用于柔性織物電極的導電紗線耐久性研究

李倩文，周嘉琳，孫 超，衣衛京

(1.北京服裝學院 服裝藝術與工程學院，北京 100029； 2.中華女子學院 藝術學院，北京 100101)

智能服裝是服裝與各領域技術融合產生的一種新型服裝，其可感知外部及內部環境變化，模擬生態系統，并通過反饋機制做出響應，且能夠保留服裝固有風格和服用性能，在醫療、運動和軍事等領域均有很好的發展和應用。織物傳感器具有柔軟、吸濕透氣、價格低且更容易和服裝集成等特點，大大提高了智能服裝的舒適性。常用的基于紡織材料的導電紗線包括金屬絲紗線、表面涂覆導電物質的紗線、碳纖維紗線等，市場所用大多數紡織電極是基于金屬包覆的紗線。而在運動狀態監測時，由于訓練過程中大量出汗，且室外訓練會受到光照的影響，因此，對導電紗線的耐光和耐汗液腐蝕性能有更高的要求。

本文結合運動訓練場景對導電紗線耐久性能的要求，在考慮紗線舒適性的基礎上，通過設計實驗分析汗液和光照對導電紗線表面形態、力學性能和電學性能的影響，綜合評價不同導電紗線的耐久性，以期為運動訓練場景智能服裝的運用提供更有競爭力的產品。

1 試驗部分

1．1 材 料

試驗所選用的導電紗線及其規格參數及電學性能見表1。

表1 導電纖維的基本性能Tab.1 Basic properties of conductive fibers

1.2 形貌表征

分別制取試樣1#、2#、3#的樣品，并對上述樣品表面進行噴金處理，采用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)觀察樣品的表面形態。

1.3 性能測試

根據GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》，將試樣1#～6#放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(65±5)%的LLY-33恒溫恒濕箱(萊州市電子儀器有限公司)平衡24 h后，使用INSTRON-3367電子萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司)測試每種試樣的強力數據各20根，結果取平均值。

按氯化鈉20.0 g/L、氯化銨17.5 g/L、尿素5.0 g/L、乙酸2.5 g/L、乳酸15.0 g/L，滴加氫氧化鈉調節pH至4.7的方法配制人工汗液500 mL，放入長度為10 cm的3種導電紗線各150根。每間隔1 h取出3種導電紗線各10根，用水沖洗后放入溫度為60 ℃的Y802K快速八籃烘干箱(萊州市電子儀器有限公司)烘干5 min后，測試紗線中間位置5 cm的電阻值。

將3種導電紗線順直貼在透明玻璃窗戶上，在有光照的自然條件下放置，每隔1周測定其電阻變化，測試時間持續1個月，分析紗線的耐光老化性。

2 結果與討論

2.1 汗液對紗線表面形態的影響

汗液處理前試樣1#、2#、3#長度方向放大不同倍數SEM照片見圖1，由圖示出1#單根紗線是由約132根復絲抱合加捻，纖維邊界粗糙不光滑，纖維表面銀含量比較高，但銀鍍層牢度較差，呈現為鍍層銀薄厚不一，且有脫落現象；2#單根紗線是由24根復絲抱合加捻，錦綸基鍍銀纖維邊界光滑，纖維表面均勻覆蓋一層薄薄的銀。鍍銀層有輕微脫落現象，但不明顯；2#單根紗線是由約40根復絲抱合加捻，纖維之間較為松散，表面不如鍍銀纖維縱向光滑。

圖1 汗液處理前1#、2#、3#縱向放大不同倍數SEM照片Fig.1 SEM images of 1#, 2# and 3# along the axial direction in different magnifications before sweat treatment

汗液處理后1#、2#、3#放大1 000倍的SEM照片見圖2，由圖2的(a)～(f)示出1#在汗液處理2 h后纖維表面的銀鍍層開始脫落，同時出現了直徑非常小的白色顆粒浮在纖維表面，鍍銀層的脫落面積隨著汗液處理時間的增加而增大。初始時白色顆粒直徑小且數量多，隨著浸泡時間的增加，白色顆粒數量減小同時顆粒直徑增大。由圖2(g)～(l)示出2#和1#一樣在汗液處理2 h后纖維表面可以觀察到的比較明顯的白色顆粒，但鍍銀層還沒有明顯的脫落現象。隨著時間的增加，其特征與1#相似，可見，汗液處理會破壞鍍銀紗線表面的鍍銀層，當鍍銀層表面有缺陷時，破壞過程會加速。由圖2的(m)～(r)示出浸泡汗液時間對纖維表面影響不明顯。3#導電紗線的導電物質是以顆粒的形式分散在紗線內部。

圖2 汗液處理不同時間后1#、2#、3#的SEM照片(×1 000)Fig.2 SEM images of 1#, 2# and 3# after sweat treatment in different time(×1 000)

2.2 汗液對紗線力學性能的影響

導電紗線的力學性能見表2。由表可知1#～5#紗線彈性模量都相對較小，適合采用較細針距的緯編針織機編織成織物電極，而6#不銹鋼絲模量非常大，且斷裂伸長率非常低，在制作用于緊貼皮膚的織物電極時加工困難。2#、4#、5#是同一公司生產的不同細度錦綸基鍍銀紗線，工藝基本相同，因此，在后續的耐汗漬性能和耐光性能研究中，主要對試樣1#～3#進行測試。

表2 導電紗線的力學性能Tab.2 Mechanical properties of conductive yarns

3種導電紗線機械強力與汗液處理時間關系曲線見圖3，由圖示出3種紗線的力學性能隨著汗液處理時間的延長，只有輕微的變化，雖然汗液處理對1#和2#表面的鍍銀層有一定的影響，但紗線強力大小主要取決于纖維自身，表層鍍銀層對紗線的力學性能影響不大。

圖3 3種導電紗線機械強力與汗液處理時間關系曲線Fig.3 Relationship between mechanical strength and sweat treatment of three conductive yarns. (a) Change in elongation at break； (b) Change in breaking strength

2.3 汗液對紗線電學性能的影響

3種導電紗線初始電阻見圖4，由圖示出汗液處理前3種導電紗線的電阻隨長度的增加呈線性增加，因此，可以說明紗線本身具有較好的均勻性，實驗時將紗線按一定時間間隔取出進行電阻測試能夠體現紗線本身的耐汗液性能。1#、2#鍍銀紗線表面有連續的鍍銀層，電阻較小，而3#電阻率較大，原因在于導電物質是以顆粒的形式分散在纖維內部，粒子之間采用電子躍遷的方式導電。對比2種鍍銀導電紗線電阻均勻性可知，2#比1#有更好的線性度，說明2#的電阻均勻性比較好，由SEM照片可知1#纖維表面的銀鍍層有明顯脫落，從而影響電阻均勻性。3#線性度和2#相近，導電紗線電阻均勻性比較高。

圖4 3種導電紗線初始電阻Fig.4 Initial resistance of three conductive yarns

汗液處理對導電紗線電阻的影響見表3，1#間隔1 h電阻測試數據見表4，由表3、4可知，1#初始電阻為0.02 kΩ/(5 cm)，每小時隨機抽取10個試樣，隨著汗液處理時間的增加，電阻也快速增加，并有部分樣品超出萬用表量程，超出樣品數量也隨著處理時間的增加逐漸增加，所以1#的平均值是剔除了超出量程數據(最大電阻值)后計算所得。有效電阻值的誤差與汗液處理時間呈正比，說明隨著時間的增加，紗線電阻的均勻性逐漸降低。第5 h測試有效電阻平均值超1×10kΩ，且60%的測試樣品電阻值已經超出電表量程，認為1#在汗液處理5 h后不再具備導電能力。2#初始電阻為0.04 kΩ/(5 cm)，電阻隨浸泡時間逐漸增大，初期電阻值變化緩慢，前6 h每次所測紗線所有試樣均為有效值未超出電表量程，直到第7 h電阻值突然增加到53 507.57 kΩ，不再具備導電能力，汗液處理對紗線導電性的影響結果與SEM照片具有一致性，處理過程中，產生白色顆粒浮在纖維表面，對紗線的導電性影響不大，隨著浸泡時間的增加，白色顆粒直徑逐漸變大，緊接著開始脫落，導電性能直線下降，故而2#的電阻變化表現為初期電阻變化不明顯，直到第8 h白色顆粒大量脫落后，電阻值大幅度降低直接超出導電紗線定義的電阻值，不再具備導電能力。3#隨著浸泡時間電阻平緩有規律的逐漸增加，在浸泡9 h后超過導電紗線定義范圍。1#的耐汗漬性能最差，3#的耐汗漬性能比2#有明顯提升。這主要與3#的導電成分和導電顆粒的分布有關。結果說明3#更適合運動訓練出汗量較高的使用場景，在改善智能服裝柔性織物電極的耐久性方面具有很大應用潛力。

表3 汗液處理對導電紗線電阻的影響Tab.3 Effect of sweat treatment on electrical resistance of conductive yarn

2.4 光照對紗線電學性能的影響

光照時間對導電紗線電阻的影響見圖5，示出1#電阻隨著光照時間增長快速增加，1個月左右增加了8倍多，且紗線間的電阻均勻性也變化非常明顯；2#初始時電阻相對穩定，隨著光照時間的延長，變化開始變得明顯，紗線間電阻的差異也變大。2種鍍銀紗線的耐光性差異與鍍銀層的工藝和質量以及紗線結構有關。1#紗線根數更多，表面積比較大，更易受到光照氧化的影響，所以耐光性能更差。隨光照時間的延長，3#的電阻變化不明顯，一方面是由于腈綸紗線本身具有較好的耐光性，另一方面是由于腈綸導電紗線的導電填料基本處于紗線內部，且石墨烯紗線對光照不敏感，因此具有較高的穩定性。

表4 1#每次間隔1h電阻測試數據Tab.4 Resistance test data of 1# at each interval of one hour

圖5 光照時間對導電紗線電阻的影響Fig.5 Influence of illumination time on the resistance of conductive yarn

3 結 論

針對運動訓練用織物電極導電材料的影響因素進行分析，設計實驗，從汗液和光照2個方面，對導電紗線處理前后的表面形態、力學性能和電學性能進行對比研究，結果表明：不銹鋼紗線具有較大的模量，在針織織物電極加工中存在加工困難的問題，在鍍銀錦綸紗線、腈綸基石墨烯紗線中，汗液對導電紗線的力學性能沒有顯著影響；隨著汗液處理時間的增加，鍍銀導電紗線鍍銀層受到腐蝕，而腈綸導電紗線表面無明顯變化。2種鍍銀紗線在汗液分別處理4 h和6 h后不再具有導電能力，且隨著處理時間的增加，紗線電阻的均勻性逐漸降低。腈綸基石墨烯導電紗線相對具有更好的耐汗液腐蝕性能，隨著處理時間的增加，紗線電阻平穩有規律地逐漸增長；光照對腈綸基石墨烯電學性能影響最小，鍍銀錦綸紗線電阻隨光照時間不僅電阻增加，而且電阻的均勻性也變差。綜合分析認為腈綸基石墨烯紗線具有更優異的性能，在運動訓練智能服裝領域具有更好應用前景。