王浣雨 孟粉葉 胡吉永 楊旭東

1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620;2.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 時(shí)尚設(shè)計(jì)學(xué)院,浙江 嘉興 314000

相對(duì)恒定的體溫是人體進(jìn)行日常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)[1],體溫偏離正常值時(shí)人體內(nèi)酶的活性將受到影響,導(dǎo)致各種細(xì)胞、組織和器官功能紊亂或死亡[2],從而影響人體健康。相比傳統(tǒng)的體溫監(jiān)測(cè)儀,新型溫度傳感紗具有柔軟、靈敏、輕巧等優(yōu)點(diǎn),受到越來越多的關(guān)注。其中,溫度傳感混合電子紗是一種將傳統(tǒng)的硬質(zhì)微小溫度傳感元件與柔性電路相結(jié)合制成的電子紗[3],其克服了溫度傳感紗傳感材料與引線材料難以分離且不能對(duì)單點(diǎn)皮膚溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的缺陷,具有良好的隱蔽性和產(chǎn)品穿戴舒適性,適用于動(dòng)態(tài)溫度和單點(diǎn)皮膚溫度的測(cè)量。

傳統(tǒng)的電子封裝技術(shù)能夠減小外力作用及水分、汗液等對(duì)傳感元件的破壞,提高電子元件的耐久性,但會(huì)造成電子紗整體柔軟度與產(chǎn)品穿戴舒適性下降,導(dǎo)致人體穿著體驗(yàn)感較差。為提高溫度傳感混合電子紗的整體美觀性和舒適性,可使用紡織纖維對(duì)傳感元件和引線材料進(jìn)行包覆。目前常見的包覆方法有針織、編織和包纏3種,已廣泛用于普通紡織品的包覆織制,但用于溫度傳感混合電子紗的制備還鮮有涉及,并且不同包覆方法對(duì)紗線性能的影響也未可知。

針織包覆方法集成的紗線孔隙較大,無法完全包覆內(nèi)部纖維和傳感元件,達(dá)不到隱蔽性要求?；诖?本文分別采用編織和包纏2種方法對(duì)可拉伸溫度傳感混合電子紗進(jìn)行封裝包覆,并對(duì)所得2種包纏傳感紗的表面形態(tài)、伸長(zhǎng)率、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行測(cè)試與分析,探討包覆方法對(duì)可拉伸溫度傳感混合電子紗性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

將0.07 mm的銅絲漆包線螺旋纏繞于線密度為124.4 tex的高彈性氨綸上,通過單向熱壓焊接方式將銅絲與商用10 kΩ 的0402 NTC熱敏電阻連接,并采用熱縮管封裝技術(shù)將其封裝在紗線上,制成電子紗。為減少熱量積累,提高電子紗的導(dǎo)熱性能,延長(zhǎng)傳感元件的使用壽命,選擇具有良好的強(qiáng)度、耐磨性和導(dǎo)熱性的錦綸復(fù)絲(規(guī)格為11.1 tex/34 f)作為包覆材料,分別對(duì)可拉伸溫度傳感混合電子紗進(jìn)行包纏包覆和編織包覆。

1.1.1 包纏包覆

常見的包纏紗有單層包纏紗和雙層包纏紗2種,其中雙層包纏紗具有對(duì)稱結(jié)構(gòu),中間層芯紗受到的兩側(cè)壓力大小相等,因而芯紗不易滑移[4]。研究表明,以相反方向?qū)ΨQ包纏芯紗得到的紗線彈性好[5]。本文使用自制的空心錠包纏紡紗機(jī)制備單層和雙層包纏傳感紗。然而,制備過程中發(fā)現(xiàn)2種包纏傳感紗均存在露芯的情況,因此最終制備了單層、雙層和三層包纏傳感紗。其中,單層包纏傳感紗示意圖如圖1所示。

圖1 單層包纏傳感紗示意圖

1.1.2 編織包覆

采用12錠高速編織機(jī)對(duì)可拉伸溫度傳感混合電子紗進(jìn)行編織包覆,得到的編織傳感紗如圖2所示。編織紗與編織軸向的夾角稱為編織角。編織角是影響紗線力學(xué)性能的主要參數(shù)。魏雅斐[6]使用編織技術(shù)制備了不同編織結(jié)構(gòu)與編織角的聚芳酯編織纖維繩,并對(duì)其進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著編織角增大,編織繩的伸長(zhǎng)率增大,斷裂強(qiáng)力和比強(qiáng)度則減小。本文主要通過控制送紗系統(tǒng)和卷繞系統(tǒng)的速度,調(diào)整芯紗緊度和編織點(diǎn)位置來改變編織角大小,制備出編織角分別為50°、60°和70°的3種編織傳感紗。

圖2 編織傳感紗示意圖

1.2 測(cè)試與表征

1.2.1 表面形態(tài)

為清楚地觀察包纏傳感紗和編織傳感紗的包覆效果,使用HDMI200C-B型電子顯微鏡觀察2類包覆傳感紗的包覆結(jié)構(gòu),采用比例尺測(cè)算不同包纏層數(shù)和編織角下傳感區(qū)域的直徑,并使用顯微鏡的測(cè)量功能測(cè)量編織紗的編織角,每種包纏層數(shù)和編織角的紗線各測(cè)試5個(gè)試樣,每個(gè)試樣選擇10個(gè)不同的部位進(jìn)行測(cè)試。

1.2.2 伸長(zhǎng)率

測(cè)量不同包纏層數(shù)和編織角的可拉伸溫度傳感混合電子紗的伸長(zhǎng)量,按式(1)計(jì)算其伸長(zhǎng)率。每種紗線測(cè)試5個(gè)試樣,每個(gè)試樣選取5個(gè)不同的部位進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果取平均值。

(1)

式中:δ為伸長(zhǎng)率;L0為可拉伸溫度傳感混合電子紗在自然伸直狀態(tài)下的長(zhǎng)度;L1為紗線拉伸到最大程度時(shí)的長(zhǎng)度。

1.2.3 傳感性能

1.2.3.1 電阻

將2種不同包覆方法包覆的可拉伸溫度傳感混合電子紗試樣放置在P-10型加熱臺(tái)上,使其傳感部位靠近加熱平面,在28～43 ℃(人體溫度)的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溫度并測(cè)試電阻,每次測(cè)試時(shí)加熱平面溫度升高1 ℃,精度控制在-0.1～0.1 ℃。采用電阻測(cè)試設(shè)備(安捷倫34970A)進(jìn)行多通道獨(dú)立測(cè)試,在數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)端采集電阻值,采樣頻率為1 s/次,持續(xù)采集3 min,每種包覆傳感紗測(cè)試5個(gè)不同的試樣以排除偶然性因素。

1.2.3.2 響應(yīng)時(shí)間

在45 ℃的加熱平面上穩(wěn)定采集完試樣的電阻值后,迅速將其轉(zhuǎn)移至室溫(25 ℃)環(huán)境下放置5 min,待電阻趨于穩(wěn)定后,再將試樣移至45 ℃的加熱平面上,測(cè)試升降溫后試樣電阻的變化。采樣頻率為1 ms/次,取電阻值變化63.2%所需的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間[7]。每種包覆傳感紗測(cè)試5個(gè)不同的試樣,每個(gè)試樣測(cè)試6次,結(jié)果取平均值。

1.2.4 循環(huán)拉伸性能

將2種包覆傳感紗在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±2)%的環(huán)境中放置24 h后,采用自制的紗線拉伸平臺(tái)進(jìn)行循壞拉伸性能測(cè)試。設(shè)置紗線初始長(zhǎng)度為5 cm,拉伸停頓時(shí)間和回復(fù)時(shí)間均為1 s,以2.5 mm/s的速度勻速拉伸,并在10%的應(yīng)變下往返拉伸100次。試驗(yàn)過程中使用安捷倫34970A電阻測(cè)試設(shè)備的夾頭夾持紗線的引線端口,同步測(cè)試紗線的電阻(圖3),電阻采樣頻率為200 ms/次。為防止空氣流通對(duì)包覆傳感紗電阻產(chǎn)生影響,測(cè)試過程在密閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,每根紗線的測(cè)試時(shí)間僅為10 min。

圖3 可拉伸溫度傳感混合電子紗的電學(xué)和力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形態(tài)與伸長(zhǎng)率

2.1.1 包纏傳感紗

圖4為電子顯微鏡拍攝的不同包纏層數(shù)包纏傳感紗照片。由圖4可以看出,隨著包纏層數(shù)的增加,芯紗顏色逐漸變淡,三層包纏后芯紗完全被包覆,如圖4c)所示。

圖4 不同包纏層數(shù)的包纏傳感紗

測(cè)試并計(jì)算不同包纏層數(shù)的包纏傳感紗傳感區(qū)域的直徑和紗線伸長(zhǎng)率,結(jié)果如表1所示。結(jié)合圖4和表1可知,隨著包纏層數(shù)的增加,傳感區(qū)域直徑逐漸增大,紗線伸長(zhǎng)率則減小。這是因?yàn)閭鞲屑喌睦煨阅苤饕蓛?nèi)部的芯紗提供,包纏層數(shù)增加,芯紗與包纏紗間的阻力增大,伸長(zhǎng)率減小。

表1 不同包纏層數(shù)包纏傳感紗的傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率

2.1.2 編織傳感紗

圖5為電子顯微鏡拍攝的3種不同編織角編織傳感紗照片。編織角的實(shí)測(cè)值及編織傳感紗傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)合圖5和表2可知,隨著編織角的減小,傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率均減小,這是因?yàn)榫幙椉喚幙椊禽^小時(shí),編織紗向中心擠壓,受外力拉伸時(shí),編織紗旋轉(zhuǎn)伸直空間較小,紗線更易于達(dá)到斷裂伸長(zhǎng)的極限而發(fā)生斷裂,從而使傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率均減小。

表2 不同編織角編織傳感紗的傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率

圖5 不同編織角的編織傳感紗

普通織物的伸長(zhǎng)率通常小于20%,為了使傳感紗制成的織物具有較好的接觸舒適性,降低穿著異物感,綜合考慮后,選擇伸長(zhǎng)率較低的三層包纏傳感紗和編織角為50°的編織傳感紗(圖6)進(jìn)行后續(xù)傳感性能和循環(huán)拉伸性能試驗(yàn)。由圖6可以看出,紗線傳感區(qū)域的直徑明顯大于導(dǎo)線區(qū)域的。經(jīng)測(cè)量計(jì)算得到,包纏紗傳感區(qū)域直徑為(1.80±0.17)mm,導(dǎo)線區(qū)域直徑為(0.95±0.08) mm;編織紗傳感區(qū)域直徑為(1.63±0.11)mm,導(dǎo)線區(qū)域直徑為(1.06±0.03)mm。可知,編織傳感紗傳感區(qū)域和導(dǎo)線區(qū)域的直徑差異相對(duì)較小,整體包覆更均勻。

圖6 兩種不同包覆方法的傳感紗試樣

2.2 傳感性能

2.2.1 靈敏度

電阻溫度系數(shù)是分析電阻型傳感元件溫度靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)[8],通常表示在零功率條件下,傳感元件溫度變化1 ℃時(shí)電阻的相對(duì)變化,計(jì)算式如式(2)所示。

(2)

式中:α為電阻溫度系數(shù);Rt為t℃下被測(cè)試樣的電阻;Ri為i℃下被測(cè)試樣的初始電阻;t=i+Δt,Δt為溫度變化。熱敏電阻是通過熱阻傳感的,因此可通過α表征其有效靈敏度,α的絕對(duì)值越大,傳感元件的靈敏度越高。

圖7為2種不同包覆方法制備的傳感紗的相對(duì)電阻-溫度變化情況。由圖7可以看出,2種包覆傳感紗的相對(duì)電阻(ΔR/R0,ΔR為電阻變化量,R0為初始電阻)隨溫度變化均呈線性響應(yīng)(R2>0.99)。擬合直線的斜率反映溫度傳感紗的靈敏度。由圖7可以看出,2種包覆傳感紗擬合直線的斜率均小于原始熱敏電阻的,且編織傳感紗的靈敏度與熱縮管封裝傳感紗的更接近。

圖7 不同包覆方法的溫度傳感紗的相對(duì)電阻-溫度變化情況

為判斷包覆及包覆方法對(duì)傳感紗靈敏度的影響,對(duì)熱縮管封裝傳感紗、包纏傳感紗和編織傳感紗的靈敏度進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果表明:當(dāng)β=0.05時(shí),P=0.51>β,說明3種紗線的靈敏度無顯著差異。計(jì)算得到原始熱敏電阻、熱縮管封裝傳感紗和2種包覆傳感紗的靈敏度均值如圖8所示。由圖8可以看出,在人體溫度范圍(28～43 ℃)內(nèi),溫度每改變1 ℃時(shí),傳感紗的電阻變化超過3.09%,適合用于人體皮膚表面溫度的監(jiān)測(cè)。與熱縮管封裝傳感紗相比,編織傳感紗的靈敏度降低了1.21%,包纏傳感紗的靈敏度降低了1.35%;與原始熱敏電阻相比,編織傳感紗的靈敏度降低了1.89%,包纏傳感紗的靈敏度降低了2.02%,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是紗線經(jīng)包覆后,熱量需通過包覆紗和熱縮管后才能傳導(dǎo)給熱敏電阻,而包纏傳感紗傳感區(qū)域的直徑比編織傳感紗的大,使得熱敏電阻與加熱平臺(tái)的距離增大,兩者的溫度差因此增大,靈敏度降低。

圖8 4種溫度傳感紗的靈敏度對(duì)比

2.2.2 響應(yīng)時(shí)間

包覆傳感紗的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況如圖9所示。由圖9可以看出,熱壓焊接傳感紗的響應(yīng)速度非?？?曲線幾乎呈垂直狀態(tài),熱縮管封裝傳感紗的響應(yīng)速度比熱壓焊接傳感紗的慢,但比包纏傳感紗和編織傳感紗的快,且包纏傳感紗的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線最平緩。為探討包覆及包覆方法對(duì)傳感紗響應(yīng)時(shí)間的影響,對(duì)熱縮管封裝傳感紗、包纏傳感紗和編織傳感紗的升/降溫響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行單因素方差檢驗(yàn)分析,結(jié)果顯示:升溫過程中,當(dāng)β=0.05時(shí),Fβ=3.10,F(2,87)=131.04>Fβ;降溫過程中,當(dāng)β=0.05時(shí),Fβ=3.10,F(2,87)=52.76>Fβ,說明3種傳感紗的升/降溫響應(yīng)時(shí)間均存在顯著差異。通過進(jìn)一步對(duì)比兩兩組別的差異可知,升/降溫過程中,包纏傳感紗與熱縮管封裝傳感紗的P<β,編織傳感紗與熱縮管封裝傳感紗的P<β,包纏傳感紗與編織傳感紗的P<β,說明包覆及包覆方法均對(duì)傳感紗的升/降溫響應(yīng)時(shí)間有顯著影響。

圖9 不同溫度傳感紗試樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況

表3給出了不同溫度傳感紗試樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。通常人體皮膚溫度在幾分鐘內(nèi)即出現(xiàn)一定幅度的變化[9],溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于30 s時(shí),才能獲得精確且連續(xù)的溫度測(cè)量值[10]。由表3數(shù)據(jù)可知,經(jīng)包纏、編織包覆后傳感紗的升降溫響應(yīng)時(shí)間均小于16 s,說明2種包覆傳感紗均適合于人體皮膚表面溫度變化的監(jiān)測(cè)。對(duì)比熱壓焊接傳感紗的響應(yīng)時(shí)間可知,熱縮管封裝傳感紗和2種包覆傳感紗的升/降溫響應(yīng)時(shí)間均更長(zhǎng),原因主要是封裝/包覆結(jié)構(gòu)增加了傳感區(qū)域與加熱臺(tái)平面之間的距離,增大了熱阻抗,從而延緩了溫度傳導(dǎo);所有試樣的降溫響應(yīng)時(shí)間均明顯大于升溫響應(yīng)時(shí)間,原因是降溫過程中,熱空氣滯留在紗線的纖維孔隙中,加之封裝/包覆材料的熱慣性,導(dǎo)致熱量散失較慢。其中,編織傳感紗的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間比包纏傳感紗的短,響應(yīng)速度更快,原因是編織傳感紗的孔隙小,包含的靜態(tài)空氣量少,熱量傳遞速度快。

表3 不同溫度傳感紗試樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

2.3 循環(huán)拉伸性能

圖10為2種包覆傳感紗在10%應(yīng)變下循環(huán)拉伸100次過程中電阻的變化情況。從圖10可以看出,2種包覆傳感紗的最大電阻變化率均在-1%～1%范圍內(nèi)波動(dòng)。通過數(shù)值計(jì)算可得,包纏傳感紗在10 %應(yīng)變下電阻變化率為-(1.16±0.11)%～(1.14±0.09)%,對(duì)應(yīng)的溫度變化為-(0.36±0.02)～(0.31±0.03)℃;編織傳感紗的電阻變化率為-(1.11±0.12)%～(0.36±0.07)%,對(duì)應(yīng)的溫度變化為-(0.09±0.03)～(0.29±0.02)℃。由此可知,編織傳感紗的溫度變化比包纏傳感紗的小,且兩者的溫度變化均小于0.4 ℃,而檢測(cè)糖尿病足潰瘍的溫度精度為-0.5～0.5 ℃[11]?？芍?制備的2種包覆傳感紗均可用于監(jiān)測(cè)人體表面皮膚溫度變化。

圖10 2種包覆傳感紗在10%應(yīng)變下循環(huán)拉伸100次過程中電阻的變化情況

3 結(jié)論

為滿足混合電子紗的柔軟舒適性要求,分別選擇包纏和編織2種方法對(duì)經(jīng)熱縮管封裝的可拉伸溫度傳感混合電子紗進(jìn)行包覆,探討不同包纏層數(shù)和編織角對(duì)傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率的影響。對(duì)比選定的2種包覆傳感紗,探討包覆及包覆方法對(duì)紗線傳感性能和循環(huán)拉伸性能的影響。主要研究結(jié)論如下:

(1)包纏層數(shù)對(duì)包纏傳感紗的傳感區(qū)域直徑無顯著影響,對(duì)紗線伸長(zhǎng)率影響較大,包纏層數(shù)增加,紗線伸長(zhǎng)率減小;編織角對(duì)編織傳感紗的傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率均有顯著影響,編織角小,傳感區(qū)域直徑和紗線伸長(zhǎng)率均較小。

(2)包覆及包覆方法對(duì)傳感紗的靈敏度無顯著影響,但對(duì)響應(yīng)時(shí)間有影響。其中,編織傳感紗的靈敏度高于包纏傳感紗的,響應(yīng)時(shí)間也更短。

(3)2種包覆傳感紗的電阻在循環(huán)拉伸過程中的變化均較小。