织物宽度及基底组织原料对导电针织物电阻的影响

李佳乐，王花娥，陈 力，于晓辉，刘玉珂，周舒怡

（嘉兴学院 设计学院，浙江 嘉兴 314001）

目前，随着自监测、自检测、自调整和自恢复概念的不断深入[1]，可穿戴智能纺织品的研究迅速发展。由于人们对各项生理参数精确度及穿着舒适性的重视，柔性织物传感器应运而生。与传统的硬件传感器相比，柔性织物传感器具有手感柔软、可拉伸、可弯曲等明显优势[2]，大幅度减小了传统传感器敏感度低、硬度大、体积大、检测范围较小等不足[3]。针织物因其柔软、延伸性好、穿着舒适等优势成为智能可穿戴设备中各类电子元件的良好载体[4]。

针织传感器可分为纬编织物和经编织物两种，目前研究大多采用纬编技术编织[5,6]。相关研究表明，不同的纱线原料、不同的拉伸方向、不同的尺寸等都与织物传感器性能密切相关[7]，将导电纱线与氨纶弹性纱、涤纶等并线编织，可以得到较高灵敏度的柔性织物传感器，同时还可以在很大程度上改善其机械性损伤、稳定性差等问题[8,9]。为探索织物宽度与基底组织原料对导电织物电阻的影响，本文以涤纶/石墨烯纤维长丝为导电原料，采用不同的涤纶长丝作为基底纱线，在电脑横机上编织1+1 罗纹导电织物，用数字万用表测试其静态电阻，分析导电织物宽度及基底组织原料对其静态电阻的影响。

1 实验

1.1 实验原料

涤纶/石墨烯纤维长丝（由诸暨金生康纺织科技有限公司生产），全拉伸丝（FDY），线密度为80D/36F，电阻率为2.2×104Ω·mm；涤纶纤维长丝（由市场购得），一种为拉伸变形丝（DTY），一种为全拉伸丝（FDY），线密度均为83D/24F。

1.2 实验仪器及设备

CMS530 HP E7.2 电脑横机（德国斯托尔公司），UT61E+数字万用表（优利德科技（中国）股份有限公司），电脑。

1.3 试样制备

实验将6 根石墨烯/涤纶纤维导电纱线与8根涤纶纤维长丝并线，采用3 种编织密度，在电脑横机上编织1+1 罗纹组织，共制备6 种试样。试样尺寸为横向20 cm，纵向5cm，中间20 行约2～2.5cm 左右用石墨烯/涤纶纤维导电纱线与涤纶长丝并线编织，其余部分由涤纶长丝编织。试样结构参数如表1 所示。表1 中，NP 值是一个无量纲，表示织针弯纱深度，NP 值越大，弯纱深度越深，织物线圈长度越大，密度越小。

表1 试样结构参数表

1.4 实验方法

实验在温度为（20±2）℃，相对湿度为（65±3）%的室内环境中进行。沿织物纵行方向距试样一端2cm 处划线，作为夹持部分；自划线处开始沿着织物横列方向量取6 cm作为测试部分，中间每间隔0.5 cm 画一个标记线。取一块表面平整光滑的木板，在其一端装一夹布夹作为固定夹，用绝缘胶带将薄铜片粘贴在固定夹内侧，木板上从固定夹夹线开始，每间隔0.5 cm 画一条标记线，以与试样上的标记线对应；另取一夹布夹（内侧也粘贴由薄铜片）作为活动夹，夹在试样的标记线位置上。用数字万用表夹头夹住试样两端的铜片，连接电脑测试试样的静态电阻。为减小测试误差，等到读数表读数稳定后，读取最后30 组数据，取其平均值作为织物静止状态下的电阻。更换测量点，进行重复操作。测量示意图如图1 所示。

图1 测量示意图

2 实验结果分析

2.1 试样宽度对织物电阻的影响

对于导电织物来说，织物电阻大小不仅和织物密度有关，还与织物的尺寸有关。图2 为试样电阻随着试样宽度的变化关系。从图2 中可以看出，试样基底组织无论是涤纶DTY 还是FDY 原料，密度相同时，织物电阻均随着试样宽度的增大而增大；宽度相同时，织物电阻均随着密度的增大而增大。造成这一现象的原因可能是：在织物密度一定的条件下，沿着织物横列方向，织物电阻相当于串联电阻，织物的宽度增大，电阻串联数增多，则累计总电阻越大，使得织物电阻增大；静止状态下，相同宽度的导电织物，一方面密度越大，织物在横列方向所含线圈数越多，织物的电阻也就越大，另一方面，密度增大，织物中导电纱线之间接触点增多，接触的面积增大，导电通路增加，使得织物电阻减小，在本实验范围内，可能是织物电阻由于密度增加减小的程度小于其增加的程度，最终表现为织物电阻增加。

图2 织物电阻随着试样宽度的变化关系

为进一步量化织物电阻随织物宽度的变化关系，对图2 中的数据进行线性拟合，结果如表2所示。表2 中，x 为测量宽度(cm)；y 为织物电阻(KΩ)。对拟合度的判定用相关系数R2，R2越趋向于1，则拟合方程的拟合度高。由表2 中可看出，无论是涤纶DTY 还是FDY 原料，R2都大于0.93，这表明6 组数据的拟合度都很高，且在实验范围内，织物密度越小，线性拟合度越高，织物导电性能越稳定。

表2 不同试样宽度与电阻关系的回归方程

2.2 不同基底组织原料对织物电阻的影响

图3 为NP=10.0 的情况下，两种不同基底组织原料的织物电阻随织物宽度的变化关系。从图3 可以看出，在试样宽度相同的条件下，以涤纶DTY为基底组织原料的织物电阻比以涤纶FDY 为基底组织原料的织物电阻大，且线性度更好。原因可能是：DTY 为拉伸变形丝，FDY 为全拉伸丝，DTY的弹性和延伸性比FDY 的好，在相同弯纱深度的情况下，由DTY 编织的线圈长度比由FDY 编织的线圈长度小，密度更大，织物更紧密，在相同宽度条件下，织物的电阻就越大；DTY 比FDY 的延伸性好、弹性大，使得织物的尺寸更稳定，因而织物电阻随着其宽度的变化关系也就更稳定，线性度越好，这一点从表2 也可以得到相同的结论。

图3 两种不同基底组织原料的织物电阻随织物宽度的变化关系（NP=10.0）

3 结论

为研究导电织物在不同宽度和不同基底组织原料情况下的静态电阻，实验测量了2 种不同基底组织纱线和3 种不同密度的6 种试样在不同宽度时的电阻，分析了织物宽度、密度、基地组织原料对织物静态电阻的影响，结论如下：

（1）在本实验范围内，编织密度相同时，无论基底组织采用哪种纱线编织，织物电阻都随着其宽度的增大而增大，且两者呈线性相关。

（2）在本实验范围内，编织密度和织物宽度一定时，基底组织原料DTY 比FDY 电阻更稳定。

（3）在本实验范围内，织物宽度不变时，织物电阻随着密度的增大而减小。