不銹鋼絲/桑蠶絲復合導電紗的制備與性能研究

張魯燕 楊瑩瑩 侍康妮 祝成炎 田偉

摘要： 為開發柔性傳感器用高性能導電紗，文章采用包纏工藝將不銹鋼絲與桑蠶絲進行包覆，制備了8種不銹鋼絲/桑蠶絲復合導電紗，研究了芯紗、外包紗規格對復合導電紗的表觀形態結構、力學性能和表面摩擦性能的影響，并通過測量定速拉伸過程中電阻的變化分析其導電性能。結果表明：在制備的8種復合導電紗中，直徑為0.035mm不銹鋼絲與88.9dtex桑蠶絲包覆得到的復合導電紗條干均勻度最好，復合導電紗的斷裂強度較好，表面摩擦系數最小，靈敏度最大。綜合分析復合導電紗的各項性能，得出直徑為0.035mm不銹鋼絲與88.9dtex桑蠶絲包覆得到的導電紗性能最好。

關鍵詞： 不銹鋼絲;條干均勻度;力學性能;摩擦系數;導電性能

中圖分類號： TS102.64

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2019）03-0001-06

引用頁碼： 031101

Study on preparation and properties of stainless steel wire/silk composite conductive yarn

ZHANG Luyan， YANG Yingying， SHI Kangni， ZHU Chengyan， TIAN Wei

（a. College of Materials and Textiles Silk Institute; b. Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，

Ministry of Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to develop the high-performance conductive yarn used for the flexible sensor， eight kinds of stainless steel wire/silk composite conductive yarns were prepared by wrapping technology. The effects of core yarn and cladding yarn specifications on the apparent morphology， mechanical properties and surface friction properties of the composite conductive yarns were studied and the conductivity was analyzed by measuring resistance changes in the process of constant-speed stretching. The results show that among eight kinds of composite conductive yarns， the composite conductive yarn coated by the stainless steel wire with diameter of 0.035mm and 88.9dtex silk has the best yarn evenness. In addition， the breaking strength is good， the surface friction coefficient is the lowest， and the sensitivity is the best. By synthetically analyzing the properties of composite conductive yarn， it is concluded that the composite conductive yarn coated with 0.035mm stainless steel wire and 88.9dtex silk has the best properties.

Key words： stainless steel wire; yarn evenness; mechanical properties; friction coefficient; conductivity

收稿日期： 2018-06-27;

修回日期： 2019-01-10

作者簡介： 張魯燕（1993），女，碩士研究生，研究方向為蠶絲產品的開發。通信作者：祝成炎，教授，cyzhu@zstu.edu.cn。

近年來，智能服裝已廣泛應用于航空航天、軍事、健康護理及監測等領域，并越來越受到人們的關注[1]。紡織服裝可以大面積覆蓋在人體上，除了比其他材料具有更好的柔軟性、舒適性外，還具備靈活地嵌入傳感器等優勢，因此它是作為傳感器的絕佳載體[2]。智能服裝系統集成了通訊元件、傳感器、微型計算機等裝置，傳感器能實現信息的快速儲存與處理，是實現智能化的關鍵[3-4]。通過紡織材料來制作傳感器可以與紡織服裝更好地融合為一體，其中常用的紡織材料為導電纖維[5]。為了提高融合了信息技術和紡織技術的智能紡織品等產品性能，高性能導電紗線和織物的開發成為了當前的研究熱點之一[6]。

目前，針對智能服裝柔性傳感器的導電材料，多集中在涂覆型導電纖維及金屬纖維與普通纖維的混紡研究[7-9]，但織物的柔軟性、舒適性等服用性能并不理想。金屬擁有優良的導電性能，不銹鋼絲兼具纖維的柔軟性和金屬的導電、導熱、耐腐蝕等性能，是理想的導電纖維，但金屬纖維較差的抱合力和可紡性限制了它的發展，因此金屬絲常與滌綸纖維混合編織制備導電針織物[10-11]。在天然纖維中，桑蠶絲因柔和的光澤、軟糯的手感及優良的吸濕透氣性得到消費者的青睞。本文選用2種不同規格的不銹鋼絲、4種不同規格的桑蠶絲作為芯紗與外包紗，采用包纏工藝開發出8種不銹鋼絲/桑蠶絲復合紗，在獲得穩定的傳感性能和改善單獨的金屬絲在織造過程中勾絲、易斷、磨損等問題同時，使紗線織造的機織物或者針織物又兼具桑蠶絲良好的服用性能[12]。通過研究包纏工藝對復合紗形態結構、力學性能、摩擦性能和導電性能的影響，測試復合導電紗在拉伸過程中電阻的變化，分析結構參數對其靈敏度的影響，為復合導電紗在后期柔性傳感器的制備及其在智能紡織品領域的應用提供理論依據。

1實驗

1.1材料與儀器

材料：為保證織物柔軟舒適等服用性能，選用直徑分別為0.021mm（25.6dtex）、0.035mm（78.8dtex）的不銹鋼金屬長絲（萊蕪龍志金屬紗線有限公司），線密度規格分別為44.4、88.9、130.0、177.8dtex的4種常見桑蠶絲（金富春絲綢科技股份有限公司）。

儀器：JKV 260/240空心錠子包覆機（中國人民解放軍第四八零六工廠），KSZX真空定形快速蒸箱（江蘇佳聯華機械制造有限公司），XY218倒筒機（浙江新亞紡織機械有限公司），LEICA DM2700P偏光顯微鏡（北京中輝徠博儀器有限公司），XL-2型紗線強伸度儀（上海利浦應用科學技術研究所），LFY-110型紗線動態摩擦系數測定儀（山東省紡織科學研究院），VICTOR VC890C+數字萬用表（深圳市驛生勝利科技有限公司），INSTRON 3369型電子萬能材料試驗機（英斯特朗試驗設備貿易有限公司）。

1.2復合導電紗的制備

分別采用不同直徑的2種不銹鋼絲為芯紗，不同線密度的4種桑蠶絲為外包紗，在空心錠子包覆機上制備8種不同規格的復合導電紗。其中復合工藝參數為：包覆速度13970r/min，錠速13880r/min，捻度1750捻/m，捻向采用Z捻，張力0.4g。將包纏紗用真空定形快速蒸箱定型，再倒筒后即得到如表1所示8種不銹鋼絲/桑蠶絲復合導電紗。

1.3性能測試

1.3.1復合紗表面形態分析

將置有復合紗的載玻片放在LEICA DM2700P偏光顯微鏡的載物臺上，先用低倍鏡找到目標并移到視野的中心，然后轉換使用高倍鏡，調整觀察的亮度、放大倍數等參數后得到清晰的復合紗表面形態圖片。在Photoshop中打開復合紗表面形態圖，在不同部位測量紗線的屈曲波高5次，記錄測試結果并取平均值。

1.3.2復合紗強伸性測試

在紗線性能測試之前，先將制備的復合紗試樣置于溫度20℃、相對濕度65%的標準溫濕度條件下調濕24h至平衡。根據GB/T3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定（CRE法）》的測試規定，設置測試的參數分別為：夾距200mm，試樣的拉伸速度100mm/min，預加張力0.05cN/dtex。在纖維強伸度儀上測試8組試樣的強伸性，每個試樣重復測試20次，記錄測試結果并取平均值。

1.3.3復合紗摩擦性能的測試

將試樣置于標準環境中調濕24h后，將復合紗不斷地喂入LFY-110型紗線動態摩擦系數測定儀的滾動輥，與摩擦體穩定摩擦，進行摩擦系數的測定。根據標準ASTM D3108—2001《紗線與固體材料之間摩擦系數的標準試驗方法》的測試規定，設置測試的參數分別為：測試速度100m/min，時間6s，包角90°，初張力20cN。在紗線動態摩擦系數測定儀上測試每個試樣的摩擦系數，每個試樣重復測試20次，記錄測試數據并計算平均值。

1.3.4復合紗導電性能的測試

測試前，將各試樣放置在標準環境中靜置24h。為避免儀器短路，將INSTRON 3369型電子萬能材料試驗機的常用夾頭內側放入具有絕緣作用的橡膠片。測試時設置夾距100mm，采用電阻較低、厚度超薄的銅片為導出電極，將試樣和銅片一頭固定在夾頭內側，用VICTOR VC890C+數字萬用表的夾頭夾住銅片的另一頭測出初始電阻R0并記錄。以拉伸速率為15mm/min拉伸，每拉伸1mm時暫停強力儀，每個試樣拉伸10mm，同一種復合紗測試10次，記錄每次拉伸下的電阻值并計算平均值。

復合導電紗可以感受材料內外部的刺激，并隨之產生響應，實現電信號的探測和傳輸，因此復合紗的電信號響應精度可評價其傳感性能。靈敏度是衡量柔性傳感器測試精度的重要指標之一，靈敏度系數（gauge factor， GF）可以用來表征在拉伸作用下復合導電紗電阻變化的靈敏度，計算公式如下：

GF=ΔR/R0ε=R-R0/R0ε（1）

式中：ΔR為拉伸前后電阻的變化量，Ω;R0為拉伸前復合紗的電阻，Ω;R為拉伸后復合紗的電阻，Ω;ε為復合紗的伸長率，%。

2結果與分析

2.1復合紗形態結構分析

通過對不銹鋼絲/桑蠶絲復合紗在顯微鏡下的微觀結構觀察可評價復合紗的成型結構、條干均勻度，不同規格的復合紗的形態結構分別如圖1所示。屈曲波高是指紗線屈曲波的波峰與波谷之間的垂直距離，復合紗的成型結構可用屈曲波高來表征，測試示意如圖2所示。

圖1復合導電紗的形態結構（×400）

Fig.1Morphology and structure of composite conductive yarn（×400）

圖2紗線屈曲波高

Fig.2Buckling wave height of yarn

圖1中顏色較深的紗線為不銹鋼絲芯紗，顏色較淺的紗線是為桑蠶絲外包紗。分別測量每個試樣的屈曲波高OA長度，其大小分別為0.126、0.115、0137、0.143、0.105、0.01、0.139、0.262mm，即試樣屈曲波高的大小排序為：8#>4#>7#>3#>1#>2#>5#>6#。復合紗3#、4#、7#和8#的芯紗和外包紗的復合貼合度較好，但是芯紗產生了不同程度的扭曲，屈曲波高較大，這可能是由于外包紗線密度為177.8dtex和130.0dtex時，芯紗與外包紗線密度相差太大導致復合紗的條干均勻度較差;復合紗1#的芯絲與外包紗之間產生縫隙，屈曲波高比復合紗2#、5#和6#大，明顯的露芯現象是由包纏工藝中氣圈的大幅變化引起復合點的上下波動造成的，這種紗線在織造過程中易導致不銹鋼絲的勾絲;復合紗5#和6#的復合效果較好，其中復合紗6#的芯紗平直，外包紗連續均勻纏繞在芯紗外面，紗線條干均勻度相對其他復合紗來說最好。

2.2復合紗的力學性能分析

在織造過程中，紗線與紗線、機械部件會接觸摩擦和彎曲，為了保證順利地織造減少斷頭，復合紗需要有良好的力學性能。不銹鋼絲/桑蠶絲復合紗和原料的力學性能測試結果如表2、表3所示。

由表2和表3可知，當芯紗不銹鋼絲的線密度相同時，復合紗的斷裂強度與外包紗桑蠶絲的線密度呈負相關關系，外包紗線密度越大，復合紗斷裂強度越小。不銹鋼絲的斷裂強力隨著線密度的增大而增大，但是當芯紗線密度相同時，復合紗線密度的增幅速度比斷裂強力快，故斷裂強度反而降低。對比復合紗斷裂強度與桑蠶絲的斷裂強度，可發現復合紗的斷裂強度較小，這是因為復合紗包纏工藝中的加捻會使紗線中纖維傾斜程度加大，承受軸向上的拉力有效分力降低導致強力下降。

當桑蠶絲線密度小于130.0dtex時，復合紗斷裂伸長率隨著外包紗線密度的增加而增加，此時再增加外包紗線密度，斷裂伸長率減小，且不銹鋼絲為0035mm時復合紗的下降幅度較0.021mm大。紗線的捻系數是衡量不同粗細紗線的加捻程度，捻系數與圖3中捻回角的正切值（tanβ）成正比[13]。而當外包紗線密度為177.8dtex時，由圖1可知紗線的捻回角增大，即復合紗的捻系數較大，紗線中纖維的傾斜程度和伸長變形較大，且條干均勻度較差，紗線中纖維斷裂伸長率減小。

圖3紗線捻系數

Fig.3Yarn twist factor

2.3復合紗摩擦性能分析

紗線表面粗糙程度在一定程度上決定織物交織阻力的大小，從而影響織物風格手感，當交織阻力越大時手感越硬。為了提高可穿戴柔性傳感器的使用性能，傳感器需要具有柔軟性和高舒適性的特點。不銹鋼絲/桑蠶絲復合導電紗的摩擦系數測試結果，如圖4所示。

圖4復合導電紗表面摩擦系數

Fig.4Friction coefficient on the surface of

composite conductive yarn

由圖4可知，復合紗6#紗線表面摩擦系數最小，結合復合紗的微觀形態結構可知該復合紗的桑蠶絲均勻包纏復合在芯紗外面，紗線條干均勻度較好，故復合紗的摩擦系數最小，由該紗線織成的織物手感最柔軟。當外包紗線密度為130.0、177.8dtex時，后者的屈曲波高較前者大，后者的紗線條干程度最差，表面摩擦系數也最大。

2.4復合紗的導電性能分析

為探究復合紗在拉伸變形條件下的電信號響應靈敏性，本文記錄了復合紗拉伸至10%時的11個電阻值，復合紗的導電靈敏度與線密度、伸長率的關系，如圖5所示。

圖5復合紗的導電性

Fig.5Conductivity of composite yarn

由圖5（a）可以看出，所有復合紗伸長率為10%時的靈敏度GF值大小排序為：8#<4#<7#<3#<1#<2#<5#<6#。在外包紗桑蠶絲線密度相同情況下，復合紗的靈敏度GF值隨外包紗線密度的增大呈先增加后減小的趨勢，其中復合紗5#的靈敏度系數比復合紗1#高0.76，復合紗6#的靈敏度系數比復合紗2#高0.93，而復合紗3#和7#、4#和8#的靈敏度系數相差較小。根據靈敏度系數的公式可知，圖5（b）中的斜率即代表靈敏度系數，從中也可以發現相同的靈敏度排序規律。因此通過分析可以發現靈敏度系數跟紗線的包覆結構有關，復合紗的包覆結構越好，靈敏度系數越高，靈敏性特征越顯著;反之當復合紗的包覆效果較差時，則靈敏性特征越不明顯。在所有試樣中，復合紗5#和6#的包覆效果最好，不銹鋼絲芯紗較為平直，當復合紗受到拉伸時產生的電響應最為明顯。而復合紗4#和8#的屈曲波高最大，不銹鋼絲在復合紗包覆結構中扭曲程度較嚴重，當紗線受到拉伸時，不銹鋼絲芯紗先改變不銹鋼絲在復合紗中傾斜狀態，因此產生的電響應較不明顯。

3結論

復合紗的芯紗和外包紗分別采用直徑為0.035mm的不銹鋼絲、線密度為44.4dtex和88.9dtex的桑蠶絲時，復合紗成形質量較好，芯紗平直不傾斜，外包紗均勻纏繞在芯紗外側。當芯紗的線密度相同時，復合紗斷裂強度與外包紗的線密度有關，外包紗的線密度越大，復合紗的斷裂強度越小，斷裂伸長率則受到復合紗的外包紗線密度和條干均勻度的綜合影響;桑蠶絲線密度為177.8dtex的復合紗條干不均勻，紗線的表面摩擦系數越大，紗線條干均勻度越好，表面摩擦系數越小;復合紗的復合結構越好，它的導電性能更優，復合結構不理想的芯紗在紗線中呈傾斜狀態，靈敏性則較差。

根據復合紗形貌結構、強伸度、摩擦性能和導電特性結果可知，由芯紗為0.035mm的不銹鋼絲、線密度為88.9dtex的桑蠶絲包覆得到的復合紗綜合性能較好，更適合作為柔性傳感器的導電紗。

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