组织结构和密度对导电针织物传感性能的影响

2022-09-30王花娥许黛芳于晓辉赵健伟贺园园

毛纺科技 2022年9期

王花娥，许黛芳，于晓辉，赵健伟，张楠，贺园园

(1.嘉兴学院设计学院，浙江嘉兴 314001； 2.嘉兴学院材料与纺织工程学院，浙江嘉兴 314001)

近年来，随着远程医疗和移动监护需求的不断提高，可穿戴生理监测设备的研究进展迅速。传统的硬件传感器，因刚度大、敏感性低、传感范围小(<5%)等缺陷[1]，限制了其在智能可穿戴领域的应用。而柔性的织物传感器具有质量轻、柔性好、可拉伸、舒适性好等特性，在智能可穿戴领域具有独特的优势[2]。

针织物因其特殊的线圈结构而具有良好的柔软性、延伸性、弹性及回复性等性能，故被广泛用于柔性织物应变传感器的研制。柔性针织物传感器的制作方法有涂敷法和编织法[3]。涂敷法是将高分子导电聚合材料以模压、沉积、印花等形式加工到织物表面，制备的柔性织物传感器灵敏度高、线性度好、测量范围广，其缺点是不耐摩擦和洗涤，可重复性和耐用性较差。而编织法是将导电纱线直接编织到织物中，与涂敷法相比，用编织法制备的织物传感器具有较高的灵敏度和线性度，织物弹性好、贴身、手感好，耐用性、耐洗涤性良好，是用于人体监测等智能服装的柔性织物传感器的更优选择[4]。

目前，编织法制得的应变传感器大都采用纬编技术[5]，纬编针织传感器主要采用纬平针组织和罗纹组织2种结构[6-7]，织物结构的导电机制一般被认为符合六角线圈电阻模型，其中包含2个纱线间接触电阻和3个纱线长度电阻[8]，线圈的相互串套连接构成一个复杂的导电网络，使得织物在受力拉伸过程中，由于织物结构的改变导致纱线间接触电阻和长度电阻的改变，进而引起织物电阻的相应变化[9-10]。不同组织结构的织物对拉伸应变的响应不同，如纬平针织物响应的灵敏度比罗纹织物高，但稳定性不及罗纹织物好[11]；不同密度的织物对传感器灵敏度的影响不同，如相同纬平针组织下，导电织物密度越大，传感器灵敏度越小[12]。因此，在所用材料相同的条件下，组织结构和密度是影响织物传感性能的重要因素。

导电纤维材料是影响织物传感性能的另一个重要因素。制备针织应变传感器的导电纱线须具有良好的导电性和可编织性。目前，用于制备传感器的导电纱线有金属导电纱线、碳系导电纱线和有机导电纱线[13]。金属导电纱线导电性能优异，应用较多的是不锈钢导电纱线。由不锈钢导电纱线制成的针织应变传感器具有较高的线性度和灵敏度，但因塑性变形大导致可重复性较差[10,14]，另外，不锈钢纤维弯曲刚度高，脆性大，易断裂，可编织性较差，一般通过与其他非金属纱线并线编织来提高其编织性能[15]。碳系导电纤维的导电性比金属导电纤维略差，由碳纤维纱线制成的针织应变传感器可重复性好，但灵敏度较低[2,14]，由于碳纤维模量高，使得编织困难，织物硬挺，穿着舒适性差。有机导电纱线具有良好的编织性和较好的导电性，可分为导电高分子聚合物、涂覆导电物质、有机纤维为基材的复合型有机导电纱线[16]，其中导电高分子聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等制成的高分子导电纤维柔软，可穿性好，但化学及环境稳定性差，影响了其作为传感材料的使用[17]；涂覆型导电纤维一般是在纤维表面进行金属或碳涂层[18]，其表面涂层在使用和洗涤过程中易脱离，耐磨性差，影响传感器的使用耐久性[19]；导电复合纱线具有较好的导电性，纱线柔软，可编织性好，适合制作应变传感器。石墨烯因其特殊的轨道结构和较大的比表面积具有较好的导电和铁磁性，因此石墨烯作为导电粒子制备导电复合纤维具有广阔的前景[20]。已有研究将石墨烯导电复合纤维制成纤维传感器，用于监测人类活动和机器人的复杂运动[21-23]。而涤纶/石墨烯导电复合纱线不仅导电性好，其可编织性也好，可用于制作织物应变传感器，但至今相关研究鲜有报道。

鉴于以上分析，织物结构、密度和导电复合纤维材料是影响针织应变传感器的重要因素。为提高织物传感器的传感性能，本文选用涤纶/石墨烯导电复合纱线，在电脑横机上编织不同组织结构、不同密度的导电针织物，通过重复拉伸实验，研究织物电阻与拉伸应变的变化关系，分析织物的组织结构、密度对导电针织物的灵敏度、线性度、稳定性和可重复性的影响，为柔性织物传感器的研制提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

涤纶/石墨烯导电复合纱线(诸暨金生康纺织科技有限公司生产)，在纺丝液中添加石墨烯导电粒子制得，其中涤纶质量分数为92%，石墨烯质量分数为8%，全拉伸丝(FDY)，线密度为8.89 dtex(36 f)，电阻率为2.2×104Ω·mm；涤纶长丝(市场购买)，FDY，线密度为9.22 dtex(24 f)。

1.2 实验仪器与设备

CMS530 HP E7.2电脑横机(德国斯托尔公司)，YG065 H/PG多功能织物强力仪(莱州市电子仪器有限公司)；CHI1230B电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)。

1.3 试样制备

采用6 根涤纶/石墨烯导电复合纱线与8 根涤纶长丝并线，在电脑横机上编织纬平针组织和1+1罗纹组织2 种组织结构，并分别采用3 种编织密度(NP值)，共制备6 种试样，试样结构参数见表1。试样横向20 cm，纵向5 cm，中间部分用涤纶/石墨烯导电复合纱线与涤纶长丝并线编织(纬平针18行，1+1罗纹20 行)，宽度为2.0～2.5 cm，其余部分由涤纶长丝编织。量取试样中间段10 cm做好标记线，在标记线外侧织物正反两面用导电胶粘上细铜片，再用绝缘胶带包覆细铜片外侧的织物两端作为试样夹持部分。

表1 试样结构参数表Tab.1 The parameters of the sample structure

1.4 实验测试

实验在温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±3) %的环境内进行。试样两端通过铜箔与电化学工作站连接，多功能织物强力仪的夹头内测用绝缘胶带绝缘，以免造成仪器短路影响测试结果。实验时，织物强力仪夹头隔距为10 cm，拉伸预加载荷为0.5 N，拉伸速度为10 cm/min，拉伸位移为25 mm。循环拉伸时，拉伸停置1 s，回复停置1 s，重复拉伸20次。通过电化学工作站测试采集拉伸回复过程中流经织物的电流，其电压(加在导电织物两端的电压)设置为1.0 V，数据采集频率设置为1.0 Hz，然后计算出导电织物的电阻值。

1.5 导电针织物的传感性能指标

采用线性度、灵敏度、稳定性和可重复性作为织物传感性能的评价指标，用于考察织物的结构、密度对导电针织物传感性能的影响。

线性度是指传感器的电阻与应变之间成线性关系的程度[24]。随着电子技术的发展，线性度已经不是传感器设计的必要要求[17]，但其电阻—应变(R-ε)曲线仍需符合线性或其他某种函数关系，且拟合度越高越好。

灵敏度系数是指在力学拉伸时织物电阻R的变化率(ΔR/R)与应变ε(ΔL/L)的比值，本文用G表征，如式(1)所示[25]：

(1)

式中：R0和R分别为拉伸前、后织物传感器的电阻，Ω；ε为织物拉伸时的应变，%。G越大，表明织物受拉伸时响应的灵敏度越好。

稳定性是指织物传感器在力学拉伸数次后织物电阻R的变化率(ΔR/R0)与拉伸次数N之间的关系[26]，本文用δ表征，如式(2)所示:

(2)

式中：ΔR′为第N次拉伸的电阻差与起始拉伸的电阻差的差值,Ω。δ的值越小，稳定性越好。

可重复性表示传感器在多次重复拉伸过程中所得电阻—应变曲线的一致程度[27]。这里用织物在N次拉伸回复过程中每次的拉伸电阻和回复电阻的差值的标准差σ表示，以第1次拉伸回复时织物电阻的差值为期望值，如式(3)所示。

(3)

式中：ΔRi表示第i次拉伸回复时织物的拉伸电阻和回复电阻的差值，Ω；ΔR1表示第一次拉伸回复时织物的拉伸电阻和回复电阻的差值，Ω。可重复性系数σ的值越小，表明可重复性越好。

2 结果与讨论

2.1 重复拉伸过程中织物电阻的变化

图1为试样经20次重复拉伸后织物电阻随时间变化的关系曲线。从图中可看出，织物电阻随着拉伸回复时间呈周期性的变化；在多次拉伸回复过程中，试样1#、2#的回复电阻变化不大，其中1#试样保持在246～247 kΩ，试样2#保持在246 kΩ并随着拉伸次数的增加略有降低，试样3#的回复电阻随着拉伸次数的增加而逐渐减小，但试样1#、2#和3#的拉伸电阻随着拉伸次数的增加而逐渐减小；罗纹试样4#、5#、6#的拉伸电阻、回复电阻随着拉伸次数的增加而逐渐减小，但每个拉伸循环中最大电阻与最小电阻的差值变化不大。从图中最后一个拉伸回复循环中可清楚地看出，图1(a)(b)和(c)所示的纬平针织物，在一个拉伸回复循环内，织物的电阻基本是随着应变的增加而减小，随着应变的回复而增大；图1(d)(e)和(f)所示的罗纹织物，在一个拉伸回复循环内，织物的电阻基本是随着应变的增加而增大，随着应变的回复而减小。

图1 织物重复拉伸的电阻—时间关系曲线Fig.1 The resistance-time curve of fabric repeated stretching and releasing

为进一步研究织物在拉伸过程中其电阻随应变的变化情况，分析了试样在一次性拉伸过程中的电阻—应变关系，结果如图2所示。从图中可看出，对于组织结构相同的针织物，在相同应变条件下，织物密度越大，织物中导电纱线接触越紧密，电子传递通道越多，电阻越小。小应变情况下，因密度差异引起的电阻差异更加明显，随着应变的不断增加，电阻差异逐渐减小。图2还显示，导电针织物的电阻与拉伸应变并不具有线性关系。对于纬平针织物，织物的电阻—应变曲线略呈向右倾斜的“S”形，且曲线上的拐点随着织物密度的减小不断向左移动；织物电阻随应变的增加先增大而后减小，在拉伸初始阶段，织物电阻随应变的增加而增大，但变化很小，响应缓慢，然后随应变的继续增加，织物电阻先是明显增大而后逐渐减小且呈现出一定的线性变化趋势。对于罗纹织物，织物电阻随应变的增加先是明显增大，然后缓慢增大且趋向稳定，但在应变大于24%时有减小的迹象。

图2 织物一次性拉伸的电阻—应变关系曲线Fig.2 Resistance-strain curve of fabric in one-time tension

针织物的电阻受纱线电阻、线圈纱段的滑移、纱线间接触电阻3个因素的影响[28]。拉伸初始阶段，织物应变较小，织物中的纱线由屈曲变直，纱线电阻变化很小；此时织物线圈紧密，线圈间接触力很小，织物电阻的变化主要由线圈中纱段的转移引起，且随着应变的增加而增大[8]。随着应变的继续增加，纬平针织物和罗纹织物的电阻表现出不同的变化规律：纬平针织物随着应变的不断增大，纱线间的接触力和接触面积也在增大，接触电阻减小，织物的电阻随应变的增加而减小；由于罗纹织物的延伸性比纬平针织物好，在本文实验范围内随着应变的继续增加，罗纹织物的电阻变化由2个部分组成，一部分是由线圈纱段的滑移引起电阻增大，另一部分是纱线间接触引起电阻减小，二者共同作用使罗纹织物电阻在较大的应变范围内仍表现出缓慢上升的趋势。

2.2 电阻—应变函数关系及线性度

织物传感器要求织物的电阻与应变在一定的应变范围内具有稳定的量化关系即函数关系或线性度，这是传感器用于定量检测的必要条件。为此对织物电阻与应变的关系进行研究，结果如表2所示。表2的拟合关系式中，y代表织物电阻，kΩ；x代表织物应变，%。

表2 织物电阻与拉伸应变的函数关系Tab.2 Quantitative relationship between fabric resistance and tensile strain

表2显示，纬平针织物在5%～25%的应变范围内，织物电阻与应变近似呈线性关系，如式(4)所示。

y=kx+b

(4)

式中：k为直线斜率，代表导电织物的灵敏度系数；b为应变为0时的织物电阻，kΩ。3种纬平针试样的拟合线性相关系数均大于0.98。表2还显示，罗纹织物在3%～24%的应变范围内，织物电阻与应变近似呈指数增长关系，如式(5)所示。

y=y0-Ae-kx

(5)

式中：y0为织物电阻随应变的增加而增大最后将无限接近的电阻值，kΩ；A为应变为0时y0与织物电阻y的差值，kΩ；k为变化常数。3个试样的拟合相关系数均大于0.99，且y0由织物的密度决定，密度越大，y0越小。

综上分析，2种不同结构的织物其电阻随应变的变化关系不同，因此，织物结构是影响织物的电阻—应变关系的一个重要因素。

2.3 灵敏度

为考察导电针织物响应的灵敏度，分析了织物响应的灵敏度随应变的变化关系，结果如图3所示。从图中可看出，导电针织物的灵敏度随着应变的增加先快速增大而后减小；从组织结构来看，罗纹织物的灵敏度明显高于纬平针织物；此外，密度对导电织物的灵敏度也有一定的影响，对于罗纹织物来说，在相同应变条件下，织物密度越大灵敏度越高，试样4#的灵敏度最好，应变为5%时灵敏度系数最高为6.02；对于纬平针织物来说，织物密度对灵敏度的影响与罗纹织物不同，影响也不及罗纹织物明显，当应变低于5%时，灵敏度随织物密度的增加而降低，但在应变高于5%时，灵敏度随织物密度的增加而增加，灵敏度最高的是试样2#在应变为6%时的灵敏度系数最高为0.92。由此可见，织物的组织结构和密度是影响导电针织物灵敏度的重要因素。

图3 灵敏度与应变的关系曲线Fig.3 Relation curve between sensitivity and strain

2.4 稳定性

为衡量导电织物传感性能的稳定性，依据式(2)计算出导电针织物的稳定性系数δ的值，结果如表3所示。稳定性是衡量导电织物作为柔性传感器材料的一个重要指标，稳定性系数δ的值越小，表明织物的传感性能越稳定。

表3 导电针织物的稳定性Tab.3 Stability of the conductive fabrics

由表3可看出，织物结构对织物的稳定性有一定的影响，罗纹织物的稳定性比纬平针织物的要好。其原因可能是罗纹的弹性比纬平针的好，拉伸过程中织物塑性变形小，每次拉伸织物电阻的变化率差异不大。织物密度是影响织物稳定性的又一个因素，纬平针织物中试样3#的稳定性最好，罗纹织物中试样5#的稳定性最好，适当的织物密度有利于织物稳定性的提高。因为密度是影响织物弹性的重要因素之一，密度过大或过小都会降低织物的弹性，使织物塑性变形增大，稳定性变差。

2.5 可重复性

为考察织物传感器使用的耐久性，根据式 (3)计算导电针织物的可重复性系数σ，结果如图4所示。可重复性系数σ的值越小，说明每次拉伸回复中织物拉伸电阻与回复电阻的差值的离散性越小，织物的可重复性越好，织物传感器使用的耐久性越好。由图4可知，在本文实验范围内，2种不同结构试样的可重复性随着织物密度的变化表现出不同的变化规律，纬平针织物的可重复性随着密度的减小而增大，而罗纹织物的可重复性随着密度的减小而减小。从织物结构来看，对于密度较大的试样1#和4#，罗纹织物4#的可重复性好于纬平针织物1#，但当密度减小到一定程度时，纬平针织物的可重复性要好于罗纹织物，如图中的试样2#和3#的可重复性比试样5#和6#的好。进一步观察发现，罗纹试样4#的可重复性接近于纬平针试样2#、3#的可重复性，说明只要密度合适，罗纹织物与纬平针织物可以达到近似相等的可重复性。由此可知，织物结构对导电针织物的可重复性有一定影响，但织物密度是影响可重复性的关键因素。