導電織物靈敏度有著較大影響，在線圈橫列與縱行數目相同的情況下，緯平針的靈敏度最好，1+1羅紋次之，2+1羅紋最差。

3) 沿導電針織物縱行方向拉伸時，在線圈橫列數目相同的情況下，縱行數較少的導電織物電阻值較高且靈敏度更好。

在使用針織柔性傳感器監測人體運動姿態或關節運動時，要考慮應用部位的大小和人體正常運動狀態下產生的應變范圍，以選擇合適的導電區域縱行數與織物組織。