韓曉雪， 繆旭紅

(1. 江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

近年來，針織柔性傳感器得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并取得一定的研究成果。與傳統(tǒng)的剛性傳感元件相比，針織柔性傳感器具有舒適性強(qiáng)、柔軟性好、貼身便攜的優(yōu)勢，是制備智能紡織品的優(yōu)選材料。目前針對緯編針織物沿橫列方向織物導(dǎo)電性能與小應(yīng)變范圍拉伸下的電阻應(yīng)變關(guān)系研究較多：王金鳳等[1]用鍍銀紗編織橫條紋假羅紋、豎條紋假羅紋與緯平針織物，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中人體呼吸、心跳導(dǎo)致的皮膚擴(kuò)張情況，考察導(dǎo)電針織物在1%～30%應(yīng)變下的電阻應(yīng)變關(guān)系；蔡倩文等[2]將5種導(dǎo)電紗線分別與粘膠、氨綸包芯紗混織，并測試不同橫列、縱行的織物導(dǎo)電性能，為發(fā)現(xiàn)其他較為合理的導(dǎo)電原料提供了參考；易紅霞等[3]提出并構(gòu)建了基于針織物柔性傳感器ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人體生理參數(shù)的采集，對針織物柔性傳感器在智能服裝上的集成進(jìn)行了初步實(shí)踐；基于同樣的原理，Atalay等[4]開發(fā)了基于紡織品的應(yīng)變傳感呼吸帶，并從中獲得了與模擬數(shù)據(jù)一致的電阻響應(yīng)信號(hào)。對于氨綸織物在較大應(yīng)變范圍的縱向拉伸下電阻應(yīng)變關(guān)系的探討內(nèi)容很少，張舒等[5]將鍍銀錦綸與氨綸或滌綸交織成彈性與非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物，將2種導(dǎo)電經(jīng)編織物沿線圈縱行方向拉伸并對其電力學(xué)性能進(jìn)行了理論闡述。

無縫內(nèi)衣是通過一次性無縫成形工藝編織而成，手感柔軟有彈性，貼合人體并能對其產(chǎn)生一定壓力，有“人體第二皮膚之稱”[6]，因此，無縫針織內(nèi)衣是襯入柔性傳感器的理想材料。有研究表明，人體特定關(guān)節(jié)的移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)皮膚在縱向上的延伸[7]，比如膝蓋關(guān)節(jié)的正常彎曲會(huì)造成35%～45%的皮膚伸展，因此，要實(shí)現(xiàn)在無縫內(nèi)衣中嵌入導(dǎo)電織物來監(jiān)測人體肘部、膝部等彎曲運(yùn)動(dòng)情況，就需要探究其在縱向產(chǎn)生較大應(yīng)變下的電力學(xué)性能。本文主要探討鍍銀導(dǎo)電紗線織制的平針、1+1假羅紋和2+1假羅紋氨綸導(dǎo)電織物在沿線圈縱行方向拉伸下的電阻-應(yīng)變關(guān)系，并與氨綸導(dǎo)電織物、非氨綸織物在橫向拉伸狀態(tài)下的電力學(xué)性能進(jìn)行對比?；阱\綸基鍍銀紗線與滌綸/氨綸包芯紗制備3種組織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物，并改變導(dǎo)電區(qū)域的橫列數(shù)和縱行數(shù)，觀察試樣在完整的縱向拉伸過程中的電力學(xué)性能，為開發(fā)可監(jiān)測人體關(guān)節(jié)彎曲狀況的智能無縫運(yùn)動(dòng)服和無縫內(nèi)衣提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和設(shè)備

材料：錦綸基鍍銀纖維長絲紗(線密度為 44 dtex(24 f)，全拉伸絲，阻值為(77±4) Ω/cm，青島亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司)；錦綸/氨綸包芯紗(氨綸芯紗線密度為22 dtex，錦綸包紗線密度為55 dtex(48 f)，諸暨市大唐泓諾化纖有限公司)；錦綸長絲紗(線密度為55 dtex(48 f)，南通科嘉紡織纖維制品有限公司)。

設(shè)備：SM8-TOP2 MP2型圣東尼單面無縫內(nèi)衣機(jī)(筒徑為38.1 cm，機(jī)號(hào)為28)，圣東尼(上海)針織機(jī)器有限公司；VICTOR 4 105 A型低電阻測試儀，深圳市勝利高電子科技有限公司；YG0260D型多功能電子織物強(qiáng)力儀，寧波紡織儀器廠。

1.2 導(dǎo)電針織物的制備

針織內(nèi)衣具有手感柔軟、穿著舒適、可襯入柔性傳感器的優(yōu)點(diǎn)，平針和假羅紋是無縫內(nèi)衣產(chǎn)品中使用較多的組織結(jié)構(gòu)。人體內(nèi)衣采用平針組織達(dá)到收胸、瘦臀的效果，采用假羅紋具有更好的彈性和延伸性，可用于腰腹部位達(dá)到收腰、收腹效果[6]。實(shí)驗(yàn)選用緯平針、1+1假羅紋和2+1假羅紋3種結(jié)構(gòu)織制導(dǎo)電針織物：假羅紋是一種浮線組織，前面數(shù)字代表一個(gè)循環(huán)中參加不編織的針數(shù)，后面數(shù)字代表參加編織的針數(shù)。

實(shí)驗(yàn)樣品在單面無縫成型內(nèi)衣機(jī)上織造，樣品基布主紗采用錦綸長絲紗，導(dǎo)電區(qū)域主紗為錦綸基鍍銀纖維，添紗均為錦綸/氨綸包芯紗。每種結(jié)構(gòu)各織制橫列數(shù)相同，縱行數(shù)分別為24、48和74的3種導(dǎo)電區(qū)域?qū)挾鹊脑嚇舆M(jìn)行測試。9種織物的規(guī)格如表1所示。

表1 緯編織物規(guī)格表Tab.1 Weft-knitted fabric specification

1.3 導(dǎo)電織物的電阻-應(yīng)變傳感性能測試

在多功能電子織物強(qiáng)力儀上將彈性導(dǎo)電織物沿織物縱向夾持，夾持長度為150 mm，使用低電阻測試儀測試其電阻，記錄初始電阻值，織物每伸長 7.5 mm記錄1個(gè)電阻值，直至織物達(dá)到拉伸極限為止。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物電阻-應(yīng)變關(guān)系

3種組織的不同縱行數(shù)的導(dǎo)電織物電阻-應(yīng)變曲線如圖1所示?？梢姡谘乜椢锟v向進(jìn)行拉伸的情況下，氨綸緯編導(dǎo)電織物在拉伸過程中電阻隨應(yīng)變的變化情況總共可分為4個(gè)階段：1)階段Ⅰ，隨著應(yīng)變的增大，織物的電阻呈現(xiàn)較快的上升；2)階段Ⅱ，隨著應(yīng)變增加，織物電阻增長減慢，阻值趨于平緩；3)階段Ⅲ，織物電阻隨應(yīng)變增大呈現(xiàn)較快的下降趨勢；4)階段Ⅳ，隨著應(yīng)變增大，織物阻值趨于平緩，幾乎沒有變化，因此，可見氨綸緯編導(dǎo)電織物沿縱行方向的電力學(xué)性能與氨綸經(jīng)編織物[5]的相似。

圖1 9種織物電阻-應(yīng)變曲線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

王金鳳等[8]基于針織物線圈結(jié)構(gòu)建立了電阻六角模型，將導(dǎo)電針織物看作各紗段電阻和接觸電阻組成的串并聯(lián)復(fù)雜電路網(wǎng)。緯編彈性導(dǎo)電織物的電阻受紗線間接觸電阻、紗線自身電阻和線圈紗段轉(zhuǎn)移的影響。在織物拉伸初始階段，織物線圈中的沉降弧與針編弧段向圈柱進(jìn)行轉(zhuǎn)移，此時(shí)線圈紗段電阻的變化會(huì)影響織物電阻變化。由于圈柱、沉降弧和針編弧長度很短，線段轉(zhuǎn)移的長度有限，而隨著織物不斷被拉伸，線圈之間的接觸力不斷增大，因此，電阻變化主要由接觸電阻的變化導(dǎo)致。緯平針織物隨縱向應(yīng)變增大的線圈狀態(tài)變化如圖2所示。

圖2 織物拉伸過程中線圈變化Fig.2 Coil changes during fabric drawing. (a) Fabric relaxation; (b) Stretching state 1; (c) Stretching state 2; (d) Stretching state 3

由圖2可知，由于氨綸存在彈性，織物松弛時(shí)線圈緊密排列，同層紗線間接觸面積大，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的接觸電阻理論可知，此時(shí)織物電路的接觸電阻小，故織物總體的初始電阻小。在織物拉伸過程中，同層導(dǎo)電紗線接觸面積減小，上下層導(dǎo)電紗線間的接觸面積增大，初始拉伸階段織物縱向線圈密度變化較明顯，同層紗線接觸面積的變化要大于上下層間接觸面積的變化，因此，織物電阻整體呈現(xiàn)上升趨勢；之后同層導(dǎo)電紗線接觸面積的變化與上下層間的接觸面積的變化相近，織物電阻呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢；隨著織物繼續(xù)拉伸，紗線線段的轉(zhuǎn)移不再明顯，織物線圈密度變化很小，上下層導(dǎo)電紗線接觸面積的變化要大于同層間的接觸面積的變化，織物電阻呈現(xiàn)下降趨勢；最終，織物接近拉伸極限，上下層導(dǎo)電紗線接觸面積和同層間的接觸面積變化都不再明顯，織物電阻呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。

2.2 織物組織對其電力學(xué)性能的影響

由圖1可以看出，在階段Ⅰ和階段Ⅲ的拉伸過程中，3種組織的彈性緯編織物的電阻隨應(yīng)變的變化趨勢總體接近線性關(guān)系。經(jīng)測量得到織物2個(gè)拉伸階段的靈敏度，如表2所示。

表2 各織物應(yīng)變范圍及靈敏度Tab.2 Strain range and sensitivity of fabric

注：KⅠ為導(dǎo)電織物在第Ⅰ階段的靈敏度，即織物電阻變化量/織物應(yīng)變量；KⅢ為導(dǎo)電織物在第Ⅲ階段的靈敏度。

結(jié)合圖1和表2可見，階段Ⅰ拉伸過程中，在縱行數(shù)相同的情況下，導(dǎo)電織物的靈敏度為平針最好，1+1假羅紋次之，2+1假羅紋最差。這說明導(dǎo)電織物的組織結(jié)構(gòu)對其靈敏度有較大影響。

由于圓機(jī)上織造的1+1假羅紋與2+1假羅紋是一種浮線組織，如圖3、4所示。

圖3 導(dǎo)電緯編針織物實(shí)物圖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

圖4 3種組織的接觸點(diǎn)分布示意圖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

由圖3、4可知，織物存在浮線且長短不同，因此，在具有相同的橫列數(shù)和縱行數(shù)條件下，平針織物的線圈數(shù)量最多，1+1假羅紋次之，2+1 假羅紋最少。線圈數(shù)量多，則導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)同層導(dǎo)電紗線之間的接觸點(diǎn)多，接觸面積大，在初始拉伸時(shí)，接觸電阻的變化也越快，靈敏度也就越好。

2.3 導(dǎo)電區(qū)域縱行數(shù)對其電力學(xué)性能影響

結(jié)合圖1和表2可知，階段Ⅰ拉伸過程中，在織物結(jié)構(gòu)相同的情況下，3種織物的導(dǎo)電區(qū)域縱行數(shù)越少，導(dǎo)電織物的靈敏度越大，而且在相同的拉伸應(yīng)變下，縱行數(shù)越少的導(dǎo)電織物阻值越高。在階段Ⅲ拉伸過程中，這一結(jié)論對于1+1假羅紋不再成立，但同種組織結(jié)構(gòu)下，縱行數(shù)少的導(dǎo)電織物靈敏度依然較高。

基于沿導(dǎo)電針織物橫列方向測量建立的等效電阻模型[8-10]，針織物電路是綜合了并聯(lián)和串聯(lián)的復(fù)雜電路網(wǎng)，沿針織物縱行方向?yàn)椴⒙?lián)電路，沿橫列方向?yàn)榇?lián)電路。本文對導(dǎo)電織物電阻的測量是基于縱向，在針織物同一縱行上為紗段電阻之間的并聯(lián)，但隨著橫列數(shù)增多，一個(gè)縱行的總電阻也隨之增大；在同一橫列為各縱行電阻的并聯(lián)，因此，在實(shí)驗(yàn)試樣中，織物電阻隨縱行數(shù)的減少而增大。

2.4 拉伸方向和彈性對電力學(xué)性能的影響

2.4.1氨綸緯編織物橫縱向拉伸比較

將實(shí)驗(yàn)中的A3與B3樣品沿橫列方向進(jìn)行拉伸，測試其電阻-應(yīng)變變化情況，如圖5所示。結(jié)合圖1、5可以發(fā)現(xiàn)，在拉伸應(yīng)變小于100%時(shí)，緯編彈性織物沿橫列方向和沿縱行方向拉伸的電阻-應(yīng)變關(guān)系相似。而橫向拉伸與縱向拉伸的主要區(qū)別在于紗線線段的轉(zhuǎn)移方向不同，可得知在織物拉伸過程中，接觸電阻的變化起主導(dǎo)作用，而沿橫列方向線圈中，紗線的轉(zhuǎn)移造成的電阻變化對織物本身電阻變化影響不大。

圖5 2種織物橫向拉伸的電阻-應(yīng)變關(guān)系Tab.5 Resistance-strain curves of two types of fabric with horizontal stretching

2.4.2彈性與非彈緯編織物橫向拉伸比較

根據(jù)文獻(xiàn)[1]沿橫列方向拉伸非彈性鍍銀紗緯平紋織物，得到的織物電阻-應(yīng)變關(guān)系是隨著應(yīng)變增大，織物電阻呈線性減小，應(yīng)變超過20%之后電阻下降不明顯。這一趨勢與添加氨綸的鍍銀紗緯平紋織物表現(xiàn)出的沿橫向拉伸的電力學(xué)性能相反。這是由于氨綸的存在使得織物線圈排列緊密，同層紗線接觸面積大，因此，在織物拉伸初始階段，同層紗線間接觸電阻的變化起主要作用。非彈性緯編織物在拉伸初始階段，織物線圈密度變化很小，上下層紗線間的接觸電阻變化起主要作用。

3 結(jié) 論

小應(yīng)變范圍的織物拉伸電阻-應(yīng)變關(guān)系可應(yīng)用于測量人體呼吸、心跳等產(chǎn)生較小皮膚形變量的生理信號(hào)，而人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測如對膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)變化的監(jiān)測需要考慮到導(dǎo)電織物在更大應(yīng)變范圍的電力學(xué)性能。經(jīng)過研究較大應(yīng)變范圍的9種規(guī)格織物的電阻-應(yīng)變關(guān)系，得出以下結(jié)論。

1) 氨綸緯編織物在縱向拉伸時(shí)電阻的變化情況與彈性經(jīng)編織物的相似，都呈現(xiàn)出電阻值隨織物伸長先呈線性增長，隨后增長緩慢至阻值穩(wěn)定，再線性下降最終趨于穩(wěn)定的電力學(xué)性能。

2) 織物的組織結(jié)構(gòu)對導(dǎo)電織物靈敏度有著較大影響，在線圈橫列與縱行數(shù)目相同的情況下，緯平針的靈敏度最好，1+1羅紋次之，2+1羅紋最差。

3) 沿導(dǎo)電針織物縱行方向拉伸時(shí)，在線圈橫列數(shù)目相同的情況下，縱行數(shù)較少的導(dǎo)電織物電阻值較高且靈敏度更好。

在使用針織柔性傳感器監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，要考慮應(yīng)用部位的大小和人體正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的應(yīng)變范圍，以選擇合適的導(dǎo)電區(qū)域縱行數(shù)與織物組織。