张 舒, 缪旭红, RAJI Rafiu King, 孙 婉(1.江南大学 教育部针织技术工程研究中心, 江苏 无锡 214122; 2.生态纺织教育部重点实验室(江南大学), 江苏 无锡 214122)
随着远程医疗和移动医疗的不断发展,可穿戴式生理监测设备在人体健康监测等领域发挥着重要的作用。智能纺织品中的导电织物柔性传感器受到广泛关注,并以其具有弹性模量低、应变大、可弯曲、可折叠、可水洗、舒适性较好等优点逐渐代替传统的智能服装中硬件传感器[1]。而针织物因其特殊的结构特点,具有舒适、柔软性及弹力贴身等优良结构性能,被广泛作为传感器的载体进行研究。国内外关于导电针织物传感器的研究大都基于针织纬编结构,对于经编结构的研究只限于边条链组织[2-5];导电织物的传感性能也多基于对导电织物的电阻监测。在导电织物的拉伸过程中,织物的总电阻由长度电阻与接触电阻组成[4]。在正常的拉伸过程中,织物的伸长未引起导电纱线的伸长,长度电阻不会产生明显的变化,故主要对接触电阻进行研究。
本文选取导电性较好的锦纶基镀银纱线[6],将其与普通涤纶或氨纶在特里科经编机上采用两梳交织,制得不同的经平组织结构以及弹性经平织物,对此类织物在拉伸过程中的电阻进行测试,探讨经编导电织物的应变-电阻传感特性,为经编导电织物柔性应变传感器的研发与应用提供参考。
仪器:YG020B型电子单纱强力仪、VICTOR 4105A型低电阻测试仪、YG0260D型多功能电子织物强力仪。
1.2.1导电纤维的力学性能
将锦纶基镀银纤维长丝静置在标准状态下平衡24 h后,使用YG020B型电子单纱强力仪测试强力,测50组数据取平均值。
1.2.2导电纤维的导电性能
将锦纶基镀银纤维长丝静置在标准状态下平衡24 h后,用VICTOR 4105A低电阻测试仪测量2~20 cm 导电纱的电阻,每隔2 cm记录1个电阻值,直至导电纤维被夹持度达极根长度为止。测试结果为10次的平均值。
支撑组件实际提供的稳定支撑力大约为M0=2.8N,代入式(6)计算可得传感器自身的系统测量误差δ=0.45%。伸杆组件的支撑力精度主要包括压力传感器测量误差和支撑组件因转动而引入的支撑力误差两项,故系统误差总和为0.45%+0.7%=1.15%,该值在合理范围之内。因此综上所述,伸杆支撑组件在上述展开方法中的卸载效率均满足设计要求。
实验所用的样品是在高速特里克经编机上织造,为了解镀银纱线组织结构对电力学性能的影响,镀银纱线选取了具有不同延展长度的3种组织与涤纶交织制得CP1、CP2和CP3,同时,选用了最常用的弹性经平组织织制得CS4,观察弹性导电经编织物的电力学特性。镀银锦纶与涤纶或氨纶在特里科经编机上交织,制得不同的经平组织结构以及弹性经平纹织物,在织造过程中未出现异常情况,银锦纶具有良好的可编织性。
有关织物规格如表1所示,非弹性导电织物结构实物图照片见图1所示,图中:a表示织物工艺正面;b表示织物工艺反面。
表1 织物规格Tab.1 Characterization of fabric samples
图1 织物实物图Fig.1 Micro images of fabric samples
传感织物的应变传感性能的测试是在YG0260DG型多功能电子织物强力仪与VICTOR 4105A型低电阻测试仪配合使用下进行的,如图2所示。由织物强力仪①、低电阻测试仪③和夹具④组成。测量织物电阻时将待测织物②自然伸直的状态加持织物强力仪上,并将低电阻测试仪的2个夹头分别夹在待测织物的两端。夹头宽度为5 mm,织物强力仪拉伸隔距为100 mm,记录电阻值。然后启动织物强力仪,使织物沿纵向方向拉伸,织物伸长1 mm,待其电阻值稳定后记录其电阻值。继续拉伸,每次伸长1 mm,记录1个电阻值,直至织物达到极限伸长。按上述步骤,同种组织的织物测试5次。
图2 测试模型图Fig.2 Test setup
2.1.1力学性能
纱线力学性能测试结果如表2所示。
表2 纤维材料特征Tab.2 Tensile properties of conductive yarns
由表可以看出,镀银锦纶的均匀性较好。一般锦纶的断裂强度约4.2~5.6 cN/dtex,断裂伸长率达25%~65%[7], 镀银锦纶的力学性能都略低于普通的涤纶长丝。可能因表面镀了银而导致其断裂强度有所下降,断裂伸长率较普通锦纶低,但可以满足正常的经编织造的使用。
2.1.2导电纱线的导电性能
图3示出导电纤维的电阻随长度的变化情况。可看出,锦纶基镀银导电纤维的电阻随长度的变化,呈线性变化的关系。
图3 镀银锦纶20 cm内的电阻值Fig.3 Resistance of the silver plated yarn samples within 20 cm
由导电纤维的电阻拟合数据可看出,复相关系数R2的值趋向于1,表明回归直线对观测值的拟合程度较好,与金属导电性能一致。
2.2.1非弹性经编导电织物
将非弹性传感织物夹持,夹持长度为100 mm,记录此时的电阻值,织物每次伸长1 mm,记录1个电阻值,直至导电织物的长度达到极限长度为止。用origin 8.0将得到的数据进行拟合,得到3种组织结构的应变-电阻曲线。
图4示出传感织物的电阻随应变的变化情况。可看出3种织物在纵向拉伸时非弹性经编导电织物的电阻随应变的变化情况可分为3个阶段。
图4 非弹性织物传感应变曲线Fig.4 Piezoresistive test response of inelastic fabric samples
1)阶段I。在拉伸应变小于8%的小应变范围内,3种织物的电阻随应变的增加显著降低。这是因为在经编导电织物的开始拉伸时,导电纱线的长度方向没有发生变化,长度电阻随应变的增加几乎不发生变化;接触电阻分为同层间的导电纱线的接触电阻与相邻上下层的导电纱线的接触电阻。在纵向初始拉伸时,织物的密度几乎未没有发生变化,同层间的导电纱线的接触面积也没改变,同层间导电纱线的接触电阻几乎没有变化;相邻上下层导电纱线的接触面积随着应变的增加而增大,从而导致接触电阻减少,整个电阻随应变的增加而减少。
2)阶段II。在8%~14%拉伸应变范围内,织物电阻趋于平稳。这个阶段导电纱线上下层的接触面积达到一定极限,而织物的伸长还未引起导电纱线的伸长,故电阻的变化不明显。
3)阶段III。继续拉伸织物,织物的电阻随应变的增加而略有增加。这主要是因为在拉伸的过程中,织物结构变化达到极限,拉伸应力作用到导电纱线,导电纱线的长度方向发生滑移,导致直径减少,长度略有增加,故长度电阻随应变的增加而略有增加。对比3种织物在纵向拉伸时非弹性传感织物的电阻随应变的变化情况可以发现CP3最先进入平稳期,然后是CP2,最后是CP1。
在经编导电织物的电阻随应变的变化的第1阶段,导电织物表现出很明显的变化规律,故对经编导电织物的电阻随应变的变化的第1阶段的灵敏性进行研究。由图4可看出,在阶段I的拉伸过程中,3种非弹性传感织物的电阻随应变的变化,总体接近于线性关系。并对阶段I的拉伸过程中,3种非弹性传感织物的电阻随应变的变化进行拟合,结果见表3所示。
表3 样品的电阻拟合数据Tab.3 Resistance fitting data of fabric
由表可知,复相关系数R2的值趋向1,表明回归直线对观测值的拟合程度越好,线性度较好。传感器的灵敏度可用拟合直线的斜率表征[9]。由表可看出,CP3应变-电阻的灵敏度最高,CP2的灵敏度次之,CP1的灵敏度最小。
区分3种导电织物结构的不同在于其延展线的长短,见图1(b)、(d)、(f)。延展线与周围线圈或延展线的接触形成接触电阻,延展线越长与线圈间的上下层重叠部分越多,接触面积越大,接触电阻的变化也越快。CP3的延展线最长,CP2的延展线次之,CP1的延展线最短,所以CP3的应变-电阻的灵敏度最高,CP2的灵敏度次之,CP1的灵敏度最小。随着延展线长度的增加,织物的可延伸性降低,故电阻可变化有限,故应变电阻的变化率越快的导电织物越早进入平稳期。
2.2.2弹性经编导电织物
为探究氨纶弹性对经编导电织物的传感性能的影响,故加入1组带有氨纶的弹性经编导电织物的应变电阻传感性能的测试。
将弹性传感织物夹持,夹持长度为100 mm,记录此时电阻值,织物每次伸长10 mm,记录1个电阻值,直至导电织物的长度达到极限长度为止。用origin8将得到数据进行拟合,得到应变电阻曲线。
图5示出弹性导电织物的电阻随应变的变化情况。可看出弹性经编导电织物呈现出电阻随应变的增加先增加然后再减小最终趋于平稳的整体趋势,在100%的应变范围内,织物的电阻随应变的增加而上升,在100%~160%应变范围内,织物电阻趋于平稳。
图5 弹性织物传感应变曲线Fig.5 Piezoresistive test response of elastic fabric
由此可见,弹性导电织物不仅应变范围大,而且电阻随应变变化的情况比非弹性织物更为复杂。究其原因主要是弹性导电织物与非弹性导电织物的接触电阻有所不同,在织物纵向拉伸时,弹性织物的接触电阻的变化为三维方向的改变,除非弹性导电织物所具有的线圈与线圈或延展线上下层间的接触电阻的改变,还存在着因氨纶弹性纱线收缩造成织物纵行间紧密排列,形成平面同层导电纱线之间纵横向的接触电阻的变化。
由于氨纶弹性的存在,经编导电织物的密度较大,导电纱线同层间的接触面积较大,见图1(g)、(h),故织物电阻较小。在纵向初始拉伸过程中,织物纵向密度减小,同层导电纱线间的接触面积随之减少;上下层间的接触面积增加,但同层间接触的面积是其主要影响因素,故接触电阻随应变的增加而上升。在继续拉伸过程中,同层导电纱线间的接触面积的变化逐渐减弱,而上下层导电纱线间的接触面积的变化增强。当拉伸到一定程度之后,织物的电阻随应变的增加而趋于平稳。
最后氨纶的作用不再明显,同层导电纱线间的接触面积不再变化,只有上下层导电纱线间的接触面积发生变化,故弹性经编导电织物的电阻随应变的变化规律与非弹性经编导电织物变化规律相似,继续增大拉伸应变,均呈现先减少最终趋于平稳的趋势。
1)所选镀银锦纶导电纤维具有良好的可编织性;非弹性经编导电织物的电阻随应变的增加呈现先减小,再趋于平稳,最后略有上升的趋势;非弹性经编导电织物随着织物延展线长度的增加,在小应变下的灵敏度增加;导电织物的延伸性降低,织物更早进入到平稳期。
2)弹性经编导电织物呈现出电阻随应变的增加先增加再减少最终趋于平稳的趋势;同层间导电纱线的接触电阻的改变造成其电阻随应变的变化规律与非弹性经编导电织物的变化规律的不同。
3)随着经编弹性导电织物应变的增加,同层导电纱线间的接触电阻随之而增大,上下层间的接触电阻随之而减小;在织物拉伸过程中,同层导电纱线间接触电阻的变化逐渐减弱,而上下层导电纱线间接触电阻的变化逐渐增强。 初始时拉伸时同层导电纱线间的接触电阻占据主导地位;进一步拉伸织物,同层与上下层导电纱线间的接触电阻变化趋于平稳,最后氨纶的作用不再明显,上下层导电纱线间的接触电阻占据主导地位。
FZXB
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