洗涤及热定型对柔性传感器导电性能的影响

蔡倩文　陈慰来　王金凤

摘要：采用5种不同的导电纤维试织出10种针织柔性传感器试样。对试样进行洗涤及热定型处理，分析不同的洗涤次数及热定型温度对纬编导电针织物等效电阻的影响。结果表明：随着洗涤次数的增加，镀银导电织物横向尺寸先变小后纵向尺寸变小，织物电阻先减小后略微增大趋于平稳；同为单丝的不锈钢丝与铜丝，电阻增大。选择镀银纤维作为柔性传感器的后整理工艺中，可以采用100℃或120℃的定型温度以期达到较合理稳定的电阻值。各试样在40横列×40纵行的等效电阻随洗涤次数的变化幅度极小，随着热定型温度的升高电阻变化率小，可见所织柔性传感器较耐洗涤，同时热稳定性较好。

关键词：柔性传感器；洗涤；热定型；导电性能

“智慧衫”、“生命衫”、“保健衫”等统称为智能纺织品的新型功能材料在近几年发展迅速，它是基于仿生学概念将纺织、电子、服装、生物、医学等多学科综合在一起开发，能够采集生命信号，并对信号进行相应地处理与反馈。导电织物传感器代表一类智能纺织品，近年来受到广泛的重视。

影响柔性传感器等效电阻的因素有很多，從纤维材料自身固有的极性或可被电离的粒子数（取决于纤维中的含水、含杂量）、接触的环境温度、纱线电阻、纱线间接触电阻、线圈纱段转移电阻以及外界接触对柔性传感器造成破坏等。本文基于制备的针织柔性传感器，将分别研究影响导电纬编针织物等效电阻的两个外部因素：洗涤次数及后整理中热定型的处理。

1.试验

1.1织物原料及柔性传感器制备

使用77 dtex/111 dtex锦纶基镀银纤维长丝、77 dtex铜纤维、77 dtex不锈钢微丝、111 dtex铜丝这5种导电纤维分别与纤度为20 dtex/30 dtex弹力锦纶/氨纶包芯纱、123 dtex（48。）粘胶纤维在机号为E14的电脑横机上制备纬平针和满针罗纹针织柔性传感器。其中编织平针柔性传感器时的前纱嘴使用粘胶纤维，后纱嘴使用导电纤维，从而柔性传感器正面呈现导电纤维，反面则为粘胶纤维。

1.2试样的洗涤及耐洗性

测试10种试样。每种试样测试方式为：全自动洗衣机设置模式为轻柔模式，洗涤10 min，脱水1 min（模拟一般服装洗涤要求）为1次；分别漂洗5、10、15、20、25、30次，每洗1次后将其从洗衣机中取出放入纺织品专用烘箱，待其完全干燥约40～50 min后从烘箱中取出。分别测得洗涤5、10、15、20、25、30次的织物尺寸、密度，并使用VICTOR-VC890C+数字万用表测其（10，20，30，40）横列×40纵行的等效电阻值。

1.3试样的热定型及导电性能

测试前将试样置于温度为（20±2）℃，相对湿度为63%～67%的标压下进行预调湿24 h。将试验棉布放置针板上，以便放置试样。在Rapid自动定型烘干机上分次设置温度为40、60、80、100、120、140℃，分别热烘5 min后，使用数字万用表分别测试不同试样（10，20，30，40）横列×40纵行的等效电阻值。

2.结果与讨论

2.1针织柔性传感器工艺参数

成功编织平纹、满针罗纹共10种柔性传感器试样，使用SteREO Discovery.V20蔡司体式显微镜拍摄试样3、4实物图，如图1所示。所用导电纤维柔性传感器编号及工艺参数如表1所示。

2.2等效电阻实测模型

根据文献[1]建立的导电纬平针织物的六角模型，来表征导电纬平针织物的结构特征，沿着导电纬平针织物的纵行方向，等效电路为并联电路，等效电阻随横列数的增加而减小；沿导电纬平针织物的横列方向，其等效电路为串联电路，等效电阻随纵行数的增加而增加。选择（10，20，30，40）横列×40纵行测试织物等效电阻是基于基尔霍夫电压定律KVL，确定电路中任意回路中各电压之间关系的定律。在织物中拆出导电纤维，10根一组并股，并与图2所示线圈电路图相一致的方式来加载电压，从而测试柔性传感器在指定横列、纵行数的等效电阻。

2.3洗涤次数对织物导电性能影响分析

通过蔡司体式显微镜，对未洗涤、洗涤5、10、15、20、25、30次后的织物进行了图片的采集，统一放大倍数为15倍。选取其中一种试样111 dtex镀银织物洗涤30次后织物表观特征如图3所示。

从图1可以看出，原织物（未洗涤状态）线圈平整，且毛羽规则。伴随洗涤次数的增加，织物在洗涤过程中受洗衣机离心力的作用发生变形，洗涤30次后的试样线圈表现明显的歪斜，且表面毛羽较多。随着洗涤次数的增多，实测结果所有平纹导电织物试样的纵横向尺寸都在变小，因此其织物密度变大。各试样在洗涤5次后出现大幅度尺寸变化后，在后续洗涤的测量中，变化幅度都较小，其中存在一定的测量误差。对于罗纹导电织物，镀银罗纹织物的横向尺寸随着洗涤次数的增加而增大。铜丝与不锈钢丝罗纹织物无论纵向尺寸或横向尺寸都在减小。

相关文献介绍了洗涤次数对导电织物抗静电性能的影响，本文使用VICTOR-VC890C+数字万用表，选择40纵行，10横列一组来连接加载电压，来测试导电织物（10，20，30，40）横列×40纵行的等效电阻，从而分析其导电性能，测试结果为5次平均值。选择相同电阻档位实测铜纤维导电织物时电阻超过量程，数据无效。其它8种试样的等效电阻随洗涤次数变化如图4所示。

从图4可以看出，纵行数相同，随着横列数的增加，织物等效电阻值递减，因沿织物纵向线圈之间存在并联关系，洗涤后亦如此。图4（a）-图4（d）中，随着洗涤次数的增加，织物等效电阻先是减少然后增加至趋于平稳，这主要是因为随着洗涤次数的增加，横向尺寸先变小后纵向尺寸变小，横密及纵密都不同程度的增大，根据以上模型可知，织物橫向等效电路为串联，纵向等效电路为并联，故其电阻先减小后略微增大趋于平稳。

而图4（e）-图（h）则表现不同的变化规律，随着洗涤次数的增加，织物等效电阻先增加后趋于平稳。这是因为不锈钢丝与铜丝为单丝，洗涤时因其自身的强力不高，在织物中的纱线存在断裂的情况，从而导致电阻增大。观察各试样40横列×40纵行等效电阻随洗涤次数的变化情况，其等效电阻变化幅度极小，可见所织柔性传感器较耐洗涤。

2.4热定型温度对织物导电性能影响分析

采用物理机械方式，热定型对织物进行后整理处理，将织物置于高温环境中，加以外力保持一定的尺寸形态，热定型的温度和时间是影响定型质量的主要因素。本文主要通过干热定型工艺中的红外辐射加热的方法研究热定型温度对织物导电性能的影响。不同温度下8种试样在（10，20，30，40）×40纵行等效电阻的变化如图5所示。

图5（a）-圖5（d）可以看出镀银导电织物随着定型温度的增加，等效电阻先减小后增大。4种试样10横列×40纵行的等效电阻最高值与最低值降低了近50%。其中镀银平纹织物在温度达到100℃时等效电阻约为最低值，而镀银罗纹织物在温度达到120℃时等效电阻近最低点。在选择镀银纤维作为柔性传感器的后整理工艺中，可以采用100℃或120℃的定型温度以期达到较合理稳定的电阻值。纯不锈钢丝具有良好的耐氧化性及耐热性，不锈钢丝织物的变化曲线与镀银织物接近，变化趋势较为平稳。根据实测数据，铜丝柔性传感器的等效电阻随温度的升高缓慢增大，因部分铜丝在空气中加热后与氧气反应生成CuO，其表面游离电子减少。各试样在40横列×40纵行的等效电阻的变化率都较小，热稳定性较好。

3.结论

a）5种导电纤维与粘胶、弹力锦纶/氨纶包芯纱在电脑横机上成功混织平纹、罗纹柔性传感器，说明导电纤维（金属丝）具有一定的可编织性。

b）随着洗涤次数的增加，镀银导电织物横向尺寸先变小后纵向尺寸变小，织物电阻先减小后略微增大趋于平稳；同为单丝的不锈钢丝与铜丝，因织物中的纱线存在断裂的情况，从而导致电阻增大；各试样在40横列×40纵行的等效电阻随洗涤次数的变化幅度极小，可见所织柔性传感器较耐洗涤。

c）选择镀银纤维作为柔性传感器的后整理工艺中，可以采用100℃或120℃的定型温度以期达到较合理稳定的电阻值；随着温度的升高，各试样在40横列×40纵行的等效电阻的变化率都較小，热稳定性较好。