三電極系統對機織物厚度和電阻測試的影響

宋小紅 周小蓉 鄭冬明 曾志君 賈高鵬

(1.江西纖維檢驗局，江西南昌，330096；2. 江西省羽絨制品質量監督檢驗中心，江西九江，332020； 3. 鹽城工學院，江蘇鹽城，224051)

目前，各國都規定了材料的表面電阻和體積電阻標準測試方法，織物可參照相關標準進行測試[1-5]。織物電阻與回潮率相關，近些年很多人致力于織物回潮率電阻測試方法和設備的研究[6-8]。由于織物為柔性多孔材料，ZC36型高阻計三電極系統中測試材料表面電阻的圓環電極和圓柱電極壓力較大，該電極系統會使得織物產生較大的壓縮形變，因此測試結果受到電極壓力的影響較大。如果利用四探針法或者插針法測試織物的電阻，電極探針插入織物，織物中纖維間接觸相對疏松，其與探針之間不能保證良好接觸，因此四探針法或插針式測試織物也存在較大誤差[9]。

筆者曾研究過部分針織物的壓縮變形對電阻測試的影響，結果表明：壓縮變形對織物電阻測試有較大的影響，織物原料、織造方式、組織規格等都會對織物的壓縮性能產生較大的影響[10]。

為了尋找適合測試機織物電阻的電極和測試方法，我們設計了一種輕質三電極系統；用該系統測試機織物的壓縮形變以及電阻，并與ZC36型高阻計的原電極測試對比，分析該電極用于測試機織物電阻的可行性。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗織物共4種。

織物1規格：經紗C 19.5 tex紗，緯紗T 111.1 dtex/72 F長絲，經密310根/10 cm，緯密210根/10 cm，織物組織為二上一下右斜紋。

織物2規格：經紗C 22.4 tex×2股線，緯紗C 16.3 tex紗，經密358根/10 cm，緯密260根/10 cm，織物組織為二上一下右斜紋。

織物3規格：經紗T 13.3 tex×2股線，緯紗T 14.8 tex×2股線，經密320根/10 cm，緯密230根/10 cm，織物組織為二上一下右斜紋。

織物4規格：經紗R 14.6 tex×2股線，緯紗R 14.6 tex紗，經密330根/10 cm，緯密310根/10 cm，織物組織為平紋。

1.2 試驗方法

織物表面電阻率和體積電阻率測試示意圖如圖1和圖2所示。將銅箔裁成圓片狀1和圓環狀5貼于圓形支撐板6上，保持圓片銅箔1與圓環銅箔5同面同心。圓片電極1、圓環電極5和圓形支撐電極3按照圖1和圖2的方式與ZC36型高阻計相連接，以測試織物的表面電阻和體積電阻。該輕質三電極系統電極橫向尺寸和試樣準備依據GB/T 1410—2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》。

1-圓片電極；2-織物；3-圓形支撐電極；4-圓環絕緣支撐板；5-圓環電極；6-圓形絕緣支撐板

圖2 織物體積電阻率測試示意圖

1-圓片電極；2-織物；3-圓形支撐電極；4-圓環絕緣支撐板；5-圓環電極；6-圓形絕緣支撐板

1.3 體積電阻率和表面電阻率的計算

1.4 電阻率偏差率和厚度偏差率的計算

2 試驗結果與分析

2.1 電極壓力對織物厚度的影響

測試電極壓力對織物厚度的影響。試驗結果如圖3所示。

圖3 電極壓力對織物厚度的影響

從圖3中可以看出，織物1較為硬挺，電極壓力對織物厚度變化影響不大；除織物1，其他織物的厚度都隨著電極壓力的增大逐漸減小，并隨電極壓力的繼續升高而趨于穩定；織物3和織物4的曲線形態近似；織物2初始厚度較大，曲線形態近似線性，具有較大的壓縮變形量。4種織物在電極壓力的作用下都會產生壓縮變形，壓縮變形量與織物的材質、織物組織規格、紗線結構具有密切的關系。

2.2 電極壓力對織物厚度偏差率的影響

根據測試數據和厚度偏差率計算公式，可以得到電極壓力與織物厚度偏差率之間的關系，如圖4所示。

圖4 電極壓力對織物厚度偏差率的影響

從圖4中可以看出，織物3和織物4的厚度偏差率曲線具有相近的形態，厚度偏差率隨電極壓力的變化應具有近似的壓縮規律。織物1隨著電極壓力的增大表現出較為穩定的厚度偏差率。織物2隨電極壓力的增大近似線性。與圖3不同的是，這4條曲線在初始電極壓力不大時存在一個較小的近似線性變化階段，隨著電極壓力的升高出現拐點；隨著電極壓力的繼續增加，壓縮率緩慢增加。從圖4中還可以看出，在電極壓力較大時，織物1和織物3的厚度偏差率差異達5倍左右。

織物的厚度偏差率-壓力與材料的應力-應變曲線本質應是類似的。從圖4可以看出，織物在電極壓力0 Pa～25 Pa時，表現出織物厚度偏差率隨電極壓力的增加近似線性特征類似于應力-應變曲線的初始模量階段。亦可用厚度偏差率與電極壓力的比值來反映在小壓力作用下，織物沿厚度方向形變的難易能力。4種織物在電極壓力為25 Pa～50 Pa范圍出現拐點，此處表現類似拉伸曲線中的屈服特征。電極壓力在0 Pa～25 Pa時，在壓縮的初始階段織物厚度方向的形變主要表現出纖維之間的有效接觸程度的增大，電極壓力對纖維截面方向形變影響較小；隨著電極壓力的升高，在屈服區域附近，纖維有效接觸程度繼續增大，纖維橫截面形變開始增加，過屈服階段表現出纖維之間的接觸和纖維的形變隨著電極壓力的增大持續增大。從圖4可以看出，不同織物之間初始電極壓力下織物厚度偏差率的曲線斜率都不盡相同，相同電極壓力下斜率大的容易發生壓縮變形。

2.3 電極壓力對機織物電阻率的影響

一般利用ZC36型高阻計測試織物電阻過程中無法獲取材料的壓縮厚度，材料的厚度在測試電阻前測量，待獲得儀器表頭度數后再計算體積電阻率和表面電阻率。

根據圖3和圖4，在電極壓力作用下織物和紗線中的纖維間會產生擠壓，織物的表面形貌會改變，織物內部纖維的接觸狀態會發生改變，因此電極壓力對織物的體積電阻率和表面電阻率的影響是不能忽略的。根據圖4對于不同的機織物在壓縮屈服點附近，機織物中纖維之間的有效接觸程度的增加，與機織物中纖維的形變增加不大，在這個電極壓力范圍內對于較為硬挺的機織物能反映出織物的輕壓厚度同時兼顧織物中纖維之間有效接觸，因此可以利用此電極壓力的極板來測試織物電阻大小。依據以上分析，設計輕質三電極并通過改變電極壓力來測試的機織物表面電阻率和體積電阻率，結果如圖5至圖8所示。

從圖5至圖8可以看出，對于4種機織物試樣，同一織物其表面電阻率要比體積電阻率大。隨著電極壓力的升高，體積電阻率的減幅要小于表面電阻率。越硬挺和輕薄的織物體積電阻率的減幅會更小。在本試驗所用的電極輕壓范圍內，機織物體積電阻率能獲得相對比較穩定的數值。在這個電極壓力范圍內機織物受壓時，纖維之間接觸程度增大比纖維的壓縮變形程度增加會更大一些，因此測試結果反映出在這個輕壓范圍體積電阻率能獲得一個較為穩定的值，并能保證織物并不會過度壓縮。由于表面電阻是反映材料表面薄層的電阻情況，因此材料表面形貌，粗糙情況，表面材料分布等影響更為復雜。因此，這4種機織物表面電阻率情況不盡相同，規律性不甚明顯，但都隨電極壓力的增大有減小的趨勢。

圖5 電極壓力與織物1電阻率關系

圖6 電極壓力與織物2電阻率關系

圖7 電極壓力與織物3電阻率關系

圖8 電極壓力與織物4電阻率關系

2.4 高阻計電極對機織物電阻測試的影響

電極輕壓21 Pa時測試的機織物的厚度和電阻率分別作為初始厚度和初始電阻率。計算不同電極壓力下厚度偏差率和電阻率偏差率。計算結果見表1和表2。

表1 電極壓力30.64 Pa時織物參數

試樣厚度偏差率/%體積電阻率偏差率/%表面電阻率偏差率/%織物1織物2織物3織物40 0 2.631.894.8024.2446.782.0061.1110.5310.207.78

表2 電極壓力2 096.7 Pa時織物參數

試樣厚度偏差率/%體積電阻率偏差率/%表面電阻率偏差率/%織物1織物2織物3織物45.1320.0034.2135.8583.4395.3098.8396.8495.1026.3295.4192.22

從表1和表2可以看出，輕壓30.64 Pa下，4種機織物中厚度偏差最小為零，最大為2.63%，但都不超過10%。體積電阻率偏差率最小為2.00%，最大為46.78%。表面電阻率偏差率最小為7.78%，最大為61.11%；重壓2 096.72 Pa時，4種機織物厚度偏差率最小為5.13%，最大為35.85%，而體積電阻率偏差率最小為83.43%，最大為98.83%，表面電阻率偏差率最小為26.32%，最大為95.10%。

因此，在ZC36型高阻計原電極重壓下，如果不考慮厚度影響，測試結果差異較大。從表1可以看出，在本試驗所用輕壓極板的電極壓力下，測試機織物的體積電阻率能獲得較為穩定和準確的測試結果，而影響因素復雜的表面電阻率測試結果穩定性要差一些。

3 結論

我們用自制的三電極系統研究了極板電極壓力對機織物厚度以及表面電阻率和體積電阻率的影響。通過試驗得出以下結論。

(1)極板對織物的壓縮程度與織物的材質、組織規格、紗線結構有密切關系。硬挺輕薄的織物輕壓下壓縮程度低，重壓下織物壓縮程度較大。在壓縮的初期，壓力較小時，存在類似于初始模量的較為線性的階段，該階段反映出織物在輕壓下壓縮變形難易程度。初始階段后存在較為明顯的屈服階段，該階段表現出電極壓力引起的織物內部纖維壓縮變形的程度增加將逐漸高于纖維之間的有效接觸的增加。

(2)屈服階段前的輕壓能使得織物中纖維有效接觸，又能兼顧織物厚度不會產生較大改變，因此本試驗的輕質極板壓力對測試的4種機織物能獲得較為穩定和準確的體積電阻率。表面電阻率穩定性和準確性相對稍差一些。

(3)與ZC36型高阻計測試結果對比后發現，除非織物非常致密、硬挺和輕薄，對于普通織物用該電極測試體積電阻率和表面電阻率誤差將高達90%。