针织结构温度传感器用镀银纱线的性能

郭明靖 王利君

Performance of silver-plated yarns for knitted structure temperature sensors

摘要：为了保证针织结构温度传感器的传感性能，文章运用FLUKE289数字万用表、V-2030T微电脑加热平台等设备测试了10种典型镀银纱线在伸直与模拟线圈弯曲状态下的电阻值，分析了光照氧化和水洗条件对纱线导电性能的影响，并得到了线密度、纱线状态、温度、光照氧化时间、水洗次数与电阻之间的关系。结果表明：10种镀银纱线的单位电阻在1.245～18.788 Ω，温度电阻关系拟合R2在0.894 25～0.990 4 具有良好的导电性和感温性，复丝越多的纱线电阻越小，线密度适中偏小的纱线感温性能更好；纱线的弯曲状态不会改变温度电阻规律，但会略微降低其感温线性度和导电性；光照氧化和水洗都会导致纱线导电性能变差；综合分析可设计复丝数适中偏少、捻丝结构的镀银纱线制备针织结构温度传感器。

关键词：镀银纱线；针织柔性传感器；导电性能；感温性能；力学性能；耐用性能

中图分类号：TS182.6

文献标志码：A

文章编号：10017003（2024）04008710

DOI：10.3969j.issn.1001-7003.2024.04.011

收稿日期：20231030;

修回日期：20240311

基金项目：国家自然科学基金资助项目（11471287）；中国纺织工业协会资助项目（J201801）；教育部产学合作协同育人项目（220602005245313）；浙江理工大学科研启动基金项目（17072191-Y）；浙江省“十四五”研究生课程思政示范课程（SSW-ykcsz2022023）；浙江理工大学课程思政示范课程建设项目（sfkc202210）

作者简介：郭明靖（1999），女，硕士研究生，研究方向为舒适性与功能服装。通信作者：王利君，教授，wanglijunhz@zstu.edu.cn。

随着现代社会主动健康意识的发展，加之老龄化社会的全面来临，织物传感器作为一种可将生理信号转化为电信号，从而获取身体健康状况的智能纺织品受到了广泛关注［1］。体温作为一个能够直观表征人体生命活动的重要指标，对其实时、准确的监测可以帮助人们掌握自身健康状况，并及时就诊治疗［2］。早期织物温度传感器是通过缝合或包埋的方式将传感器与织物结合制成，舒适性欠佳且易产生相对滑移；随着油墨等新型材料的发展，出现了使用印刷［3］、沉积［4］或打印［5］的方式将感温材料附着在织物表面制成的温度传感器，但易受力损坏，影响传感性能；近年来由感温纱线织造而成的织物温度传感器［6-8］，能够附着在皮肤表面，有着良好的生物兼容性，更适用于测量人体温度，特别是针织结构的温度传感器，其独特的线圈结构能够使织物在发生形变时，织入传感器的感温纱线原有性质不被破坏［9］，从而保证传感器的性能稳定。影响针织结构温度传感器等效电阻的因素有很多，最基本、最关键的因素是导电纱线本身的性能［10］。纯金属导电纱线有着优异的导电性能，但其抗弯刚度较大，手感硬，易断裂；碳基导电纱线强度高，导电性能好，但缺乏韧性，压阻不利于拉伸；而镀银纱线作为表面金属化导电纱线的一种，同时具备优异的导电性、柔韧性、可纺性和可编织性等性能，因此常用于织造针织传感器。刘婵婵等［11］使用镀银纱线编织导电区域，制备了9种设有针织柔性传感器的袖筒，研究了组织结构与织物密度对传感性能的影响；张钰晶等［12］使用镀银纱线作为导电面纱，制备了16种嵌花添纱结构的针织应变传感器，研究了导电线圈横列数、纵行数对电学性能的影响；刘畅等［13］使用镀银纱线和锦包氨纱线，编织了9种针织添纱组织传感器试样，研究了添纱方式与织造密度对传感器线性度及灵敏度的影响。综上可见，由镀银纱线织造而成的针织传感器研究多集中在结构参数设计方面，对于传感器用镀银纱线的设计研究较少，更缺少纱线在模拟线圈的弯曲状态下及其他外部条件下的性能研究。织造针织结构温度传感器用导电纱线需保证电阻稳定且感温性能好，还需具有良好的力学性能，便于加工［14］。

因此，本文选择了10种不同规格的镀银纱线，根据传感器对于导电纱线性能的要求，通过试验分析不同纱线状态、光照氧化、水洗对纱线导电性能的影响，以及纱线的力学性能、不同状态下的温度传感性能，综合分析并评价纱线性能，以期为制备性能稳定的针织结构温度传感器的材料设计提供参考。

1  试  验

1.1  材料与仪器

材料：含银17%和锦纶83%的镀银纱线（山东博银表面功能材料有限公司），其规格参数如表1所示。

仪器：Phenom Pro台式扫描电子显微镜（荷兰飞纳公司），FLUKE289数字万用表（上海福禄克测试仪器有限公司），V-2030T微电脑加热平台（东菀威铁克自动化科技有限公司），FLUKE51-Ⅱ接触式温度表（上海世禄仪器有限公司），DZ-101电脑伺服系统拉力试验机（东莞市中皓试验设备有限公司），YG-701E全自动缩水率试验机（深圳市允拓技术有限公司）。

1.2  形貌表征

分别制取各规格镀银纱线的样品，并在样品表面进行喷金处理，采用Phenom Pro台式扫描电子显微镜观察样品的表面形态。

1.3  纱线导电性能测试

1.3.1  伸直状态

镀银纱线在进行导电性能、感温性能和力学性能的测试之前，均需在温度为（20±2）℃，相对湿度为（65±2）%的条件下调湿24 h。然后将一定长度（＞25 cm）的各规格纱线以伸直但不伸长的状态放置在绝缘纸上，两端用绝缘胶带固定，使用FLUKE289数字万用表每隔2 cm，測定2～20 cm不同长度下的电阻值，每个长度下测试结果为10次测量的平均值。

1.3.2  弯曲状态

为模拟针织物线圈弯曲状态，利用直径0.5 mm的塑料棒、绝缘纸与泡沫板自制装置（图1），以横向间隔0.2 cm、纵向间隔0.4 cm作为初始间隔，通过分别增加纵横间隔来实现纱线不同程度的弯曲。根据织造不同种类针织物时所用针数3、5、8、12针25.4 mm，确定横向间隔为0.8、0.5、0.3、0.2 cm；根据常见针织物的线圈大小及弯纱深度，确定纵向间隔为0.4、0.6、0.8、1.0 cm，最终确定了7种弯曲程度的纵横间隔［15］。将标定了10 cm长度的各规格纱线，以距离第一个标记点0.5 cm处作为起点，有规律地绕过塑料棒，两端用绝缘胶带固定，使用FLUKE289数字万用表测试10 cm纱线在弯曲前后的电阻值，结果取10次测量的平均值。按照下式计算电阻的相对变化率：

θR%=R－R0R0×100（1）

式中：θR为电阻相对变化率，%；R为变化后的电阻，Ω；R0为初始电阻，Ω。

1.4  纱线感温性能测试

1.4.1  伸直状态

将一定长度（＞10 cm）的镀银纱线顺直放置在绝缘纸上，两端固定后，再将绝缘纸放置并固定在V-2030T微电脑加热平台表面，标记10 cm长度，然后将FLUKE51-Ⅱ接触式温度表的探头固定在纱线表面。待温度表读数稳定后，按照逐步升温法用FLUKE289数字万用表测试其电阻变化，每隔5℃测试一次，结果取该温度下10次测试的平均值。为尽可能覆盖皮肤温度及可接触温度（如热敷）的范围，记录纱线从30～65℃的电阻变化。

1.4.2  弯曲状态

在纱线弯曲模拟自制装置的绝缘纸表面贴双面绝缘胶带，并根据针织物线圈最理想的纵横密度比2∶3确定纵横间隔，然后将标定了10 cm长度的纱线有规律地绕过塑料棒。待纱线牢固地粘在胶带表面，再将绝缘纸放置并固定在V-2030T微电脑加热平台表面，用FLUKE51-Ⅱ接触式温度表测量纱线表面温度。待温度稳定后使用FLUKE289数字万用表每隔5℃测试30～65℃的电阻变化，结果取10次测量的平均值。

1.5  纱线强力测试

按照GBT 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》标准，使用DZ-101电脑伺服系统拉力试验机，采用等速伸长（CRE）原理测试单根镀银纱线的断裂强力与断裂伸长率，设置夹持器距离为250 mm，拉伸速度为250 mmmin，每种纱线强力测试10根，结果取平均值。

1.6  纱线耐用性能测试

1.6.1  耐光耐氧化性能

将标定了10 cm长度的各规格镀银纱线顺直固定在透明的窗户玻璃内侧，在有光照的自然条件下放置，从第1天起每隔7天测定纱线的电阻变化，连续测量一个月，测试结果为10次的平均值。纱线耐光耐氧化性能以光照氧化前后的电阻变化率表示，按照下式计算：

θ′R%=R2-R1R1×100（2）

式中：θR′为耐光耐氧化性能，%；R2为光照氧化后纱线电阻平均值，Ω；R1为光照氧化前纱线电阻平均值，Ω。

1.6.2  耐水洗性能

为避免纱线在洗涤过程中缠绕打结，截取30 cm长的各规格镀银纱线，分别放置单独的洗衣网袋中，然后将洗衣网袋放入YG-701E全自动缩水率试验机。手动设置洗涤模式为柔和洗，水位为130 mm，水温为20℃，每洗涤10 min为一次，洗涤后脱水1 min，参考GBT 8629—2017《纺织品 试验用家庭洗涤和干燥程序》，采用程序C在GBT 6529—2008《纺织品 调湿和试验用标准大气》标准环境下平摊晾干，测试纱线10个位置10 cm的电阻值，结果取平均值。纱线耐水洗性能以水洗前后的电阻变化率表示，按照下式计算：

θ″R%=R4-R3R3×100（3）

式中：θ″R为耐水洗性能，%；R4为水洗后纱线电阻平均值，Ω；R3为水洗前纱线电阻平均值，Ω。

2  结果与分析

2.1  形貌表征

在使用Phenom Pro台式扫描电子显微镜观察样品表面形态的过程中，发现不同结构的镀银纱线表面形态特征一致，具有代表性。图2是三种结构镀银纱线放大1 000倍的扫描电子显微镜（SEM）照片，可以看出单根纱线均是由多根长丝抱合加捻而成，其中弱捻复丝的结构极其松散，只加了少量的弱捻，而捻丝与复合捻丝的结构紧密，特别是复合捻丝，它是由多根长丝捻合后再次捻合而成；由SEM照片右上角的局部放大图可以更清楚地看出，锦纶基纤维边界粗糙不光滑，镀银附着在纤维的间隙处。

2.2  导电性能

10种镀银纱线在伸直状态下的初始电阻如图3所示。由图3可知，各规格纱线的电阻均随长度的增加呈线性增加。表2是使用Origin软件对纱线电阻长度关系的拟合结果，显示拟合优度R2均大于0.997 7 可以说明纱线本身具有较好的均匀性；单位长度电阻在1.245～18.788 Ω远小于107 Ω，说明纱线导电性能好。比较1#～10#纱线的单位电阻可知，线密度越大的纱线单位电阻就越小，这是由于线密度与复丝数成正比，复丝越多相当于“并联”的电阻越多，从而使纱线总体电阻减小。

进一步分析镀银纱线线密度与单位长度电阻的关系，首先用SPSS软件进行相关性分析，由于两组数据均不满足正态分布，故选择Spearman（斯皮尔曼）相关分析，得相关系数为-0.91 且在0.01水平（双侧）上显著相关，说明线密度与单位电阻存在负向影响关系，继而进行回归分析。对线密度与单位电阻进行线性回归，得线性模型显著性为0.027＜0.05 模型通过显著性检验，但调整后R2为0.41 DW为0.55 模型的拟合优度较低且残差序列存在自相关，说明所选线性模型不合适。因此利用曲线估计法，在多种模型中选择拟合优度最高的三种模型进行分析，分析结果如表3所示。由表3可知，三种模型的概率p值均小于0.05 通过显著性检验，但倒数函数模型的常数未通过显著性检验，因此该模型不予考虑。比较次方函数与三次函数模型可知，次方函數拟合优度R2更高，其函数拟合曲线如图4所示。建立线密度与单位长度电阻间回归方程为：

y0=301.163x－0.829（4）

式中：y0为镀银纱线单位长度电阻，Ω；x为镀银纱线的线密度，dtex。

图5是10种镀银纱线在不同弯曲状态下的电阻变化率，当纵向间隔增加，相当于线圈圈柱变长，对应针织物纵密减小；同理增加横向间隔，相当于横密减小。为便于参考，本文将纵横间隔转换为对应的纵横密度进行比较。整体来看，纵密或横密的增加，使各规格纱线的电阻变化率呈上升趋势，这是由于随着纵横密度不断增加，长度一定的纱线弯曲次数变多（图6），电阻受到纱线弯曲的影响就越大。其中，10#的电阻变化率出现负值，这是因为其线密度较大纱线较粗，在横向间隔为0.2 cm时，自身发生接触使总体电阻变小；1#～9#镀银纱线电阻的最大变化率在0.42%～6.60%，受弯曲影响较小。

进一步分析1#～9#镀银纱线的线密度、横密纵密与电阻的关系，使用Origin软件对其进行非线性曲面拟合，得到线密度、横密与电阻的三维拟合曲线函数（R2为0.988 95），见式（5）;以及线密度、纵密与电阻的拟合曲线函数（R2为0.989 74），见式（6）。拟合曲面方程如图7所示。

z=8.390E21－5.028E18x－2.017E20ρ+5.045E18ρ2－4.071E16ρ31+1.271E18x－4.736E15x2+8.737E12x3－8.484E17ρ+2.562E16ρ2（5）

z=4.438E12－2.538E9x－1.809E11ρ′+6.900E9ρ′2+2.301E8ρ′31+6.886E8x－2735426.399x2+5197.534x3－8.477E8ρ′+4.708E7ρ′2（6）

式中：z为镀银纱线的电阻，Ω；ρ为横密，行5 cm；ρ′为纵密，列5 cm； x为镀银纱线的线密度，dtex；E为科学计数法符号。

2.3  感温性能

10种镀银纱线在伸直与弯曲状态下的电阻温度关系曲线如图8所示，通过对比可以发现，电阻随温度变化的规律没有因纱线的状态而改变。另外，纱线电阻随温度的升高呈下

降趋势，这是因为镀银长丝的基体为锦纶，属于绝缘体范畴，同时镀银长丝表面的银元素在空气中会被氧化形成具有负温度系数的热敏材料Ag2S（硫化银）［16］。

表4是使用Origin软件对纱线电阻-温度关系的拟合结

果，可知R2均在0.894 25～0.990 4 说明纱线本身电阻沿温度方向变化稳定性较好；一一对比各规格纱线在弯曲前后R2的变化可知，弯曲后纱线电阻-温度关系的感温线性度略微下降，说明纱线弯曲会在一定程度上影响感温性能。纱线处于弯曲状态时，5#的R2值最大，为0.981 1 说明其感温线性度相对最好，纱线电阻沿温度方向变化最稳定；1#的R2值最小，为0.894 2 其线性度相对最差；3#、4#的R2值均大于0.969 4 其线性度良好，其余的镀银纱线线性度一般。

进一步分析纱线的线密度、温度与电阻的关系，使用Origin软件对其进行非线性曲面拟合，得到纱线在伸直状态下线密度、温度与电阻的三维拟合曲线函数（R2为0.994 16），见式（7）；以及纱线在弯曲状态下线密度、温度与电阻的拟合曲线函数（R2为0.990 63），见式（8）。拟合曲面方程如图9所示。

z=2 028 079.685+7 018.054x－16 359.804y+187.855y2－0.359y31+288.143x+0.396x2+0.001x3－46.131y+0.458y2（7）

z=4 797.719+9.705x－13.610y+0.249y2－0.002y31+0.712x+0.000 3x2+0.000 002x3－0.004y－0.000 000 9y2（8）

式中：z為镀银纱线的电阻，Ω；y为温度，℃；x为镀银纱线的线密度，dtex。

2.4  力学性能

镀银纱线的力学性能如表5所示，可知1#在测试时仅会发生微小形变但不受力的作用，这是由于1#为弱捻复丝结构，基本没有赋予纱线一定的强力，因此该规格纱线不能用于针织物的编织；2#～10#纱线的强力均随线密度的增加而增大，一方面是由于复合捻丝的捻度远大于捻丝的捻度，捻度越大赋予纱线的强力就越大，而相同结构的纱线捻度相近，此时复丝的数量越多，纱线本身的强力就越大；纱线拉伸强度的变化规律与强力有所不同，是因为强度的大小不仅与强力有关，还会受到横截面积的影响，横截面积与复丝数有关。整体来看，3#、4#的拉伸强度远大于其他几种纱线。

2.5  耐用性能

1#的力学性能不满足针织物编织要求，无法用于针织传感器的制备，因此不对其耐用性能进行研究。光照氧化时间对镀银纱线电阻的影响如图10所示，可以看出2#～9#纱线的电阻均随光照氧化时间的增长快速增加，一方面是由于镀银纱线的基体长丝锦纶的耐光性较差，长时间的光照氧化使纱线强度开始下降，附着的镀银层也更易脱落，相应的导电性能下降，电阻增加；另一方面是由于镀银纱线与空气中的H2S（硫化氢）化合生成半导体性质的Ag2S［16］，随氧化时间的延长，表面Ag2S增多增厚，其电阻就会大幅度增加。2#～5#纱线比6#～10#纱线电阻变化更明显，可能的原因是6#～10#纱线为复合捻丝，其捻度远大于2#～5#纱线，具有更紧密的结构，镀层的稳定性更好。

水洗次数对镀银纱线电阻的影响如图11所示，可以看出2#～9#纱线的电阻均随水洗次数的增多而增加，可能是经过多次的水洗晾干，长丝表面的镀银层受损导致电阻增大［17］。在经过10次洗涤后，4#的电阻变化最小为1.92%，说明其耐水洗性能最好；其次是6#、3#、5#，电阻变化率在2.48%～3.21%；2#、7#～10#纱线在水洗7次以后，电阻变化率开始急剧增加，这主要是由于水洗次数增加使纱线的抱合力变差，减小了长丝间接触面积，导电性能变差。

进一步分析镀银纱线的线密度、光照氧化时间水洗次数与电阻的关系，使用Origin软件对其进行非线性曲面拟合，得到线密度、光照氧化时间与电阻的三维拟合曲线函数（R2为0.982 83），见式（9）；以及线密度、水洗次数与电阻的拟合曲线函数（R2为0.954 06），见式（10）。拟合曲面方程如图12所示。

z=9.183E9+9.588E7x+2.480E8y′－4 407 080.468y′2+677 409.693y′31+1 439 994.308x+8 831.873x2+7.261x3+136 544.546y′－41 072.534y′2（9）

z=4.844E38+8.166E35x－2.433E37y″+1.753E36y″2+2.140E34y″31+7.468E34x－7.629E31x2+3.262E29x3－1.869E35y″+1.399E34y″2（10）

式中：z为镀银纱线电阻，Ω；y′为光照氧化时间，d；y″为水洗次数，次；x为镀银纱线线密度，dtex；E为科学计数法符号。

3  结  论

本文选择了10种不同规格的镀银纱线，分析了其导电性能、感温性能、力学性能和耐用性能，为针织结构温度传感器用镀银纱线的设计与运用提供参考，得出以下结论：

1）所选镀银纱线均匀性好，电阻均随长度增加呈线性增长，单位电阻在1.245～18.788 Ω，具有良好的导电性能。得到了线密度与单位电阻間回归方程，线密度越大、复丝越多的纱线单位电阻反而越小；纱线弯曲在一定程度上会降低导电性能，纵横密度越大，受影响程度越大，最大影响程度在0.42%～6.60%。

2）不同状态下的温度-电阻关系拟合R2均在0.894 25～0.990 4 感温性能良好；纱线的弯曲状态并不会改变电阻随温度变化呈负相关的规律，但会略微降低其感温线性度；线密度适中偏小的镀银纱线感温性能更好，其中155.56 dtex镀银纱线的感温线性度最好，电阻沿温度方向变化最稳定，其次是77.78 dtex和111.11 dtex的镀银纱线。

3）除22.22 dtex镀银纱线无法满足针织物编织的要求外，其余线密度的镀银纱线均具有良好的力学性能。复合捻丝结构的纱线强力大于捻丝结构的纱线，相同结构的纱线中复丝数越多的强力越大，但受横截面积影响，捻丝结构的纱线强度相对更好，尤其是111.11 dtex和77.78 dtex的镀银纱线。

4）光照氧化和水洗都会导致镀银纱线导电性能变差，线密度较小的纱线受光照氧化影响更明显，仅在四周的时间就可以使纱线电阻增加到原来的两倍；水洗对纱线电阻影响相对较小，经过10次洗涤，111.11 dtex的纱线电阻变化最小为1.92%，其次是222.22、77.78、155.56 dtex的纱线，其电阻变化率在2.48%～3.21%。

5）综合分析纱线的性能，可以设计线密度适中偏小即复丝数较少、捻丝结构的镀银纱线，用于针织结构温度传感器的制备。

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Performance of silver-plated yarns for knitted structure temperature sensors

GUO Mingjinga， WANG Lijuna，b，c

（

a.School of Fashion Design & Engineering; b.Zhejiang Provincial Engineering Laboratory of Fashion Digital Technology;

c.Key Laboratory of Silk Culture Heritage and Products Design Digital Technology， Ministry of Culture and Tourism，

Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：With the development of peoples active health awareness， fabric temperature sensors have received extensive attention as a smart textile that can monitor human body temperature in real time to obtain physical health status. Among them， the temperature sensor of knitted structure can ensure the stability of the sensor when the fabric is deformed due to its unique coil structure， and is more suitable for measuring human body temperature. The conductive area woven by silver-plated yarns is the core of the knitted structure sensor， and determines the performance of the sensor. However， most of the research on it focuses on the design of structural parameters. There are few studies on the design of silver-plated yarns for sensors， and there is a lack of research on the performance of yarns under the bending state of simulated coil and other external conditions.

To ensure the sensing performance of the knitted structure temperature sensor， the resistance values of 10 kinds of typical silver-plated yarns under the bending state of the straight and simulated coils were tested by FLUKE289 digital multimeter and V-2030T microcomputer heating platform. The effects of light oxidation and washing conditions on the electrical conductivity of the yarns were analyzed. The mechanical properties of the yarns were tested and analyzed by a computer servo system tensile tester. The relationship between the linear density， yarn state， temperature， light oxidation time， washing times and resistance was obtained. The experimental results show that the unit resistance of 10 kinds of silver-plated yarns is between 1.245 Ω and 18.788 Ω， and all of them have good electrical conductivity. The higher the linear density and the more multifilaments are， the smaller the unit resistance is; the bending of the yarn will reduce the conductivity to a certain extent. The larger the longitudinal/transverse density is， the greater the resistance of the yarn is affected， and the maximum influence degree is between 0.42% and 6.60%. The fitting R2 of the temperature-resistance relationship of silver-plated yarns in different states is between 0.894 25 and 0.990 40， and the temperature sensing performance is good. The bending state of the yarn does not change the law that the resistance is negatively correlated with the temperature change， but it will slightly reduce its temperature sensitivity linearity. The yarn with a moderate linear density and small linear density has better temperature sensitivity. Specifically， the temperature sensitivity linearity of 155.56 dtex silver-plated yarns is the best， followed by 77.78 dtex and 111.11 dtex silver-plated yarns. Except that 22.22 dtex silver-plated yarns can not meet the requirements of knitted fabric weaving， the other silver-plated yarns with a linear density have good mechanical properties， among which the yarn strength of twist structure is relatively better. Both light oxidation and washing will lead to the deterioration of the conductivity of silver-plated yarns. The yarn with a smaller linear density is more obviously affected by light oxidation， and the yarn resistance is increased to twice the original in only four weeks. The effect of washing on yarn resistance is relatively small. After 10 times of washing， the resistance change of 111.11 dtex silver-plated yarns is the smallest， being 1.92%. Based on the comprehensive analysis of the performance of the yarn， a silver-plated yarn with a medium linear density， a small number of multi-filaments and a twisted yarn structure can be designed to prepare a knitted temperature sensor.

The comprehensive analysis and evaluation of the electrical conductivity， temperature sensitivity， mechanical properties and durability of 10 kinds of silver-plated yarns can provide reference for the design of silver-plated yarns for knitted structure temperature sensors with stable performance.

Key words：

silver-plated yarn; knitted flexible sensor; electrical conductivity; temperature susceptibility; mechanical properties; durability