導(dǎo)電紗線及柔性傳感器耐久性影響因素研究

鄭姿辰, 唐 寧, 王金鳳,2

(1.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院),杭州 310018; 2.浙江省產(chǎn)業(yè)紡織材料制備技術(shù)研究重點實驗室,杭州 310018)

隨著“智能化”不斷走進人們的生活,智能纖維與智能紡織品備受關(guān)注。導(dǎo)電纖維作為智能纖維中典型代表之一,它在信息傳感及傳輸方面已經(jīng)成為智能材料首選的理想載體[1]。智能紡織品是通過織物與各領(lǐng)域技術(shù)融合開發(fā)出的既具有傳統(tǒng)紡織品的固有風(fēng)格和服用性能,又能通過反饋機制對感應(yīng)的外界及內(nèi)部變化做出響應(yīng)的新型紡織品,在醫(yī)療、軍事、運動娛樂等領(lǐng)域均有普遍應(yīng)用[2-3]。柔性傳感器作為一類智能紡織品,近年來受到廣泛的重視。

目前主要對柔性傳感器耐久性能的影響因素展開深入研究,主要體現(xiàn)在拉伸、洗滌、熱處理等方面,但是對于導(dǎo)電纖維耐久性能影響因素的研究較為單一,此類研究通常采用電導(dǎo)率或電阻變化來體現(xiàn)各因素對材料耐久性的影響[4],因為導(dǎo)電性是導(dǎo)電紗線及傳感器的重要參數(shù)。從纖維的內(nèi)部(聚合物結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性填料等),到其加工條件、使用溫度、作用力[5-6],以及紡織品在染色加工過程的染色煮煉、水洗、皂煮、烘干等工序,都會使柔性傳感器的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化而影響其導(dǎo)電性能[7]。因此,本文探究洗滌次數(shù)、熱定型溫度、氧化時間,對77 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線、111 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線、銅絲導(dǎo)電長絲、不銹鋼導(dǎo)電長絲、銅纖維導(dǎo)電紗線5種典型導(dǎo)電紗線導(dǎo)電性能的影響,并與原始電阻進行比較,以其變化程度表示其耐久性的優(yōu)劣。另外,采用局部添紗組織制備柔性傳感器,則導(dǎo)電紗線需機械性能與導(dǎo)電性良好、柔軟,且粗細與非導(dǎo)電紗適配。基于此,本文選擇77 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線制備針織柔性傳感器,通過量化的試驗數(shù)據(jù),分析洗滌及染整工藝對其表面形態(tài)和等效電阻的影響,以此探究柔性傳感器的耐洗性與耐染色性。以期在制備智能導(dǎo)電織物時,設(shè)計者可以依據(jù)制備工藝要求選擇合適的金屬導(dǎo)電紗線,并且為探究影響柔性傳感器導(dǎo)電性能的因素提供進一步的參考。

1 試 驗

1.1 材 料

本試驗所選用的導(dǎo)電紗線及其規(guī)格參數(shù)及電學(xué)性能如表1所示。

柔性傳感器的制備:采用77 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線、20 dtex/30 dtex空氣滌綸/氨綸包芯紗及83 dtex滌棉紗線為原料,在筒徑38.1 cm、機號為E23的GD-NJ08型全電腦無縫內(nèi)衣單針筒圓機上編織提花添紗組織。其中,空氣滌綸/氨綸包芯紗為地紗,未編織柔性傳感器的區(qū)域以柔性的滌棉紗線作為面紗,針織柔性傳感器區(qū)域以鍍銀導(dǎo)電紗線為面紗,滌棉紗線在傳感器反面呈浮線。

表1 導(dǎo)電紗線基本性能Tab.1 Basic properties of conductive yarns

1.2 儀器與設(shè)備

GD-NJ08型全電腦無縫內(nèi)衣單針筒圓機(杭州高騰機電科技有限公司),VCITOR VC890C+型數(shù)字萬用電表(深圳市勝利高電子科技有限公司),SteREO Discovery.V20型蔡司體式顯微鏡(北京普瑞賽司儀器有限公司),JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社),XQG80-BD1626型洗衣機(海爾集團公司),DGG-9240B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司),HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋(常州國華電器有限公司),WT46B200TI型烘干機(西門子(中國)有限公司)。

1.3 試樣處理與測試

1.3.1 導(dǎo)電紗線的耐洗性能測試

由于紗線在洗滌攪拌過程中容易打結(jié)交纏,故試驗紗線試樣均與滌棉紗線混織,以織物的形式進行洗滌。采用GBT 8629—2001《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》標(biāo)準(zhǔn),對紗線分別進行5、10、15、20、25、30次的洗滌試驗。將輕柔模式下10 min清水洗滌和1 min的脫水(用于模擬一般服裝洗滌要求)記為一次洗滌。洗滌后的試樣用清水洗凈后置于65 ℃的烘箱中烘30 min后取出,冷卻5 min,將紗線從織物編織方向中拆出來,使用VCITOR VC890C+型數(shù)字萬用電表測量各個試樣中導(dǎo)電紗的電阻值。

1.3.2 導(dǎo)電紗線熱定型及耐熱性能測試

測試前將導(dǎo)電紗線試樣置于溫度為(20±2) ℃,相對濕度為63%～67%的標(biāo)壓下進行預(yù)調(diào)濕24 h。將試樣分別置于溫度為40、60、80、100、120、140 ℃的烘箱中,熱烘5 min。使用數(shù)字萬用電表分別測量每個試樣5、10、15、20、25 cm長度下的電阻值。

1.3.3 導(dǎo)電紗線的耐氧化性能測試

每種導(dǎo)電紗線取10根以順直的狀態(tài)粘貼在絕緣板上,置于恒溫恒濕實驗室中(溫度為25 ℃、濕度為65%),每隔5 d分別測試各個導(dǎo)電紗線5、10、15、20、25 cm長度下的電阻值。測試結(jié)果為10次的電阻平均值。

1.3.4 柔性傳感器洗滌前后結(jié)構(gòu)觀察及導(dǎo)電性能測試

洗滌方式同1.3.1,對柔性傳感器進行30次洗滌測試,通過SteREO Discovery.V20型蔡司體式顯微鏡拍攝洗滌前后的織物圖片,使用萬用電表測試柔性傳感器洗滌前后(10、15、20、25、30)橫列×(10、15、20、25、30、35、40)縱行的等效電阻值,每一組試樣測試10次后取平均值。

1.3.5 柔性傳感器染色前后結(jié)構(gòu)觀察及導(dǎo)電性能測試

使用活性藏青BF-DB對試樣進行染色處理并放入紡織品專用烘干機中烘干25 min后取出冷卻10 min,使用數(shù)字萬用電表分別測試不同試樣染色處理前后(10、15、20、25、30)橫列×(10、15、20、25、30、35、40)縱行的等效電阻值。

2 結(jié)果與分析

2.1 洗滌對導(dǎo)電紗線形態(tài)及其導(dǎo)電性能的影響

使用SteREO Discovery.V20型蔡司體式顯微鏡拍攝水洗處理前試樣表面結(jié)構(gòu)和局部放大圖及放大不同倍數(shù)SEM照片,如圖1所示(3#和4#均為金屬單絲,故不對其進行微觀結(jié)構(gòu)的觀察)。

從圖1(a)(b)可以看出,鍍銀導(dǎo)電紗線由多根鍍銀錦綸單絲經(jīng)過并和、加捻形成,在紗線鍍銀涂層的表面出現(xiàn)了黑色物質(zhì),由于鍍銀涂層易被氧化,所以可推斷此物質(zhì)為金屬銀與空氣中硫化物反應(yīng)生成的硫化銀。由圖1(c)可以看到,單絲粗細較為一致,鍍銀紗線的整體涂層均勻、結(jié)構(gòu)完整,有部分單絲上出現(xiàn)涂層的缺失。整體來看銀以薄膜狀的形態(tài)涂覆在纖維的表面,從橫截面電鏡照片中可以看出在紗線的表面具有許多大小不一的顆粒狀銀粒子。由圖1(d)可以看出,銅絲導(dǎo)電長絲和不銹鋼導(dǎo)電長絲由單根金屬絲抽長所得,表面光滑且具有金屬光澤。由圖1(e)可以看出,銅纖維導(dǎo)電紗線由許多單絲并合而成,整體較為松散,單絲表面的硫化銅涂層使得銅纖維導(dǎo)電紗線具有反射光澤。由圖1(f)可以看出,在銅纖維導(dǎo)電紗線是由許多根單紗扭結(jié)在一起,其表面有一層由硫化銅微粒子合成物沉積而成的涂層。該單絲截面非圓形,多邊形的截面形狀有利于紗線之間的抱合與纏繞,這為紗線未經(jīng)過加捻造成的紗線易脫散這一缺點做了一些彌補。

本文對五種導(dǎo)電紗線分別進行了5～30次的標(biāo)準(zhǔn)洗滌試驗。銅纖維導(dǎo)電紗線經(jīng)洗滌后電阻超過萬能電表的量程,故數(shù)據(jù)不予體現(xiàn)。由此可知,銅纖維導(dǎo)電紗線水洗穩(wěn)定性較差,經(jīng)多次洗滌后表面的硫化銅脫落導(dǎo)致電阻顯著增加。其余四種導(dǎo)電紗線經(jīng)洗滌后不同長度下的電阻變化如圖2所示。

圖2 1#、2#、3#、4#紗線電阻隨洗滌次數(shù)的變化規(guī)律Fig.2 Changes of the resistance of 1#, 2#, 3# and 4# yarns with washing times

由圖2可知,未經(jīng)洗滌處理的各導(dǎo)電紗線的電阻與測量長度呈線性關(guān)系,電阻隨著測量長度增加線性增加。圖2(a)中,經(jīng)過25次洗滌導(dǎo)電紗線1#的電阻變化較為穩(wěn)定,經(jīng)過30次洗滌,紗線的電阻顯著增加,導(dǎo)電性顯著下降。經(jīng)過30次洗滌后,1#5 cm處的電阻增加了39.7%,10 cm處電阻增加了48.9%,25 cm處電阻急劇增加了161.5%。與圖2(b)對比可知,經(jīng)過30次洗滌后,2#電阻平均增加了23.4%,其比1#的耐洗滌性穩(wěn)定許多。經(jīng)過25次以上的洗滌后,鍍銀導(dǎo)電紗線的電阻才開始增加,這說明紗線的鍍銀涂層較為穩(wěn)定。鍍銀導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電性能及導(dǎo)電穩(wěn)定性主要取決于紗線表面鍍銀涂層的質(zhì)量,因為完整的鍍銀膜作為優(yōu)良的導(dǎo)電體可在纖維表面形成很好的導(dǎo)電通路。在經(jīng)過10次洗滌后,導(dǎo)電紗線表面的鍍層會受到一定程度破壞,導(dǎo)電通路不再連續(xù),當(dāng)鍍銀層出現(xiàn)缺陷時,后續(xù)洗滌實驗對鍍銀紗線的破壞會加速。所以在經(jīng)過25次以上洗滌后,洗滌的機械力破壞了鍍銀涂層的完整性,從而使得鍍銀導(dǎo)電紗線的電阻增大,導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電性能減弱。

在圖2(c)(d)中,3#和4#在連續(xù)洗滌后導(dǎo)電穩(wěn)定性良好,電阻沒有明顯的波動。其中,在同一長度下,3#電阻最高值較原始紗線電阻增加率保持在2%～6%,而4#的電阻增加率保持在5%～8%,由此說明銅絲導(dǎo)電長絲和不銹鋼長絲的耐洗滌性較好。因為兩者均是成分單一的金屬紗線,即使多次洗滌磨損了紗線表面,但紗線整體并不會造成很大的損傷。

2.2 熱定型對導(dǎo)電紗線導(dǎo)電性能的影響

紗線在經(jīng)過紡絲、捻絲、織造及染整濕加工中受到了各種機械力的影響,都會致使織物的尺寸不穩(wěn)定,布面不平整,熱定型往往是最后一道工序。本文采用烘箱熱烘處理方法來研究熱定型對導(dǎo)電紗線導(dǎo)電性能的影響。經(jīng)過高溫?zé)岫ㄐ秃?銅纖維導(dǎo)電紗線長度縮短,電阻非常不穩(wěn)定且急劇增大部分超過萬能電表量程,可知銅纖維導(dǎo)電紗線的耐熱性較差。其余四種紗線不同長度下,電阻隨溫度變化規(guī)律如圖3所示。

在圖3(a～d)中,銅絲、不銹鋼絲經(jīng)過熱定型處理后,電阻均比較穩(wěn)定,說明熱定型溫度對紗線導(dǎo)電性能影響較小。其中,3#的導(dǎo)電性能最好。兩種鍍銀導(dǎo)電紗線在40～120 ℃溫度內(nèi),電阻變化均較為穩(wěn)定,1#電阻最高值與最低值之間變化率穩(wěn)定在6%左右,而2#電阻變化率穩(wěn)定在10%～20%。當(dāng)熱定型溫度達到140 ℃時,1#、2#的電阻在一定程度上均有所下降,由于鍍銀導(dǎo)電紗線是以錦綸為基體,而錦綸的熱穩(wěn)定性較差。在經(jīng)過高溫?zé)岷嫣幚砗?紗線收縮使得長度變短,同時紗線表面涂層中Ag接觸更為緊密,形成較好的導(dǎo)電通路,因此導(dǎo)電紗線電阻變小,導(dǎo)電性能增加[8]。其原因可以從下式來進行分析。

圖3 1#、2#、3#、4#紗線不同長度電阻隨溫度的變化規(guī)律Fig.3 Changes of resistance of different lengths of 1#, 2#, 3# and 4# yarns with temperature

R=ρL/A

(1)

V=L·S

(2)

R=ρL2/V

(3)

式中:ρ為電阻的電阻率,Ω·cm;L為電阻的長度,cm;A為電阻的橫截面積,cm2;V為電阻的體積,cm3。

錦綸的玻璃化溫度在45～60 ℃,其形態(tài)改變致使機械性能隨著溫度的升高而發(fā)生變化。一般來說,導(dǎo)電紗線的電阻是隨著溫度的增加而增加的。由于錦綸6的安全使用溫度在93 ℃以下,溫度升高易出現(xiàn)熱收縮現(xiàn)象,溫度越高收縮率越大。所以在經(jīng)過5 min、100 ℃以上的高溫后,錦綸紗線發(fā)生熱收縮,則L減小,而紗線種類和體積不變。根據(jù)式(3)可知,鍍銀紗線的總體電阻下降,其導(dǎo)電性反而增加。在140 ℃下,經(jīng)過高溫?zé)崽幚?纖維間發(fā)生黏連,增加了Ag粒子間的接觸概率,因此,在此溫度下紗線電阻下降更為明顯。

2.3 氧化對導(dǎo)電紗線導(dǎo)電性能的影響

在試驗的測試過程中銅纖維混紡導(dǎo)電紗線經(jīng)過10 d的氧化后其電阻非常不穩(wěn)定且已超過電表量程,從103數(shù)量級增加到106數(shù)量級。其余四種紗線不同長度下電阻隨氧化時間的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可以明顯發(fā)現(xiàn),銅絲的耐氧化性最好,即使經(jīng)過30 d的氧化處理,其電阻變化率也僅達到2.9%,原因是銅絲表面氧化產(chǎn)生的堿式碳酸銅包覆在紗線表面形成保護層,可以減緩銅絲內(nèi)部的氧化,故3#的氧化電阻較為穩(wěn)定。對比圖4(a～d)可知,2#的電阻在15 d內(nèi)導(dǎo)電性能穩(wěn)定,對于不同長度下的紗線,電阻增加率均低于10%,5 cm處的氧化電阻變化率最低,為4.4%;而經(jīng)過20 d氧化后其電阻較氧化處理前最高增加了50%,導(dǎo)電性能下降;1#與2#不同長度氧化電阻變化趨勢相似。紗線表面的銀涂層形成了一個優(yōu)良的導(dǎo)電通路,使得鍍銀導(dǎo)電紗線具有導(dǎo)電性,但在25 ℃、65%溫濕度條件下,紗線表面形成氧化銀及硫化銀物質(zhì),隨著氧化時間的增加,硫化銀增厚,導(dǎo)致涂層不穩(wěn)定,導(dǎo)電不通暢[9]。不銹鋼長絲導(dǎo)電性能穩(wěn)定,抗氧化性能優(yōu)良。

圖4 1#、2#、3#、4#紗線不同長度試樣氧化電阻的變化規(guī)律Fig.4 Change of oxidation resistance of samples with different lengths of 1#, 2#, 3# and 4# yarns

2.4 洗滌對柔性傳感器表面形態(tài)及導(dǎo)電性能的影響

在試驗前期先將5種紗線分別與滌棉紗線混織制成緯平針織物,探究導(dǎo)電紗線的耐洗性能。由于鍍銀導(dǎo)電紗線彎曲性能良好,結(jié)合實際情況并依據(jù)表2導(dǎo)電紗線編織難度等級,可以判定兩者的編織等級為2級,說明其易于編織,且沿長度方向上電阻穩(wěn)定,所以適合用作傳感紗線編織柔性傳感器[10]。

表2 導(dǎo)電紗線編織難度等級Tab.2 Conductive yarn braiding difficulty level

77 dtex鍍銀紗線與非傳感區(qū)域所用紗線粗細更為接近,成圈形狀更好,相比較111 dtex鍍銀紗線與織物配比不夠完整。經(jīng)過綜合考慮織物的各項性能要求,選擇77 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線編織不同尺寸的緯平針柔性傳感器試樣,對其進行30次洗滌測試,并使用蔡司體式顯微鏡放大15倍拍攝柔性傳感器試樣在洗滌前后實物,如圖5所示。

由圖5可知,從色澤上看,鍍銀導(dǎo)電紗線經(jīng)洗滌后略微有些泛黃。從形態(tài)上看,由于鍍銀紗線由多股長絲并捻而成,洗滌時在機械力作用下,織物頻繁發(fā)生彎曲變形[11],導(dǎo)致線圈松弛或者局部單根長絲脫離主體的現(xiàn)象有所增加。多次洗滌會造成鍍銀紗線表面銀層磨損甚至脫落,使其在水洗后電阻增大。隨著洗滌次數(shù)的增加,鍍層與纖維的結(jié)合效果會逐漸減弱,且柔性傳感器表面會伴隨有線圈歪斜且毛羽增多的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致傳感器導(dǎo)電性能變差[12]。但在實測結(jié)果中發(fā)現(xiàn),隨著洗滌次數(shù)的增多,所有平針導(dǎo)電織物試樣的縱橫向尺寸都在變小,因此織物密度變大,所以經(jīng)過洗滌處理后的柔性傳感器電阻小幅度降低。在自然狀態(tài)下測試柔性傳感器試樣洗滌30次前后的等效電阻,如表3所示。

圖5 1#緯平針柔性傳感器試樣洗滌前后實物對比Fig.5 Comparison of 1# weft plain needle flexible sensor sample before and after washing

通過表3對比可以發(fā)現(xiàn),不同橫列數(shù)和縱行數(shù)對傳感器電阻的影響存在較大差異。研究發(fā)現(xiàn),織物的橫向線圈之間存在串聯(lián)關(guān)系,而縱向線圈之間存在并聯(lián)關(guān)系[13],經(jīng)過洗滌處理后線圈之間的關(guān)系并不發(fā)生改變。所以,在橫列數(shù)相同的情況下,縱行數(shù)增加洗滌前后傳感器試樣電阻也隨之增加,在縱行數(shù)相同的情況下,橫列數(shù)增加,洗滌前后試樣的電阻隨之減小。30次洗滌后試樣等效電阻變化不大,說明77 dtex鍍銀導(dǎo)電紗編織的柔性傳感器具有良好的耐洗性。

2.5 染色對柔性傳感器表面形態(tài)及導(dǎo)電性能的影響

采用77 dtex鍍銀紗成功編織平紋柔性傳感器試樣,其實物及在蔡司體式顯微鏡下觀察到的表面形態(tài)如圖6所示。本文采用活性藏青BF-DB對試樣進行染色處理,使用萬用電表測得染色前后柔性傳感器(10、15、20、25、30)橫列×(10、15、20、25、30、35、40)縱行等效電阻變化,如表3所示。

圖6 染色前后柔性傳感器實物對比Fig.6 Comparison of the flexible sensor before and after dyeing

柔性傳感器試樣染色后,面紗的藏青色分布均勻,色澤較好,添紗的鍍銀紗線其金屬光澤依舊存在,線圈能夠保持其形狀穩(wěn)定,如表4所示。

由表4可知,染色后的柔性傳感器電阻均減小,這是由于經(jīng)過染色后織物會進行收縮,纖維之間接觸更緊密。由文獻[14]可知,導(dǎo)電緯平針織物縱行方向上,等效為并聯(lián)電路,等效電阻隨橫列數(shù)的增加而減小;其橫列方向上,等效為串聯(lián)電路,等效電阻隨縱行數(shù)的增加而增加。由表4數(shù)據(jù)可知,染色前后柔性傳感器電阻的變化規(guī)律與其一致。試樣10橫列×40縱行的電阻降低率最高,達到了46%,在25橫列×(10、15、20、25、30、35、40)縱行的電阻變化率都較小。整體來看,鍍銀導(dǎo)電紗線基柔性傳感器的耐染色性能較好,經(jīng)過染色處理后其導(dǎo)電性能穩(wěn)定。

表4 染色前后柔性傳感器的電阻對比Tab.4 Resistance comparison of the flexible sensor before and after dyeing

3 結(jié) 論

本文選取了5種金屬導(dǎo)電紗線,進行水洗、熱定型及氧化處理,通過紗線電阻變化分析這三種因素對導(dǎo)電紗線耐久性的影響。綜合考慮導(dǎo)電紗線的可編織性及導(dǎo)電穩(wěn)定性,選擇77 dtex鍍銀導(dǎo)電紗線編織柔性傳感器,通過分析洗滌、染色處理前后柔性傳感器結(jié)構(gòu)及等效電阻的變化,研究其耐洗性及耐染色性。

研究發(fā)現(xiàn),洗滌次數(shù)、熱定型溫度及氧化時間對導(dǎo)電紗線均有影響。銅絲和不銹鋼導(dǎo)電紗線經(jīng)過多次洗滌、不同熱定型溫度處理及20 d氧化處理后仍能維持穩(wěn)定的電阻,具有優(yōu)良的耐洗性、耐熱性及抗氧化性能。鍍銀導(dǎo)電紗線在洗滌25次以上時,會因為鍍銀涂層受洗滌機械力作用脫落而使導(dǎo)電性能降低,耐洗性較差。同時,在氧化20 d之后,由于部分銀轉(zhuǎn)化為氧化銀或硫化銀物質(zhì)導(dǎo)致電阻明顯增大,導(dǎo)電性能明顯降低而表現(xiàn)出較差的耐氧化性能。但是,在高溫?zé)岫ㄐ秃?紗線長度有一定程度的收縮,致使其電阻變小因而表現(xiàn)出良好的耐熱性。

鍍銀導(dǎo)電紗編織的柔性傳感器耐洗性能及耐染色性能優(yōu)良,水洗及染色前后電阻的變化規(guī)律一致,導(dǎo)電穩(wěn)定性均較好。在對柔性傳感器進行染色處理時,織物處于高溫、高濕且受外力作用下會收縮,織物尺寸變小,各纖維接觸更緊密,致使傳感器在不同橫列縱行下電阻均減小。

通過研究發(fā)現(xiàn),可以為選擇符合實際使用要求的導(dǎo)電紗線及開發(fā)耐久型智能紡織品提供依據(jù),并且為針對柔性傳感器的設(shè)計制備提供進一步的理論支持。

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