经编导电织物弹性对传感性能的影响

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　　摘要： 为探讨经编导电织物弹性与传感性能的关系，将镀银基锦纶纱线作为导电纱线分别与氨纶包覆纱线和氨纶裸丝在特里科经编机上交织，制备了具有不同弹性的3种经编导电织物。测试了3种织物在一定拉伸范围内的应力大小与电阻变化，并根据实验数据计算出弹性性能和静态评价指标，得出弹性与传感性能的关系。结果表明：弹性导电织物的电阻随应变呈线性变化，原料越粗则电阻变化的速度越快;弹性模量随着织物弹力的增大而减小，弹性伸长与织物弹力的大小成正相关;在中小应变范围内，弹性模量越低、弹性伸长越大的导电织物传感性能越优。
　　关键词： 经编;导电织物;弹性模量;弹性伸长;静态评价;传感性能
　　中图分类号： TS186.1文献标志码： A文章编号： 10017003（2020）02002506
　　引用页码： 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
　　隨着科技的进步与发展，传统的硬质电路难以满足发展需求，针织柔性传感器作为智能服装与智能柔性材料的重要载体而受到广泛关注[1]。目前对于针织柔性传感器的研究大多集中在纬编针织结构，如纬平组织、罗纹组织、提花添纱组织结构等[24]，但是在经编织物方面研究较少。导电织物的电学性能研究也大多基于电阻式应变传感器，讨论电阻与应变间的传感关系。并且对导电织物弹性与传感性能的研究，也主要集中于从原料角度分析弹性纤维和单独讨论织物弹性性能[5]，很少有从多方面综合评价弹性导电织物传感性能的研究。弹性导电织物在拉伸过程中，纱线的长度变化引起的长度电阻与纱线间接触产生并联引起的接触电阻，均会导致织物的总电阻发生变化[6]。经过对文献[79]的整理与分析，本文将传感器性能采用的静态指标灵敏度、线性度、回复性和滞后性作为主要指标进行计算与评定。
　　为了探究不同弹性下的经编导电织物在中小应变下的传感性能，本文将选取镀银锦纶作为导电纱线，采用氨纶包覆纱（20氨/50涤）和氨纶裸丝（惠利氨纶制品厂）分别作为弹性纱线，通过交织以制得3种不同弹性的经编织物。通过实验测试与分析，探讨弹性导电织物在20%应变范围下弹性与传感性能之间的关系，为纺织柔性传感器的设计与制备提供经验和参考。 　　1实验
　　1.1经编柔性传感器的制备
　　镀银纤维在可编织性、弹性、舒适性等方面都优于不锈钢纤维[10]，是当前织制导电织物的主要原料[11]，研究表明，鍍银锦纶整体力学性能虽略低于普通涤纶长丝，但是仍满足正常的编织要求，且其导电性能与金属导电性能一致。为了解经编导电织物弹性与传感性能的关系，将氨纶包覆纱和两种不同粗细的氨纶裸丝分别与镀银基锦纶纱线在特里科经编机上编织得到A、B和C。其中氨纶包覆纱在HKS 4E高速经编机（佶龙机械有限公司）上编织，氨纶裸丝在HKS23E高速经编机（佶龙机械有限公司）上编织，在编织过程中并未出现异常情况，氨纶及镀银纱线均表现出良好的可编织性。织物均采用相同组织GB1：10/23//，GB2：12/10//。织物规格如表1所示，拉伸后的织物状态如图1所示。
　　1.2性能指标测试
　　评价氨纶织物弹性性能的重要指标有弹性伸长率、弹性回复率和弹性模量。弹性伸长率是指在一定外力下，织物拉伸后达到的长度与其原来长度的百分比值[12]。弹性回复率指织物在去除拉伸外力之后回缩的程度[13]。弹性模量指织物受外力拉伸后，其应力与应变之比，可用拉伸曲线上某点对应的正切值表示。本文将从以上3个指标来分析导电织物的弹性性能。
　　评价传感器的传感性能主要静态指标有灵敏度、线性度、滞后性与重复性。灵敏度是应变传感织物的灵敏性到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比，表示在拉伸应变过程中电阻随应变的变化速度。
　　K=ΔR/R0ΔL/L0（1）
　　式中：K为应变传感织物的灵敏性;R0为应变传感织物的初始电阻值;ΔR为初始电阻与拉伸状态下的电阻值之间的差值;R0为应变传感织物的初始长度;ΔL为初始长度与拉伸状态下的长度之间的差值。
　　线性度是指传感器的电阻与应变间成线性关系的程度，用电阻应变曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔθL与电阻应变曲线最大应变的电阻值间的比值来表示。
　　L/%=ΔθLYFS×100（2）
　　式中：L为线性度;ΔθL为电阻应变曲线与拟合直线之间的最大偏差值;YFS为最大拉伸状态下的的电阻值。
　　滞后性是应变传感织物在拉伸与回复电阻应变曲线的不重合程度的指标。本文采用应变传感织物在拉伸与回复电阻应变曲线的最大差值ΔθH与电阻应变曲线最大应变的电阻值间的比值来表征。
　　H/%=ΔθHYFS×100（3）
　　式中：H为滞后性;ΔθH为回复电阻应变曲线之间的最大差值。
　　重复性是表示应变传感织物在相同条件下，多次拉伸测试时的电阻变化回复的一致程度。
　　Effect of warpknitted conductive fabric elasticity on sensing performance经编导电织物弹性对传感性能的影响1.3应变传感性能实验设计
　　1.3.1测试准备
　　测试仪器：VICTOR4105A型低电阻测试仪（深圳市驿生胜利科技有限公司）和YG0260D型多功能电子织物强力仪（温州大荣纺织仪器有限公司）。
　　测试标准：实验采用目前最常用的测试标准，ASTM D4964—2008《弹力织物弹性及伸长测试标准》。
　　1.3.2测试步骤
　　1）所有样品实验均在温度（21±1）℃，相对湿度65%±2%的标准环境下进行。
　　2）在测试3种弹性织物电阻时，织物夹持隔距为100mm，织物每纵向拉伸2mm稳定后记录拉伸应力值和电阻值，完成20%的拉伸应变后，用Origin 8.0数据分析软件将得到的数据进行拟合，得到应力和电阻随应变变化的曲线;对3种导电织物在应变为20%范围内进行5次反复的拉伸与回复测试，得到织物拉伸电阻变化曲线。
　　3）弹性回复率由实验数据计算得出，再由弹性模量计算应力应变曲线的初始模量。将织物在200mm/min速度下拉到5N力后，按原速度降低至拉伸力为0，重复该过程两次，记录第三次测试的弹性伸长率。
　　传感器静态指标灵敏度、线性度与滞后性由实验数据结合公式计算得出，重复性由5次匀速拉伸导电织物到20%长度，得到的电阻随拉伸回复的变化曲线来评价。
　　2结果与分析
　　2.1电力学性能
　　根据实验数据，得出弹性导电织物应力应变曲线如图2所示，弹性导电织物电阻应变曲线如图3所示，弹性导电织物回复电阻随应变的变化曲线如图4所示。
　　从3种弹性导电织物在20%的拉伸下拟合的曲线中可以看出，各项测试的拟合关系数R2数值均趋向于1，表明回归函数对测试值的拟合程度较好。
　　从图2可以看出，包氨弹性经编导电织物A应力随应变的增加呈二次函数上升的关系;裸氨弹性经编导电织物B和C应力随应变的增加呈线性上升的关系。这是由于导电织物A、B和C的弹性纱线性质不同，导致三者应力随应变变化速度不同，变化速度随纱线弹性呈反比。氨纶包覆纱线可拉伸范围小，纱线弹力随着应力增大逐渐接近极限，同时存在织物间的相互作用，导致织物变化所需外力逐渐增大。
　　在图3电阻与应变的变化曲线中，3种弹性导电织物的电阻随应变均呈线性变化的关系。包氨弹性织物A的电阻随应变的增加显著降低，裸氨弹性织物B和C电阻随应变的增加而增加。这是因为弹性纱线增大了织物成品密度，织物纵向拉伸导致密度减小，相同层面线圈与线圈间接触随应变增大而变少，该因素有导致织物电阻增大的趋势;而氨纶包覆纱线由于弹性不足，虽然同层面纱线接触略微变少，但是此时作为主导因素的相邻层面纱线上下线圈间、线圈与延展线间接触面积增大，导致织物电阻减小。在裸氨织物中，纱线初始密度更大，拉伸过程中密度变化更为显著，同层面纱线间接触变化更为显著，此时同层面线圈间接触面积引起的接触电阻为主导因素，接触面积随应变的增加而减少从而接触电阻上升，导致织物总电阻上升。其中裸氨弹性织物C由于原料纱线较粗，电阻初始值较高，纱线间接触的变化范围将更大，所以电阻随应变的增加而上升的变化速度更快。 　　从图4可以看出，弹性导电织物在往复拉伸下，电阻与拉伸次数及拉伸距离的变化关系。由图4（a）可见，3种导电织物在多次拉伸后总体上均表现出良好的回复性能，往复电阻变化呈稳定的线性上升或下降的趋势。图4（b）（c）（d）各自表现出3种织物在多次拉伸下的电阻变化，可以看出，3种织物在多次拉伸后，总体电阻均有轻微减小的趋势。这是因为弹性织物受力拉伸后纤维大分子链受到拉伸，大分子键长伸长、键角增大。但是由于是在20%的中小拉伸范围内，仅存在无定型区中大分子链克服次价键力而拉伸伸直，并不影响整个大分子链的完整性。3种织物拉伸后电阻值与长度均能回复到初始位置，因此表现为3种弹性织物基本具有良好的拉伸回复性能。
　　2.2弹性织物指标
　　经过实验测试和公式计算，得到的导电织物弹性性能和静态评价指标如表2所示。
　　由表2可直观看出，在20%的中小应变范围内，3种弹性大小不同的织物在撤销外力后都能回复到初始位置，可不用考虑弹性回复对导电织物传感性能的影响。纱线性质不同导致织物弹力大小不同。弹性模量随着纱线弹力的增大而减小，弹性伸长与纱线弹力的大小成正相关的关系。其中由于氨纶包覆纱线的弹性远小于裸氨纱线的彈性，导致导电织物A的初始弹性模量大于导电织物B与C，且随应变增大织物A的弹性模量显著增大。
　　根据所得到的弹性织物各项指标数据，将弹性与传感性能结合并用数据分析软件进行拟合，得到弹性模量对传感性能的关系曲线，如图5所示;得到弹性伸长对传感性能的关系曲线，如图6所示。
　　由弹性导电织物弹性性能与传感性能的关系曲线可得出，弹性模量和弹性伸长对柔性传感器的传感性能有直接影响。其中，导电织物的灵敏度与弹性模量呈负相关，与弹性伸长呈正相关;导电织物的线性度与弹性模量呈正相关，与弹性伸长呈负相关;导电织物的滞后性与弹性模量呈正相关，与弹性伸长呈负相关。从图5、图6可知，在中小拉伸应变内滞后性对导电织物传感性能的影响较小。并且由图4能够很直观地看到，3种应变传感织物经过在反复拉伸之后均能回复到初始位置，且电阻值基本可以回复到原始电阻的大小，表明3种弹性织物回复性能良好，基本满足弹性传感器所需重复性。
　　在传感性能的评价中，灵敏度越高、线性度越小、滞后性越低、重复性能越好的导电织物传感性能越优。相对的，由上述实验能够得出：在中小应变范围内，弹性回复对其影响较小，弹性模量越低、弹性伸长越大的导电织物传感性能越优。
　　3结论
　　1）在20%的中小拉伸应变内，弹性导电织物拉伸应力与应变呈正相关，包氨导电织物应力随应变的变化速度要显著大于裸氨弹性经编导电织物;包氨弹性织物电阻随应变的变化显著降低，裸氨弹性织物电阻随应变的增加而增加。且裸氨弹性导电织物的电阻随应变呈线性变化，更适合做柔性传感器的原材料。裸氨弹性织物的原料越粗，电阻初始值越高，电阻随应变变化的速度更快。
　　2）在20%的中小拉伸应变内，弹性回复对弹性导电织物传感性能的影响较小，弹性模量随着织物弹力的增大而减小，弹性伸长与织物弹力的大小成正相关。包氨导电织物的弹性模量显著大于裸氨导电织物。
　　3）在所织3种弹性导电织物中，织物C的传感性能最好。弹性导电织物在20%的中小拉伸应变过程中，弹性性能对其传感性能有直接影响。导电织物的灵敏度与弹性模量呈负相关，与弹性伸长呈正相关;导电织物的线性度与弹性模量呈正相关，与弹性伸长呈负相关;导电织物的滞后性与弹性模量呈正相关，与弹性伸长呈负相关，滞后性的影响较小;裸氨导电织物的重复性优于包氨导电织物。在中小应变范围内，弹性回复对其影响较小，弹性模量越低、弹性伸长越大的导电织物传感性能越优。
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　　收稿日期： 20190417; 修回日期： 20191210
　　作者简介： 张一鸣（1996），男，硕士研究生，研究方向为智能纺织品与智能材料。通信作者：缪旭红，教授，miaoxuhong@163.com。
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