导电针织物不同方向上的电阻测试分析_陈奎元.pdf

2023年2月第1期近年来，随着远程医疗和移动监测技术的不断发展，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、传感范围小等缺陷1，限制了其在智能可穿戴领域的应用，正逐渐被柔性织物传感器所取代。与传统的硬件传感器相比，柔性织物传感器具有弹性模量较低、柔软性好、可拉伸、舒适性较好等优势2。针织物因其特殊的线圈结构而具有良好的弹性、延伸性等结构性能，织物手感柔软，穿着舒适，被广泛用于柔性织物传感器的研制。目前，针织传感器大都采用纬编织物，经编织物相对较少3-5，所用的导电纤维材料有不锈钢丝6-7、涂碳纤维8、镀银纤维9等。从查阅的文献来看，研究者采用不同的导电纤维纱线制成纬平针、罗纹、经编链、经平等针织组织，通过拉伸实验研究导电针织物的电阻与拉伸应变的关系，采用灵敏度、稳定性、重演性等指标对导电织物的传感性能进行表征和评价，结果显示导电织物的灵敏度并不高。文献中的拉伸实验，纬编针织物多沿横向拉伸，经编针织物沿纵向拉伸。织物电阻受纱线电阻、线圈中纱段的转移、纱线间接触电阻等因素的影响，其中纱线间接触电阻的变化是引起针织物电阻变化的关键因素。织物电阻随拉伸应变的变化率直接影响到导电织物的传感灵敏度10。对于纬编针织物来说，沿纵向拉伸或沿横向拉伸，织物中线圈纱段的转移和受力分布不同，进而影响织物中纱线间的接触电阻和纱线电阻，尤其是在小应力变形情况下。因此，为探索导电针织物不同方向上的电阻及其随拉伸应变的变化情况，本文以涤纶/石墨烯导电纱线为原料，在电脑横机上编织1+1罗纹织物作为试样，用数字万用表测试试样的电阻及在拉伸率为10%时的拉伸电阻，分析不同的取样方向对织物电阻的影响。1实 验1.1实验材料石墨烯纤维长丝（涤纶基，诸暨金生康纺织科技有限公司生产），全拉伸丝（FDY），线密度为8.89 dtex（36 f），电阻率为2.2104mm；涤纶纤维长丝（市场购买），全拉伸丝（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），优利德UT61E+数字万用表优利德科技（中国）股份有限公司、电脑。1.3试样制备采用6根涤纶/石墨烯导电复合纱线与8根涤纶纤维长丝并线，在电脑横机上编织3种不同密度的1+1罗纹织物，然后沿着织物的横向和纵向将1+1罗纹织物裁剪成不同尺寸的试样，试样结构参数如表1所示。表1中的横向尺寸是指试样沿织物横列方向的尺寸，纵向尺寸是指试样沿织物纵行方向的尺寸。导电针织物不同方向上的电阻测试分析陈奎元，王花娥，杨 姚，于晓辉（嘉兴学院 设计学院，浙江 嘉兴314001）摘要：为探索导电针织物不同方向上的电阻及其随拉伸应变的变化情况，文章以涤纶/石墨烯导电纱线为原料，采用1+1罗纹组织，在电脑横机上编织了3种不同密度、5种不同宽度的针织物，分别以织物的横列方向和纵行方向为试样的长度方向，制得5种不同宽度的试样共30块，用数字万用表测试了试样的电阻及在拉伸率为10%时的拉伸电阻，并对实验结果进行了比较分析。结果显示：密度相同的试样，织物在横向和纵向上的电阻和拉伸电阻均随着试样宽度的增加而减小；尺寸相同的试样，织物的纵向电阻和纵向拉伸电阻均大于其横向电阻和横向拉伸电阻，但二者拉伸电阻变化率在密度不同时的大小关系不同。关键词：导电针织物；织物电阻；拉伸电阻；测试方向Doi：10.3969/j.issn.2095-0101.2023.01.005中图分类号：TS941.19文献标识码：A文章编号：2095-0101（2023）01-0015-04收稿日期：2022-10-24基金项目：嘉兴学院2021年重点SRT基金项目（编号：CD8517211215）第一作者：陈奎元（2001），男，河南温县人，嘉兴学院设计学院在读本科学生，研究方向为工业设计。科研与生产152023年2月第1期表1涤纶/石墨烯导电针织物的结构参数注：NP值是一个无量纲，表示织物的编织密度，NP值越大，表示线圈长度越长，织物的密度越小。1.4实验方法实验在温度（202），相对湿度（653）的环境内进行。距离试样的头端2 cm划线，取试样中间的10 cm作为有效测试长度。实验时，用导电胶将薄铜片粘在试样两端，并用固定夹夹住，再用数字万用表的夹头夹住铜片，电脑与数字万用表相连以记录数据，如图1所示。实验开始，打开数字万用表开始计数，待万用表读数稳定之后，读取30组数据计算其平均值，得到试样未拉伸时的电阻值；然后，将试样拉伸至11 cm，即拉伸应变为10%，待万用表读数稳定之后，读取30组数据计算其平均值，得到试样在10%应变时的电阻值。这里将沿着织物横列方向测得的电阻称为横向电阻，沿着织物纵行方向测得的电阻称为纵向电阻。图1织物电阻测试示意图2实验结果与分析2.1试样宽度对织物电阻的影响对于导电针织物来说，织物电阻的大小不仅与织物的密度有关，还与织物的尺寸有关。图2为不同宽度试样未拉伸时的横向电阻，图3为不同宽度试样未拉伸时的纵向电阻。从图2、图3可以看出，无论是横向电阻还是纵向电阻，对于相同密度的试样，织物电阻随着织物宽度的增加而减小；对于相同宽度的试样，织物电阻随着织物密度的增加而减小。其主要原因是：相同尺寸情况下，织物的密度增加，纱线间的接触点增多，接触面积增大，接触电阻减小，从而使织物电阻减小；相同密度情况下，织物宽度增加，在织物中可以形成更多的导电通路，织物电阻减小。图2不同宽度试样的横向电阻图3不同宽度试样的纵向电阻良好的延伸性是针织物的主要物理特性之一，也是针织物作为柔性拉伸应变传感器的基础。为研究拉伸对织物电阻的影响，分别从横向和纵向两个方向对织物进行拉伸，得到拉伸率为10%时的织物电阻，结果如图4、图5所示。从图4可以看出，沿着织物横向拉伸时，对于同一密度的试样，随着织物宽度的增加其拉伸电阻值逐渐减小。沿着织物纵向拉伸时，对于同一密度的试样，则表现出与横向拉伸时不同的电阻变化规律，如图5所示，随着试样宽度的增加，织物电阻先是逐渐降低，而后又开始增大。造成这一现象的原因可能是：随着织物宽度的增加，织物纵向的导电通路增加，使得织物电阻减小；织物纵向拉伸时，织物中纱线间的接触面积增大，接触力加强，接触电阻减小；同时由于线圈中纱线的转移，圈柱变长，纱线电阻科研与生产试样尺寸试样编号NP值试样尺寸横向/cm纵向/cm横向/cm纵向/cm1#8.514.02.016#9.02.014.02#8.514.02.517#9.02.514.03#8.514.03.018#9.03.014.04#8.514.03.519#9.03.514.05#8.514.04.020#9.04.014.06#8.52.014.021#9.514.02.07#8.52.514.022#9.514.02.58#8.53.014.023#9.514.03.09#8.53.514.024#9.514.03.510#8.54.014.025#9.514.04.011#9.014.02.026#9.52.014.012#9.014.02.527#9.52.514.013#9.014.03.028#9.53.014.014#9.014.03.529#9.53.514.015#9.014.04.030#9.54.014.0试样编号NP值162023年2月第1期增大。这些电阻的共同变化构成织物电阻的变化，当试样宽度小于或等于3.5cm时，由于纵向拉伸使得织物电阻增大的变化量小于拉伸过程中织物电阻减小的变化量，呈现出织物拉伸电阻随着试样宽度增加而减小的趋势；当试样宽度大于3.54.0cm时，由于纵向拉伸使织物电阻增大的变化量超过了拉伸过程中织物电阻减小的变化量，织物电阻开始增加。图4不同宽度试样的横向拉伸电阻图5不同宽度试样的纵向拉伸电阻2.2取样方向对织物电阻的影响针织物由于特殊的线圈结构，使得织物在横向和纵向的弹性、延伸性各不相同，进而影响到织物在不同方向上的传感性能。为此，统计对比了试样在两个方向拉伸前后的电阻变化，以宽度为3 cm的试样为例，结果如图6、图7所示。图6为宽度相同密度不同的试样在不同方向上的电阻比较，由图6可以看出，试样尺寸相同，实验范围内无论密度如何变化，织物纵向电阻都大于横向电阻。由图7还可以看出，在拉伸率为10%时，织物纵向拉伸电阻大于横向拉伸电阻。图6不同方向的织物电阻（试样宽为3cm）图7不同拉伸方向的织物电阻（试样宽为3cm）对于柔性织物传感器来说，真正影响导电针织物传感性能的不是织物电阻的大小，而是在拉伸前后织物电阻的变化率，如式（1）所示。相同拉伸率情况下，织物电阻的变化率越大，织物的应变传感灵敏度就越高。（1）其中，为织物电阻变化率，%；R1为织物拉伸后的电阻，；R0为织物拉伸后的电阻，。图8为相同尺寸的试样在不同密度情况下，纵、横两个方向的织物电阻变化率比较（以宽度为3 cm的试样为例）。从图8可以看出，纵向拉伸时织物电阻变化率随着织物密度的减小先增加后减小，横向拉伸时则相反；试样密度NP值为8.5和9.5时，试样横向拉伸的织物电阻变化率大于试样纵向拉伸的织物电阻变化率；试样密度NP值为9.0时，试样横向拉伸的织物电阻变化率小于试样纵向拉伸的织物电阻变化率。分析试样的松紧状态发现，NP值为8.5时试样较紧且织物硬挺，NP值为9.5时试样较松织物且尺寸不稳定，NP值为9.0时试样的松紧比较合适且尺寸稳定，所以认为，编织密度较紧或较松时，横向拉伸的织物电阻变化较纵向拉伸的织物电阻变化明显，而正常密度编织时，织物纵向拉伸的电阻变化较横向拉伸大。因此，对于罗纹织物传感器来说，密度合适的条件下，织物纵向拉伸的传感灵敏度比横向拉伸高。图8不同拉伸方向织物电阻变化率（试样宽为3cm）3结语为研究导电针织物不同方向上的（下转第31页）科研与生产172023年2月第1期（上接第17页）导电性能，以导电针织物为例，实验测试了不同宽度、不同密度的1+1罗纹试样在不同方向上的电阻及拉伸电阻，并对实验结果进行了比较分析，结论如下：第一，在密度相同的条件下，取样方向无论是横向还是纵向，织物的电阻和拉伸电阻均随着试样宽度的增加而减小。第二，在试样尺寸相同的条件下，取样方向无论是横向还是纵向，织物的电阻和拉伸电阻均随着试样密度的增加而减小。第三，在试样尺寸相同的条件下，织物的纵向电阻和纵向拉伸电阻均大于织物的横向电阻和横向拉伸电阻。第四，在试样尺寸相同的条件下，纵向拉伸时织物电阻变化率随着织物密度的减小先增加后减小，横向拉伸时则相反；织物密度较松或较紧时，横向拉伸织物电阻变化率大于纵向拉伸织物电阻变化率，密度合适时则相反。参考文献1Tang Z H,Jia S H,Wang F,et al.Highlystretchable core-sheath fibers via wet-spinning forwearable strain sensorsJ.ACS Applied Materials&In-terfaces,2018,10（7）:6624-6635.2王军庆，李龙，吴磊.柔性纺织电阻传感器的研究进展J.高分子材料科学与工程，2021，37（2）：184-1903陆婷，杨斌.导电纤维纺织结构的传感性能研究J.浙江理工大学学报，2009，26（4）：506-509.4张舒，缪旭红，RAJI Rafiu King，等.经编导电针织物的应变-电阻传感性能J.纺织学报，2018，39（2）：73-775蔡倩文，王金凤，陈慰来.纬编针织柔性传感器结构及其导电性能J.纺织学报，2016，37（6）：48-536杨斌，陶肖明，俞建勇.不锈钢纤维织物的电阻与应变关系J.稀有金属材料与工程，2006，35（1）：96-997李煜天，缪旭红.不锈钢涤纶纤维导电针织物的传感灵敏度J.服装学报，2016（5）：450-4548刘焘，邹奉元涂碳纤维导电针织物的结构设计及其传感性能J.纺织学报，2014，35（9）：31-35，469王金凤，龙海如.基于导电纤维针织物的柔性传感器研究J.纺织导报，20