氨纶纬编导电针织物纵向电力学性能

韩晓雪， 缪旭红

(1. 江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122；2. 江南大学 纺织服装学院， 江苏 无锡 214122)

近年来，针织柔性传感器得到国内外学者的广泛关注并取得一定的研究成果。与传统的刚性传感元件相比，针织柔性传感器具有舒适性强、柔软性好、贴身便携的优势，是制备智能纺织品的优选材料。目前针对纬编针织物沿横列方向织物导电性能与小应变范围拉伸下的电阻应变关系研究较多：王金凤等[1]用镀银纱编织横条纹假罗纹、竖条纹假罗纹与纬平针织物，根据实际应用中人体呼吸、心跳导致的皮肤扩张情况，考察导电针织物在1%～30%应变下的电阻应变关系；蔡倩文等[2]将5种导电纱线分别与粘胶、氨纶包芯纱混织，并测试不同横列、纵行的织物导电性能，为发现其他较为合理的导电原料提供了参考；易红霞等[3]提出并构建了基于针织物柔性传感器ZigBee无线网络系统，实现了人体生理参数的采集，对针织物柔性传感器在智能服装上的集成进行了初步实践；基于同样的原理，Atalay等[4]开发了基于纺织品的应变传感呼吸带，并从中获得了与模拟数据一致的电阻响应信号。对于氨纶织物在较大应变范围的纵向拉伸下电阻应变关系的探讨内容很少，张舒等[5]将镀银锦纶与氨纶或涤纶交织成弹性与非弹性经编导电织物，将2种导电经编织物沿线圈纵行方向拉伸并对其电力学性能进行了理论阐述。

无缝内衣是通过一次性无缝成形工艺编织而成，手感柔软有弹性，贴合人体并能对其产生一定压力，有“人体第二皮肤之称”[6]，因此，无缝针织内衣是衬入柔性传感器的理想材料。有研究表明，人体特定关节的移动会带动皮肤在纵向上的延伸[7]，比如膝盖关节的正常弯曲会造成35%～45%的皮肤伸展，因此，要实现在无缝内衣中嵌入导电织物来监测人体肘部、膝部等弯曲运动情况，就需要探究其在纵向产生较大应变下的电力学性能。本文主要探讨镀银导电纱线织制的平针、1+1假罗纹和2+1假罗纹氨纶导电织物在沿线圈纵行方向拉伸下的电阻-应变关系，并与氨纶导电织物、非氨纶织物在横向拉伸状态下的电力学性能进行对比。基于锦纶基镀银纱线与涤纶/氨纶包芯纱制备3种组织结构的导电织物，并改变导电区域的横列数和纵行数，观察试样在完整的纵向拉伸过程中的电力学性能，为开发可监测人体关节弯曲状况的智能无缝运动服和无缝内衣提供参考。

1 实验部分

1.1 材料和设备

材料：锦纶基镀银纤维长丝纱(线密度为 44 dtex(24 f)，全拉伸丝，阻值为(77±4) Ω/cm，青岛亨通伟业特种织物科技有限公司)；锦纶/氨纶包芯纱(氨纶芯纱线密度为22 dtex，锦纶包纱线密度为55 dtex(48 f)，诸暨市大唐泓诺化纤有限公司)；锦纶长丝纱(线密度为55 dtex(48 f)，南通科嘉纺织纤维制品有限公司)。

设备：SM8-TOP2 MP2型圣东尼单面无缝内衣机(筒径为38.1 cm，机号为28)，圣东尼(上海)针织机器有限公司；VICTOR 4 105 A型低电阻测试仪，深圳市胜利高电子科技有限公司；YG0260D型多功能电子织物强力仪，宁波纺织仪器厂。

1.2 导电针织物的制备

针织内衣具有手感柔软、穿着舒适、可衬入柔性传感器的优点，平针和假罗纹是无缝内衣产品中使用较多的组织结构。人体内衣采用平针组织达到收胸、瘦臀的效果，采用假罗纹具有更好的弹性和延伸性，可用于腰腹部位达到收腰、收腹效果[6]。实验选用纬平针、1+1假罗纹和2+1假罗纹3种结构织制导电针织物：假罗纹是一种浮线组织，前面数字代表一个循环中参加不编织的针数，后面数字代表参加编织的针数。

实验样品在单面无缝成型内衣机上织造，样品基布主纱采用锦纶长丝纱，导电区域主纱为锦纶基镀银纤维，添纱均为锦纶/氨纶包芯纱。每种结构各织制横列数相同，纵行数分别为24、48和74的3种导电区域宽度的试样进行测试。9种织物的规格如表1所示。

表1 纬编织物规格表Tab.1 Weft-knitted fabric specification

1.3 导电织物的电阻-应变传感性能测试

在多功能电子织物强力仪上将弹性导电织物沿织物纵向夹持，夹持长度为150 mm，使用低电阻测试仪测试其电阻，记录初始电阻值，织物每伸长 7.5 mm记录1个电阻值，直至织物达到拉伸极限为止。

2 结果与分析

2.1 织物电阻-应变关系

3种组织的不同纵行数的导电织物电阻-应变曲线如图1所示。可见，在沿织物纵向进行拉伸的情况下，氨纶纬编导电织物在拉伸过程中电阻随应变的变化情况总共可分为4个阶段：1)阶段Ⅰ，随着应变的增大，织物的电阻呈现较快的上升；2)阶段Ⅱ，随着应变增加，织物电阻增长减慢，阻值趋于平缓；3)阶段Ⅲ，织物电阻随应变增大呈现较快的下降趋势；4)阶段Ⅳ，随着应变增大，织物阻值趋于平缓，几乎没有变化，因此，可见氨纶纬编导电织物沿纵行方向的电力学性能与氨纶经编织物[5]的相似。

图1 9种织物电阻-应变曲线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

王金凤等[8]基于针织物线圈结构建立了电阻六角模型，将导电针织物看作各纱段电阻和接触电阻组成的串并联复杂电路网。纬编弹性导电织物的电阻受纱线间接触电阻、纱线自身电阻和线圈纱段转移的影响。在织物拉伸初始阶段，织物线圈中的沉降弧与针编弧段向圈柱进行转移，此时线圈纱段电阻的变化会影响织物电阻变化。由于圈柱、沉降弧和针编弧长度很短，线段转移的长度有限，而随着织物不断被拉伸，线圈之间的接触力不断增大，因此，电阻变化主要由接触电阻的变化导致。纬平针织物随纵向应变增大的线圈状态变化如图2所示。

图2 织物拉伸过程中线圈变化Fig.2 Coil changes during fabric drawing. (a) Fabric relaxation; (b) Stretching state 1; (c) Stretching state 2; (d) Stretching state 3

由图2可知，由于氨纶存在弹性，织物松弛时线圈紧密排列，同层纱线间接触面积大，根据文献[8]的接触电阻理论可知，此时织物电路的接触电阻小，故织物总体的初始电阻小。在织物拉伸过程中，同层导电纱线接触面积减小，上下层导电纱线间的接触面积增大，初始拉伸阶段织物纵向线圈密度变化较明显，同层纱线接触面积的变化要大于上下层间接触面积的变化，因此，织物电阻整体呈现上升趋势；之后同层导电纱线接触面积的变化与上下层间的接触面积的变化相近，织物电阻呈现稳定趋势；随着织物继续拉伸，纱线线段的转移不再明显，织物线圈密度变化很小，上下层导电纱线接触面积的变化要大于同层间的接触面积的变化，织物电阻呈现下降趋势；最终，织物接近拉伸极限，上下层导电纱线接触面积和同层间的接触面积变化都不再明显，织物电阻呈现稳定趋势。

2.2 织物组织对其电力学性能的影响

由图1可以看出，在阶段Ⅰ和阶段Ⅲ的拉伸过程中，3种组织的弹性纬编织物的电阻随应变的变化趋势总体接近线性关系。经测量得到织物2个拉伸阶段的灵敏度，如表2所示。

表2 各织物应变范围及灵敏度Tab.2 Strain range and sensitivity of fabric

注：KⅠ为导电织物在第Ⅰ阶段的灵敏度，即织物电阻变化量/织物应变量；KⅢ为导电织物在第Ⅲ阶段的灵敏度。

结合图1和表2可见，阶段Ⅰ拉伸过程中，在纵行数相同的情况下，导电织物的灵敏度为平针最好，1+1假罗纹次之，2+1假罗纹最差。这说明导电织物的组织结构对其灵敏度有较大影响。

由于圆机上织造的1+1假罗纹与2+1假罗纹是一种浮线组织，如图3、4所示。

图3 导电纬编针织物实物图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

图4 3种组织的接触点分布示意图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

由图3、4可知，织物存在浮线且长短不同，因此，在具有相同的横列数和纵行数条件下，平针织物的线圈数量最多，1+1假罗纹次之，2+1 假罗纹最少。线圈数量多，则导电区域内同层导电纱线之间的接触点多，接触面积大，在初始拉伸时，接触电阻的变化也越快，灵敏度也就越好。

2.3 导电区域纵行数对其电力学性能影响

结合图1和表2可知，阶段Ⅰ拉伸过程中，在织物结构相同的情况下，3种织物的导电区域纵行数越少，导电织物的灵敏度越大，而且在相同的拉伸应变下，纵行数越少的导电织物阻值越高。在阶段Ⅲ拉伸过程中，这一结论对于1+1假罗纹不再成立，但同种组织结构下，纵行数少的导电织物灵敏度依然较高。

基于沿导电针织物横列方向测量建立的等效电阻模型[8-10]，针织物电路是综合了并联和串联的复杂电路网，沿针织物纵行方向为并联电路，沿横列方向为串联电路。本文对导电织物电阻的测量是基于纵向，在针织物同一纵行上为纱段电阻之间的并联，但随着横列数增多，一个纵行的总电阻也随之增大；在同一横列为各纵行电阻的并联，因此，在实验试样中，织物电阻随纵行数的减少而增大。

2.4 拉伸方向和弹性对电力学性能的影响

2.4.1氨纶纬编织物横纵向拉伸比较

将实验中的A3与B3样品沿横列方向进行拉伸，测试其电阻-应变变化情况，如图5所示。结合图1、5可以发现，在拉伸应变小于100%时，纬编弹性织物沿横列方向和沿纵行方向拉伸的电阻-应变关系相似。而横向拉伸与纵向拉伸的主要区别在于纱线线段的转移方向不同，可得知在织物拉伸过程中，接触电阻的变化起主导作用，而沿横列方向线圈中，纱线的转移造成的电阻变化对织物本身电阻变化影响不大。

图5 2种织物横向拉伸的电阻-应变关系Tab.5 Resistance-strain curves of two types of fabric with horizontal stretching

2.4.2弹性与非弹纬编织物横向拉伸比较

根据文献[1]沿横列方向拉伸非弹性镀银纱纬平纹织物，得到的织物电阻-应变关系是随着应变增大，织物电阻呈线性减小，应变超过20%之后电阻下降不明显。这一趋势与添加氨纶的镀银纱纬平纹织物表现出的沿横向拉伸的电力学性能相反。这是由于氨纶的存在使得织物线圈排列紧密，同层纱线接触面积大，因此，在织物拉伸初始阶段，同层纱线间接触电阻的变化起主要作用。非弹性纬编织物在拉伸初始阶段，织物线圈密度变化很小，上下层纱线间的接触电阻变化起主要作用。

3 结 论

小应变范围的织物拉伸电阻-应变关系可应用于测量人体呼吸、心跳等产生较小皮肤形变量的生理信号，而人体运动姿态监测如对膝关节、肘关节和髋关节等运动变化的监测需要考虑到导电织物在更大应变范围的电力学性能。经过研究较大应变范围的9种规格织物的电阻-应变关系，得出以下结论。

1) 氨纶纬编织物在纵向拉伸时电阻的变化情况与弹性经编织物的相似，都呈现出电阻值随织物伸长先呈线性增长，随后增长缓慢至阻值稳定，再线性下降最终趋于稳定的电力学性能。

2) 织物的组织结构对导电织物灵敏度有着较大影响，在线圈横列与纵行数目相同的情况下，纬平针的灵敏度最好，1+1罗纹次之，2+1罗纹最差。

3) 沿导电针织物纵行方向拉伸时，在线圈横列数目相同的情况下，纵行数较少的导电织物电阻值较高且灵敏度更好。

在使用针织柔性传感器监测人体运动姿态或关节运动时，要考虑应用部位的大小和人体正常运动状态下产生的应变范围，以选择合适的导电区域纵行数与织物组织。