不同濕態下不銹鋼/滌綸針織物的導電性能

陳 晴， 張 鑫， 羅虹富， 陳 杰， 舒 琳

(1. 東華大學 上海國際時尚科創中心， 上海 200051;2.江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122;3.華南理工大學 電子與信息學院， 廣東 廣州 510640)

隨著科技的發展和智能化的普及，導電纖維作為智能纖維的典型代表之一，引起國內外材料界的廣泛關注，對其及其織物的研究也逐步深入。由于導電纖維獨特的性能，其在傳感器、服裝等方面擁有較好的應用前景[1-2]。導電織物柔性傳感器具有彈性模量低、應變大、可彎曲、可折疊、可水洗、舒適性較好等優點，因而受到廣泛關注并逐漸代替傳統智能服裝中硬件傳感器[3]。導電纖維在信息傳感方面已成為21世紀智能材料中最理想的載體[4-5]。

導電纖維中的金屬纖維具有良好的導電、傳熱和耐高溫等性能，并且能夠屏蔽電磁波，因此越來越廣泛地應用于紡織工業和其他工業領域，不銹鋼纖維就是具有代表性的金屬纖維之一。不銹鋼纖維的良好性能使其成為防護功能纖維和生物醫學功能纖維等高科技纖維中用途最廣泛的纖維之一[6]。

針織物具有與機織物不同的結構和性能，它在彈性及延伸性方面有著機織物難以比擬的優勢，其中1+1羅紋組織彈性最好。目前關于織物拉伸引起電阻變化的研究，如東華大學建立內衣壓力模型，依據針織面料在人體圍度上的拉伸變形，分析了內衣對人體各部分的壓力并測量壓力變化過程中針織柔性傳感器電阻的變化情況[7]；也有關于含水量引起電阻變化的研究，如東華大學研究織物的電阻隨芯吸過程而改變的規律等[8]。

由于不銹鋼纖維具有強度大、電阻率低的特點[9]，以其為原料的織物在拉伸中會造成顯著的電阻變化，所以不銹鋼導電織物主要用作各種織物傳感器[10]，通過電阻變化傳遞不同的信號，從而達到提示或控制的功能。

文中從濕度對不銹鋼針織物導電性能的影響入手，以不銹鋼和滌綸混紡的1+1羅紋針織物為測試材料，通過對針織物干、濕態的電阻比較，探究其導電性能與濕度的關系。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 選用不銹鋼和滌綸混紡導電紗線，滌綸質量分數為90%，不銹鋼紗線質量分數為10%。紗支為30 tex的雙股紗，紗線捻度為277捻/m。1+1羅紋針織物如圖1所示；織物基本參數見表1。

1.1.2儀器 CMS7.2型針織橫機，德國斯托爾(Stoll)公司制造；RIGOL DM3068型電阻測量儀器，蘇州普源精電科技有限公司制造。

1.2 方法

1)剪取橫向×縱向分別為2 cm×2 cm，2 cm×4 cm，2 cm×6 cm，2 cm×8 cm的4種織物，每種織物剪取3塊。

2)將大小、方向相同的織物分為一組，橫向4組、縱向4組，共8組，分別進行電阻測量；測量時織物平整鋪放，使其處于不受張力的狀態，以減少織物拉伸對實驗結果的影響。

圖1 1+1羅紋針織物Fig.1 1+1 rib knitted fabric

(/dm)(/dm)/mm/(g/m2)/(g/m3)1+158.0072.000.89307.55345.56

3)每組織物先測量其干態電阻，再在水中潤濕且使其表面不凝水珠，測量其含水率分別為20%，30%與40%時的濕態電阻。干、濕態各測3次，取平均值。

4)測量點為距邊緣0.5 cm的中點處，并保證每次夾持點相同，夾持點處保證金屬纖維不裸露。

5)所有組測完后，匯總數據，進行分析。

2 結果與討論

2.1 織物干態電阻分析

羅紋織物干態電阻變化趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，相同面積的織物干態縱向電阻大于干態橫向電阻，并且電阻相差大，究其原因為：金屬纖維主要分布在紗線內部，致使線圈間搭接相連時電阻變大。但是相同面積的不同樣品之間電阻也有一定的誤差。這是由于羅紋織物具有較好的拉伸性，而電阻受到了拉伸的影響。此外，由于儀器原因，實驗過程中無法確保每次測試點位置完全相同，且不銹鋼纖維在測試點的分布不均勻，織物采樣的尺寸有偏差等，也會影響測試結果。

由實驗數據可知，對于不同面積的織物，在織物寬度不變的情況下，隨著長度的增加，織物的橫向電阻和縱向電阻均呈增加趨勢，這是由于導體電阻與導體長度成正比[11]，即關系式為

R=ρL/S

式中：ρ為導體的電阻率(Ω·cm)；L為導體的長度(cm)；S為導體的橫截面積(cm2)；R為所測紗線的電阻(Ω)。

圖2 織物干態電阻變化趨勢Fig.2 Changing trend of dry resistance of fabrics

2.2 織物濕態電阻分析

2.2.1含水量對電阻的影響 織物含水率與電阻的關系如圖3所示。

由圖3中不同織物含水率分別為20%，30%，40%時的橫、縱向電阻，推出其橫、縱向回歸方程。

其中：2 cm×4 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y1,y2)分別為

y1= - 267.8x1+138.64;
y2= - 248.85x2+133.59。

2 cm×4 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y3,y4)為

y3= - 1 466.1x3+ 641.18；

y4= - 373.25x4+200.13。

2 cm×6 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y5,y6)為

y5= - 10 784x5+ 4 048.4；

y6= - 5 988.1x6+ 2 253.7。

2 cm×8 cm織物的橫、縱向電阻回歸方程(y7,y8)為

y7= - 7 543.4x7+ 2 919.6；

y8= - 8 067.9x8+ 3 029.8。

由此可知，面積相同的織物隨含水率增加電阻減小，這是由于水具有導電性能，當織物的含水率越大，潤濕效果越好，表面的水分越多，織物的導電效果越好，所測量的電阻越小。

圖3 不同織物含水率與電阻的關系Fig.3 Relationship between moisture content and resistance of different fabrics

2.2.2干、濕態織物橫、縱向電阻比較 由圖3(a)可知，2 cm×2 cm織物潤濕后，20%含水率時織物縱向電阻比橫向大4.87 kΩ，30%含水率時織物橫向電阻比縱向大7.84 kΩ，40%含水率時織物縱向電阻比橫向大1.08 kΩ。浸濕后的2 cm×2 cm織物橫、縱向織物電阻差與干態時的22 320 kΩ相比較小。

由圖3(b)可知，2 cm×4cm織物潤濕后，20%含水率時織物橫向電阻比縱向大250.95 kΩ，30%含水率時織物橫向電阻比縱向大56.45 kΩ，40%含水率時織物橫向電阻比縱向大32.3 kΩ。浸濕后的2 cm×4 cm織物橫、縱向織物電阻差與干態時的39 920 kΩ相比十分小。

由圖3(c)可知， 2 cm×6cm織物潤濕后，20%含水率時織物橫向電阻比縱向大952.93 kΩ，30%含水率時織物橫向電阻比縱向大71.45 kΩ，40%含水率時織物橫向電阻比縱向大18.79 kΩ。浸濕后的2 cm×6 cm織物橫、縱向織物電阻差與干態時的69 600 kΩ相比十分小。

可圖3(d)可知，2 cm×8cm織物潤濕后，20%含水率時織物縱向電阻比橫向大63.18 kΩ，30%含水率時織物橫向電阻比縱向大79.95 kΩ，40%含水率時織物橫向電阻比縱向大41.72 kΩ。浸濕后的2 cm×8 cm織物橫、縱向織物電阻差值與干態時的98 640 kΩ相比十分小。

由圖2和圖3對比可知，隨著含水率的增加，織物的橫、縱向電阻均呈下降趨勢，并且織物的橫、縱向電阻趨于相近。這是由于在干態時織物的導電是通過紗線，只是橫、縱向紗線連接的方式不同；而在濕態時，由于水分潤濕紗線，因此紗線間的連接對于電阻的影響較小，主要受表面水分導電效果影響。同時，隨著織物含水率的增加，織物表面的水分越來越多，致使濕態時織物橫、縱向電阻差值變小，并隨著含水率的增加，差值越來越小，且含水率在40%時，橫、縱向電阻幾乎相同。

2.2.3織物尺寸對電阻的影響 含水率為20%，30%，40% 時不同尺寸織物的電阻如圖4所示。

圖4 織物尺寸與電阻的關系Fig.4 Correlation between fabric size and resistance

1)由圖4(a)可知，織物在含水率為20%時，2 cm×2 cm織物電阻縱向大于橫向，但相差較小，為4.87 kΩ；2 cm×4 cm和2 cm×6 cm織物電阻均橫向大于縱向；2 cm×8 cm織物電阻縱向大于橫向。由于織物含水率20%時相對含水較少，造成不同織物表面水分分布的均勻度并不完全相同，因此橫、縱向電阻大小無明顯規律。

此外，由圖4(a)可知，在含水率均為20%時，織物縱向一定的情況下，織物寬度不變，隨著長度的增加，織物的電阻呈增加趨勢；對于織物橫向而言，在含水率均為20%的情況下，由于電阻與長度呈正相關，所以織物寬度不變時，隨著織物長度的增加，電阻總體呈增加的趨勢。然而2 cm×8 cm織物的橫向電阻小于2 cm×6 cm織物的橫向電阻，可能是由于在20%含水率的情況下，織物中紗線的潤濕并不均勻，測量2 cm×8 cm織物時測試夾所夾位置可能為潤濕較完全的紗線，因此導致其電阻較小。

2)由圖4(b)可知，在織物含水率為30%的情況下，4種織物的橫向電阻均大于縱向，且隨著織物面積的增大，橫、縱向電阻差越大，差值依次為7.84，56.45，71.45，162.77 kΩ。同時，隨著織物面積的增大，橫、縱向電阻均有增加的趨勢。由此可知，在織物含水率相同，寬度不變的情況下，縱向電阻隨著長度的增加而增大，這是由于電阻與長度成正比，長度增大，電阻增加。

3)由圖4(c)可知，在含水率為40%的情況下，2 cm×2 cm織物的電阻縱向大于橫向，差值為1.08 kΩ；2 cm×4 cm，2 cm×6 cm，2 cm×8 cm織物的電阻橫向大于縱向，差值依次為32.3，18.79，41.72 kΩ，且總體趨勢為：電阻隨著織物面積的增大而增大。2 cm×2 cm縱向電阻與橫向電阻極其相近，而其他面積織物的電阻橫向大于縱向，這可能是因為2 cm×2 cm織物面積較小，40%的含水率幾乎將織物浸濕，無論橫向還是縱向，表面水分的導電效果遠超出紗線導電效果，因此其橫、縱向電阻相近。而其他織物由于面積較大，在40%含水率時，表面并非完全有水分覆蓋，因此導電即有水的因素，也有紗線影響，從而使得橫向電阻大于縱向電阻。

織物在含水率40%的情況下，寬度一定，隨著長度增加，電阻總體趨勢為增加。而2 cm×4 cm織物出現了異常，可能是實驗過程中織物濕度發生了變化或者是所測位置有紗線斷裂等原因導致。

3 結 語

對羅紋織物進行了干態與濕態的電阻測試后發現：

1)在干態時，羅紋織物的電阻與紗線連接方式有關，織物縱向為線圈間搭接相連，橫向為同一根紗線編織而成，由于搭接的情況會造成電流通過受阻，因此織物縱向電阻大于橫向電阻。同時，由于電阻與長度成正比，因此對于寬度相同的織物，長度越長，織物的電阻越大。

2)在濕態時，分別對織物進行3種含水率的測試，發現織物在潤濕后不再是單一的紗線進行導電，同時有表面的水分導電，因此潤濕后的電阻均大幅度小于干態時的電阻，且含水率越高，電阻越小，這表明了該紗線潤濕度越大時，其電阻越小。同時，由于在濕態時電流不再是單一的紗線連接，添加了水的因素，織物由縱向電阻大于橫向電阻變成橫向電阻大于縱向電阻，且隨著含水率增加，二者之間的差值減小。