用于柔性织物电极的导电纱线耐久性研究

李倩文，周嘉琳，孙 超，衣卫京

(1.北京服装学院 服装艺术与工程学院，北京 100029； 2.中华女子学院 艺术学院，北京 100101)

智能服装是服装与各领域技术融合产生的一种新型服装，其可感知外部及内部环境变化，模拟生态系统，并通过反馈机制做出响应，且能够保留服装固有风格和服用性能，在医疗、运动和军事等领域均有很好的发展和应用。织物传感器具有柔软、吸湿透气、价格低且更容易和服装集成等特点，大大提高了智能服装的舒适性。常用的基于纺织材料的导电纱线包括金属丝纱线、表面涂覆导电物质的纱线、碳纤维纱线等，市场所用大多数纺织电极是基于金属包覆的纱线。而在运动状态监测时，由于训练过程中大量出汗，且室外训练会受到光照的影响，因此，对导电纱线的耐光和耐汗液腐蚀性能有更高的要求。

本文结合运动训练场景对导电纱线耐久性能的要求，在考虑纱线舒适性的基础上，通过设计实验分析汗液和光照对导电纱线表面形态、力学性能和电学性能的影响，综合评价不同导电纱线的耐久性，以期为运动训练场景智能服装的运用提供更有竞争力的产品。

1 试验部分

1．1 材 料

试验所选用的导电纱线及其规格参数及电学性能见表1。

表1 导电纤维的基本性能Tab.1 Basic properties of conductive fibers

1.2 形貌表征

分别制取试样1#、2#、3#的样品，并对上述样品表面进行喷金处理，采用JSM-6360LV扫描电子显微镜(日本电子株式会社)观察样品的表面形态。

1.3 性能测试

根据GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定(CRE法)》，将试样1#～6#放入温度为(20±2) ℃、相对湿度为(65±5)%的LLY-33恒温恒湿箱(莱州市电子仪器有限公司)平衡24 h后，使用INSTRON-3367电子万能材料试验机(美国英斯特朗公司)测试每种试样的强力数据各20根，结果取平均值。

按氯化钠20.0 g/L、氯化铵17.5 g/L、尿素5.0 g/L、乙酸2.5 g/L、乳酸15.0 g/L，滴加氢氧化钠调节pH至4.7的方法配制人工汗液500 mL，放入长度为10 cm的3种导电纱线各150根。每间隔1 h取出3种导电纱线各10根，用水冲洗后放入温度为60 ℃的Y802K快速八篮烘干箱(莱州市电子仪器有限公司)烘干5 min后，测试纱线中间位置5 cm的电阻值。

将3种导电纱线顺直贴在透明玻璃窗户上，在有光照的自然条件下放置，每隔1周测定其电阻变化，测试时间持续1个月，分析纱线的耐光老化性。

2 结果与讨论

2.1 汗液对纱线表面形态的影响

汗液处理前试样1#、2#、3#长度方向放大不同倍数SEM照片见图1，由图示出1#单根纱线是由约132根复丝抱合加捻，纤维边界粗糙不光滑，纤维表面银含量比较高，但银镀层牢度较差，呈现为镀层银薄厚不一，且有脱落现象；2#单根纱线是由24根复丝抱合加捻，锦纶基镀银纤维边界光滑，纤维表面均匀覆盖一层薄薄的银。镀银层有轻微脱落现象，但不明显；2#单根纱线是由约40根复丝抱合加捻，纤维之间较为松散，表面不如镀银纤维纵向光滑。

图1 汗液处理前1#、2#、3#纵向放大不同倍数SEM照片Fig.1 SEM images of 1#, 2# and 3# along the axial direction in different magnifications before sweat treatment

汗液处理后1#、2#、3#放大1 000倍的SEM照片见图2，由图2的(a)～(f)示出1#在汗液处理2 h后纤维表面的银镀层开始脱落，同时出现了直径非常小的白色颗粒浮在纤维表面，镀银层的脱落面积随着汗液处理时间的增加而增大。初始时白色颗粒直径小且数量多，随着浸泡时间的增加，白色颗粒数量减小同时颗粒直径增大。由图2(g)～(l)示出2#和1#一样在汗液处理2 h后纤维表面可以观察到的比较明显的白色颗粒，但镀银层还没有明显的脱落现象。随着时间的增加，其特征与1#相似，可见，汗液处理会破坏镀银纱线表面的镀银层，当镀银层表面有缺陷时，破坏过程会加速。由图2的(m)～(r)示出浸泡汗液时间对纤维表面影响不明显。3#导电纱线的导电物质是以颗粒的形式分散在纱线内部。

图2 汗液处理不同时间后1#、2#、3#的SEM照片(×1 000)Fig.2 SEM images of 1#, 2# and 3# after sweat treatment in different time(×1 000)

2.2 汗液对纱线力学性能的影响

导电纱线的力学性能见表2。由表可知1#～5#纱线弹性模量都相对较小，适合采用较细针距的纬编针织机编织成织物电极，而6#不锈钢丝模量非常大，且断裂伸长率非常低，在制作用于紧贴皮肤的织物电极时加工困难。2#、4#、5#是同一公司生产的不同细度锦纶基镀银纱线，工艺基本相同，因此，在后续的耐汗渍性能和耐光性能研究中，主要对试样1#～3#进行测试。

表2 导电纱线的力学性能Tab.2 Mechanical properties of conductive yarns

3种导电纱线机械强力与汗液处理时间关系曲线见图3，由图示出3种纱线的力学性能随着汗液处理时间的延长，只有轻微的变化，虽然汗液处理对1#和2#表面的镀银层有一定的影响，但纱线强力大小主要取决于纤维自身，表层镀银层对纱线的力学性能影响不大。

图3 3种导电纱线机械强力与汗液处理时间关系曲线Fig.3 Relationship between mechanical strength and sweat treatment of three conductive yarns. (a) Change in elongation at break； (b) Change in breaking strength

2.3 汗液对纱线电学性能的影响

3种导电纱线初始电阻见图4，由图示出汗液处理前3种导电纱线的电阻随长度的增加呈线性增加，因此，可以说明纱线本身具有较好的均匀性，实验时将纱线按一定时间间隔取出进行电阻测试能够体现纱线本身的耐汗液性能。1#、2#镀银纱线表面有连续的镀银层，电阻较小，而3#电阻率较大，原因在于导电物质是以颗粒的形式分散在纤维内部，粒子之间采用电子跃迁的方式导电。对比2种镀银导电纱线电阻均匀性可知，2#比1#有更好的线性度，说明2#的电阻均匀性比较好，由SEM照片可知1#纤维表面的银镀层有明显脱落，从而影响电阻均匀性。3#线性度和2#相近，导电纱线电阻均匀性比较高。

图4 3种导电纱线初始电阻Fig.4 Initial resistance of three conductive yarns

汗液处理对导电纱线电阻的影响见表3，1#间隔1 h电阻测试数据见表4，由表3、4可知，1#初始电阻为0.02 kΩ/(5 cm)，每小时随机抽取10个试样，随着汗液处理时间的增加，电阻也快速增加，并有部分样品超出万用表量程，超出样品数量也随着处理时间的增加逐渐增加，所以1#的平均值是剔除了超出量程数据(最大电阻值)后计算所得。有效电阻值的误差与汗液处理时间呈正比，说明随着时间的增加，纱线电阻的均匀性逐渐降低。第5 h测试有效电阻平均值超1×10kΩ，且60%的测试样品电阻值已经超出电表量程，认为1#在汗液处理5 h后不再具备导电能力。2#初始电阻为0.04 kΩ/(5 cm)，电阻随浸泡时间逐渐增大，初期电阻值变化缓慢，前6 h每次所测纱线所有试样均为有效值未超出电表量程，直到第7 h电阻值突然增加到53 507.57 kΩ，不再具备导电能力，汗液处理对纱线导电性的影响结果与SEM照片具有一致性，处理过程中，产生白色颗粒浮在纤维表面，对纱线的导电性影响不大，随着浸泡时间的增加，白色颗粒直径逐渐变大，紧接着开始脱落，导电性能直线下降，故而2#的电阻变化表现为初期电阻变化不明显，直到第8 h白色颗粒大量脱落后，电阻值大幅度降低直接超出导电纱线定义的电阻值，不再具备导电能力。3#随着浸泡时间电阻平缓有规律的逐渐增加，在浸泡9 h后超过导电纱线定义范围。1#的耐汗渍性能最差，3#的耐汗渍性能比2#有明显提升。这主要与3#的导电成分和导电颗粒的分布有关。结果说明3#更适合运动训练出汗量较高的使用场景，在改善智能服装柔性织物电极的耐久性方面具有很大应用潜力。

表3 汗液处理对导电纱线电阻的影响Tab.3 Effect of sweat treatment on electrical resistance of conductive yarn

2.4 光照对纱线电学性能的影响

光照时间对导电纱线电阻的影响见图5，示出1#电阻随着光照时间增长快速增加，1个月左右增加了8倍多，且纱线间的电阻均匀性也变化非常明显；2#初始时电阻相对稳定，随着光照时间的延长，变化开始变得明显，纱线间电阻的差异也变大。2种镀银纱线的耐光性差异与镀银层的工艺和质量以及纱线结构有关。1#纱线根数更多，表面积比较大，更易受到光照氧化的影响，所以耐光性能更差。随光照时间的延长，3#的电阻变化不明显，一方面是由于腈纶纱线本身具有较好的耐光性，另一方面是由于腈纶导电纱线的导电填料基本处于纱线内部，且石墨烯纱线对光照不敏感，因此具有较高的稳定性。

表4 1#每次间隔1h电阻测试数据Tab.4 Resistance test data of 1# at each interval of one hour

图5 光照时间对导电纱线电阻的影响Fig.5 Influence of illumination time on the resistance of conductive yarn

3 结 论

针对运动训练用织物电极导电材料的影响因素进行分析，设计实验，从汗液和光照2个方面，对导电纱线处理前后的表面形态、力学性能和电学性能进行对比研究，结果表明：不锈钢纱线具有较大的模量，在针织织物电极加工中存在加工困难的问题，在镀银锦纶纱线、腈纶基石墨烯纱线中，汗液对导电纱线的力学性能没有显著影响；随着汗液处理时间的增加，镀银导电纱线镀银层受到腐蚀，而腈纶导电纱线表面无明显变化。2种镀银纱线在汗液分别处理4 h和6 h后不再具有导电能力，且随着处理时间的增加，纱线电阻的均匀性逐渐降低。腈纶基石墨烯导电纱线相对具有更好的耐汗液腐蚀性能，随着处理时间的增加，纱线电阻平稳有规律地逐渐增长；光照对腈纶基石墨烯电学性能影响最小，镀银锦纶纱线电阻随光照时间不仅电阻增加，而且电阻的均匀性也变差。综合分析认为腈纶基石墨烯纱线具有更优异的性能，在运动训练智能服装领域具有更好应用前景。