纬编针织柔性传感器结构及其导电性能

蔡倩文， 王金凤， 陈慰来

(浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018)

纬编针织柔性传感器结构及其导电性能

蔡倩文， 王金凤， 陈慰来

(浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018)

为探讨纬编针织柔性传感器结构及其导电性能，通过将镀银纤维、不锈钢微丝、铜纤维、铜丝等5种导电纤维与粘胶及弹力锦纶/氨纶包芯纱在电脑横机上混织，用以制备纬编针织柔性传感器，并对所织柔性传感器进行不同纵行不同横列的导电性能测试。结果表明：所选导电纤维(金属丝)具有一定的可编织性；根据柔性传感器局部电阻实测数据，其规律与文献建立的电阻六角模型计算较为吻合，且同时适用于5种导电纤维试样，能更好地进行柔性传感器的理论分析，从而开发价格合理、性能优异的针织柔性传感器。

导电纤维； 金属丝； 纬编； 柔性传感器； 导电性能

2015年初召开的博鳌亚洲论坛给人们描绘了一幅未来智能医疗的愿景——通过可穿戴医疗设备收集数据、管理健康、诊治疾病。同时，Apple Watch等产品的发布，智能穿戴市场逐渐被人们所熟知。从戴头上的“脑电波监控发带”到穿脚上的“灵敏袜子”等，越来越多的企业致力于开发智能纺织品。

导电织物传感器代表一类智能纺织品，近年来受到广泛的重视。而针织物具有良好的穿着舒适性及可灵活衬入传感器等优点，十分适合作为传感器的载体。国内外目前关于织物组织结构电阻式应变柔性传感器的研究基本上都是基于针织结构[1-2]。同时，金属导电纤维具有良好的导热性、导电性、柔韧性和耐腐蚀性等[3]，其导电性能接近于纯金属。如镀银纤维作为一种功能纤维，具有独特的抗菌除臭，防电磁波辐射，抗静电，调节体温等功能[4]。因此，本文首先对镀银纤维、不锈钢丝、铜纤维、铜丝这些导电纤维(丝)进行性能测试；将这些导电纤维与粘胶纤维、弹力锦纶/氨纶包芯纱一起，在电脑横机上分别混织平纹、罗纹组织织物；再对所得柔性传感器进行导电性能测试。通过分析比较，以期为后续开发研究提供理论参考。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

材料：锦纶基镀银纤维长丝(77、111 dtex 2种)、77 dtex铜纤维、77 dtex不锈钢微丝、111 dtex铜丝、弹力锦纶/氨纶包芯纱(锦纶线密度20 dtex，氨纶线密度30 dtex、123 dtex粘胶纤维。

仪器：XL-2纱线强伸度仪、VICTOR-VC890C+数字万用表、SteREO Discovery.V20蔡司体视显微镜、JSM-5610LV扫描电子显微镜、绍兴越发YF132B-XG-Ⅲ电脑横机。

1.2 性能测试

1.2.1 导电纤维强力测试

将5种导电纤维静置在温度为(22±2) ℃、相对湿度为(65±5)%条件下调湿24 h后，使用XL-2型纱线强伸度仪，分别测试50根试样的数据，取平均值。

1.2.2 导电纤维导电性能

将5种导电纤维静置在温度为(22±2) ℃、相对湿度为(65±5)%条件下调湿24 h后，将一定长度(>20 cm)的各类纤维顺直自然地放置在绝缘木板上，两端用绝缘胶带固定，使用VICTOR-VC890C+数字万用表分别测定20 cm不同单位长度的电阻值。测试结果为10次平均值。

1.2.3 电脑横机编织

使用5种导电纤维分别与弹力锦纶/氨纶包芯纱、粘胶纤维在E14的电脑横机上制备纬平针和满针罗纹柔性传感器，其中编织平针柔性传感器时的前纱嘴使用粘胶纤维，后纱嘴使用导电纤维，从而柔性传感器正面呈现导电纤维，反面则为粘胶纤维。1.2.4 柔性传感器透气性能测试

在湿度为60%、温度25 ℃的条件下，通过上述织得的10种试样，使用YG461E型织物透气量仪，每次测量试样不同位置，共10次，取数据平均值。其中试样面积为20 cm2，试样压差为100 Pa，自动更换喷嘴。

1.2.5 柔性传感器导电性能测试

针对10种试样，用钩针拆出指定区域内的导电纤维，保留其中的40个横列，40个纵行。将拆出的导电纤维并股，使用VICTOR-VC890C+数字万用表分别测40个纵行，10、20、30、40横列的电阻。图1示出织物分拆局部示意图。

2 结果与讨论

2.1 原料的各项性能

通过扫描电镜观察、强力测试，可得到各导电纤维单纤直径、复丝根数及强力等材料特性，结果如表1所示。

表1 纤维材料特性Tab.1 Fibers characteristics

表中，镀银纤维为锦纶基镀银长丝，铜纤维是利用硫化铜微粒子合成物沉积到锦纶原丝制成。从表可看出，111 dtex镀银纤维强力较大，相对于77 dtex镀银纤维，其线密度较大，受外力拉伸到断裂时所需要的力也就较大。

不锈钢丝及铜丝都是经高科技拉丝处理制成，股数仅为1，故单丝强力远远不如其他的导电纤维。它们在小负荷作用下不易变形，即材料的刚性较大，故所织织物的柔性较差，但其具有较好的伸长率，织成的面料具有金属光泽。

2.2 金属纤维的导电性能

选取了1～20 cm不同单位长度的导电纤维，测得5种纤维的电阻值如图2所示。同时利用Origin8.5对所测数据进行拟合，黑实线为其线性拟合曲线。数值已剔除万用表导线电阻0.8 Ω。

从图中可看出，5种纺织用导电纤维电阻均随长度的增加呈线性增加，与金属导电性能一致。

金属导体其电阻与导体长度的关系式为

式中：ρ为导体的电阻率，Ω·cm；L为导体的长度，m；S为导体的横截面积，m2。设上述式中ρ/S为K，则该式可写成R=KL。

由上述公式以及实验数据所得，线性导体的电阻与其长度成正比，利用Origin8.5得到的拟合数据如表2所示。

表2 所用纤维电阻拟合数据及电阻率Tab.2 Resistance fitting data and resistivity of fibers

通过扫描电镜观察，可得到各导电纤维单纤直径及F数，利用下式计算各纤维的截面积S得以计算电阻率。

由表2可知，相关系数R2的值趋向1，表明回归直线对观测值的拟合程度越好。一般来说，金属导体电阻与其长度成正比而与截面积成反比[5]。实测显示，5种导电纤维的电阻随着单位长度的增加而呈线性增加，截面积较大的111 dtex镀银纤维的电阻小于77 dtex镀银纤维。111 dtex镀银纤维、111 dtex铜丝的残差平方和较小，故其拟合程度也越好。77 dtex不锈钢微丝及111 dtex铜丝是由纯金属丝拉丝制成，故其较镀银及铜纤维表现出较低电阻率，具有较好的导电性能。纯铜材料电阻率接近1.75×10-6Ω·cm，而纯银材料电阻率为1.65×10-6Ω·cm，镀银纤维中银的质量分数占比40%左右，根据实测数据，锦纶基镀银纤维还能表现出良好的导电性。由于铜纤维是利用硫化铜粒子的合成物沉积到锦纶原丝而制成，且通过EDS元素分析铜含量占比较少，其电阻率较大，但对比一般表面包覆型和成分复合型导电纤维约102～105Ω·cm的比电阻，铜纤维还是具有良好的导电性能。

2.3 柔性传感器的编织

交织和并线适合于各类金属长丝在织物上的应用[6]。故采用机号为E14绍兴越发电脑横机，5种导电纤维(丝)分别与弹力锦纶/氨纶包芯纱和粘胶纤维共同编织平纹、满针罗纹共10块柔性传感器试样，试样3、4实物图如图3所示。其中，在电脑横机上试织铜丝导电织物时，由于铜丝自身的特殊性使其无法正常在筒子上退绕，编织时陆续出现滑落成团现象；同时在横机上织造时，即便对各类参数进行调整，仍存在严重的断纱、织物破洞、机器绞纱等问题。故最终111 dtex铜丝柔性传感器试样选择在14针国产红旗马手摇横机上织造，并将强力更大的玉石改性聚酯纤维替换粘胶纤维织得，对后续的导电性能研究影响不大。所用导电纤维柔性传感器编号及工艺参数如表3所示。

试样编号组织结构横密/(纵行·(5cm)-1)纵密/(横列·(5cm)-1)总密度/(线圈·(25cm2)-1)导电纤维名称1平纹3542147077dtex镀2罗纹31431333银纤维3平纹36411476111dtex4罗纹31401240镀银纤维5平纹3540140077dtex铜6罗纹26441144纤维7平纹3737136977dtex不8罗纹2139819锈钢丝9平纹36431548111dtex10罗纹31381178铜丝

通过欧拉公式，可得到纱线张力随着输入张力的增加而增加，所以在编织导电纤维纱线时尽可能地采用积极式给纱以保证尽量小的纱线张力。

弯纱深度是决定正常编织、织物密度和线圈结构的关键因素。弯纱深度刻度盘值偏小，线圈长度偏短，脱圈困难且机头移动阻力很大；而弯纱深度刻度盘值偏大，织物密度偏稀，线圈易脱散[7]。若是弯纱深度的刻度盘值偏小(小于6)，线圈长度就偏短，脱圈则较为困难，此时编织平纹织物时所有材料的编织难度就增大；而编织满针罗纹时，不锈钢丝的编织难度反而降低。弯纱深度的刻度盘值偏大(大于13)的情况下， 线圈则易脱散，而所编织物密度偏稀，此时编织满针罗纹时，不锈钢丝的编织难度大，漏针现象非常严重。因此，根据试织过程的调试，弯纱深度刻度盘调节范围为8～12。

同时，在编织过程中，不锈钢微丝及铜丝的摩擦因数和弯曲刚度较大，织造时不易牵拉，因此需施加比普通纱线较大的牵拉张力。

2.4 柔性传感器的透气性能

通过织物透气量仪，对表3中试织的针织柔性传感器进行了透气性能测试，结果如图4所示。图中斜纹柱体为平纹织物透气量，点状柱体为罗纹织物透气量。从图中可看出，10号样品的透气性能最好，高达2 212.82 L/(m2·s)，尽管铜丝平纹织物总密度最高，但因其利用凉爽保健的玉石改性聚酯纤维，且铜丝为单丝，织物的未充满系数较大，故表现优良的透气性能。1～7号透气性能较差，较国标中一般针织平纹罗纹织物透气量评定，尽管嵌织导电纤维，但对透气性的影响很小。

2.5 柔性传感器的导电性能

按照上述实验方法，使用VICTOR-VC890C+数字万用表，与图1所示方法10横列为1组连接加载电压，来测试导电织物的等效电阻。10种试样的实测值如表4所示。数值已剔除万用表导线电阻0.8 Ω。

表4 各导电织物在(10,20,30,40)横列×40纵行的等效电阻实测值Tab.4 Equivalent resistance of 10 different samples under (10,20,30,40)course ×40wales Ω

注：试样6(77 dtex铜纤维罗纹织物)等效电阻实测超出量程，故无参考数据。

采用基尔霍夫定律求解电路网可得到确定线圈横列、纵行数的导电纬平针织物的等效电阻[8]。根据文献[9]建立的导电纬平针织物的六角模型，来表征导电纬平针织物的结构特征。该电阻六角模型中等效电路可看作是各纱段电阻和接触电阻组成的串并联复杂电路网，且假定交叠纱段的接触电阻只与纱段的正接触力有关，而并不考虑他们在交叠区域的接触长度。从表4中的1、3、5、7、9试样可看出以下规律：

式中R(x,y)表示针织柔性传感器在横列x、纵行y的等效电阻值，其中x=10、20、30、40，y=40。上述针织柔性传感器实测规律与其建立的模型计算较吻合，平纹织物相同纵行、不同横列之间存在相对关系并且适用于5种导电纤维试样，能更好地进行柔性传感器的理论分析。 多种针织柔性传感器试样在(10,20,30,40)横列×40纵行的等效电阻对比如图5所示。

从图5可看出，在线圈电阻六角模型的架构下，沿导电纬平针织物的纵向，40个横列及40个纵行组成的电路为串并联电路，等效电阻随着横列数的增加而减少，但并非线性减少。平纹织物的电阻小于罗纹织物的电阻，表现更好的导电性能；因在测试罗纹织物40个正面纵行等效电阻时包含39个反面纵行，根据文献[7]所述沿着导电纬平针织物的横列方向，表现的电路为串联电路，而罗纹织物等效电阻实测纵行数为79个，故如图所示，5种导电纤维编织的罗纹织物等效电阻大于平纹织物。111 dtex镀银织物较77 dtex镀银织物电阻更小，前者材料中银的质量分数占比更大，故拥有更好的导电性。77 dtex不锈钢丝及111 dtex铜丝虽表现出较小的电导率，有极好的导电性能，但不锈钢织物的电阻值远远大于除铜纤维织物的其他织物，不锈钢微丝在织物中的分布与连续性影响其导电性能[10]。铜丝织物的电阻值依然较小，表现良好的导电性。

3 结 论

近年来，作为新型功能材料的智能纺织品发展迅猛，深受青睐。在通过以上对针织柔性传感器原料、编织结构及导电性能的实验分析研究，得出以下结论。

1)5种导电纤维与粘胶纤维、弹力锦纶/氨纶包芯纱在电脑横机上混织平纹、罗纹柔性传感器，尽管在编织途中存在纯金属丝易断裂等情况，但都可经过调节弯纱深度、控制张力来完成，说明导电纤维(金属丝)具有一定的可编织性。同时根据编织时的状态分析，可提供更好的导电纤维生产建议，提高柔性传感器结构编织工艺。

2)镀银纤维的导电性能研究已经较充分，但其价格较为昂贵，本文旨在发现其他较为合理的导电纤维以实现更好的产业化。通过对比5种导电纤维的电阻率，均具有较高的线性拟合；同时，根据透气性等性能测试，所织柔性传感器具备良好服用舒适性，适合针织柔性传感器的开发。

3)根据40横列、40纵行柔性传感器的电阻实测数据，其规律与建立的电阻六角模型计算较为吻合，且同时适用于5种导电纤维试样，验证了同纵行不同横列等效电阻的电阻六角模型，能更好地进行柔性传感器的理论分析。

4)线密度较大的镀银纤维柔性传感器表现更好的导电性能，且有较大的强力；铜纤维柔性传感器虽超出仪器使用电阻，未能测得其电阻值，但铜纤维的电阻率依然比一般表面包覆型和成分复合型导电纤维小，有一定的导电性能；不锈钢微丝和铜丝的单丝导电性能很好，且铜丝织物的电阻实测值较低，依然表现良好的导电性能，但其在编织过程中存在的问题及穿着舒适性还需后续研发改善。

FZXB

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Structures and electrical properties of weft-knitted flexible sensors

CAI Qianwen， WANG Jinfeng， CHEN Weilai

(College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China)

By mixing the five kinds of electrical conductivity fibers, including silver-plating yarn, stainless steel wire, copper wire and copper fiber, with viscose and nylon/spandex core-spun elastic yarn, weft-knitted flexible sensors are knitted on the computerized flat knitting machine. Then the electric conductivity of flexible sensors was tested at different wales and courses to discuss the structure and electrical properties of the sensors. The results show the conducting fibers are knittable; by the measuring data of local resistance, it is almost in conformity with the resistance hexagon model, which is applied to the five kinds of conductive fibers and be better used in the theoretical analysis; thus it can guide to develop better weft-knitted flexible sensors with reasonable price and excellent performance.

conductive fiber; metal filament; weft-knitting; flexible sensor; electric conductivity

10.13475/j.fzxb.20150603806

2015-06-15

2016-01-10

“纺织科学与工程”重中之重一级学科开放基金项目(2014KF03)；“纺织科学与工程”重中之重一级学科优秀博士专项项目(2014YBZX02)；浙江理工大学科研启动基金项目(14012003-Y)

蔡倩文(1990—)，女，硕士生。主要研究方向为现代纺织技术及新产品。陈慰来，通信作者，E-mail：wlchen193@163.com。

TS 181.8

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