（纺织材料与纺织品设计专业论文）不锈钢纤维导电针织物的性能和应用.pdf

学位论文的主要创新点 | 1 1 1 11 1i f i i l l1 1 111 1i ii y 17 7 3 0 17 一、为提高导电纤维的编织性能，本研究采用导电纤维与水溶性 纤维并线交织的方法编织针织物。这样不仅可以解决导电纤维编织性 能差的问题，而且有利于编织参数的控制，为大批量编织导电针织物 提供可行的方案。 二、本研究以针织横机的弯纱深度和牵拉张力为主要因子，采用 响应曲面法设计实验，通过数据分析，得到编织工艺参数与不锈钢纤 维1 + 1 罗纹导电针织物电学性能之间的关系，并对编织工艺参数进行 了优化。 三、采用不锈钢纤维1 + 1 罗纹针织物作为传感器研制人体呼吸监 测系统原型，对传感器用导电针织物的应用进行了尝试。 摘要 导电纤维是以电子导电为机理的功能纤维。由于导电性能优越，且耐洗涤、 耐磨损等特点，导电纤维作为一类重要的新型材料引起国内外材料界的广泛关 注，对其及其织物的研究也逐步深入。 针织物具有与机织物不同的结构和性能，它在弹性及延伸性方面有着机织物 难以比拟的优势，而罗纹组织尤其是1 + 1 罗纹组织具有最佳的横向弹性。本论文 对当前国内外导电纤维及其织物的研究状况进行了分析。采用不锈钢导电纤维结 合针织纬编技术，对导电纤维的编织及其织物的电学性能做了研究，并开发了一 种以导电织物为传感器的呼吸监测系统。 通过对编织方法的比较发现，直接编织法虽然简单，但是由于不锈钢纤维的 性能特点而不容易编织；所以本文采用间接法即水溶性纤维与不锈钢纤维并线交 织，这不仅可以解决不锈钢纤维编织性能问题，而且有利于实现在电脑横机上的 编织，为批量生产导电针织物提供可能。 为了得到满足不同使用要求的导电针织物，本研究对不锈钢纤维1 + 1 罗纹纬 编针织物进行了拉伸测试，分析了编织参数对不锈钢纤维导电针织物在单轴向拉 伸中的电学性能的影响。并采用响应曲面法，把用弯纱深度( n p 值) 来表示的 线圈长度和牵拉张力作为主要因子，对编织工艺参数进行了优化，经过分析得到 了几个回归方程，并通过了验证。 根据电学性能的研究和参数优化的结果，结合实际编织及应用，设计并研制 了以不锈钢纤维针织物为传感器的呼吸监测系统原型。经过对1 0 个不同个体的 测试，结合使用f f t 对测试结果进行分析，实现了呼吸的时域信号与频域信号 之间的转换，得到人体呼吸频率的特征。实验结果表明该系统在一定的实验条件 下是有效的，能够反映人体呼吸频率状况；这可为将来研制家庭用可穿戴式呼吸 监测系统奠定了理论及实践基础。 关键词：导电纤维，编织性能，针织物，响应曲面法，快速傅里叶变换，呼吸 监测，呼吸频率 a b s t r a c t c o n d u c t i v ef i b e r sa r ef u n c t i o n a lf i b e r sw h o s ec o n d u c t i v i t yi sd e p e n d i n go n e l e c t r o n s b e c a u s eo ft h es u p e r i o rp e r f o r m a n c e so fe l e c t r i cc o n d u c t i v i t y , w a s h a b l e ， w e a r - r e s i s t i n g , e r e ，c o n d u c t i v ef i b e r sh a v ea t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no ft h ef i e l do f m a t e r i a ls c i e n c e a n dt h er e s e a r c ho ni ta n di t sr e s u l t a n tf a b r i c si sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ep o p u l a r s i n c et h es t r u c t u r e so fk n i t t e df a b r i c sa l ed i f f e r e n tf r o mt h o s eo fw o v e nf a b r i c s ， a n di tl e a d st ot h ef e a t u r e ss u c ha sb e t t e re x t e n s i b i l i t ya n de l a s t i c i t y f o re x a m p l et h e r i bf a b r i c s ，e s p e c i a l l ylxlr i bf a b r i c s ，h a v eg o o de l a s t i c i t yi nc o u r s e w i s ed i r e c t i o n i n t h i si n v e s t i g a t i o n , f i r s t l y , s e v e r a lw e f tk n i t t e df a b r i c sw e r em a d eb yu s i n gs t a i n l e s s s t e e lf i b e r s ，t h e nt h ek n i t t a b i l i t yo ft h ef i b e r sa n dt h ee l e c t r i cp r o p e r t yo ft h er e s u l t a n t f a b r i c sw e r ea n a l y z e d ，a n df i n a l l ya na p p l i c a t i o np r o t o t y p ew a sd e v e l o p e df o r m o n i t o r i n gh u m a nr e s p i r a t i o n a f t e rt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i r e c t k n i t t i n gm e t h o da n di n d i r e c t - k n i t t i n g m e t h o d ，i tw a sf o u n dt h a tt h ef o r m e rm e t h o di ss i m p l ei nd e s i g n ，b u td i f f i c u l tt o h a n d l ed u et ot h eb e n d i n gm o d u l e so ft h es t a i n l e s ss t e e lf i b e r s t h u st h el a t t e rm e t h o d w h i c hi sam e t h o df e e d i n gac o n d u c t i v ef i b e rw i t l lw a t e rs o l u b l ef i b e r ss i m u l t a n e o u s l y w a s a d o p t e d i tn o to n l yo v e r c o m e s t h ep o o rk n i t t a b i l i t yo ft h es t a i n l e s sf i b e r , b u ta l s o c a nb eu s e df o rk n i t t i n go nc o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e s t h i sw i l lm a k et h e m a s sp r o d u c t i o no fc o n d u c t i v ef a b r i c sb e c o m ep o s s i b l e i no r d e rt o s a t i s f yd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s ，d r a w i n gt e s t sw e r ec o n d u c t e df o r i n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c e so ft h ek n i t t i n gp a r a m e t e r so nt h ee l e c t r i cp r o p e r t yo ft h e s t a i n l e s ss t e e llxlr i bf a b r i c sd u r i n gu n i d i r e c t i o nd r a w i n g t h eo p t i m i z a t i o n e x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e db yu s i n gt h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y f o ro b t a i n i n g o p t i m a lk n i t t i n gp a r a m e t e r s t w ok e yf a b r i c sw e r ec h o s e n t h e ya r et h en pv a l u e w h i c hi st h ed e p t ho fs t i t c hc a ms e t t i n ga n dd r a w i n gt e n s i o nv a l u ew m a f t e rt h e a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s e v e r a le q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h er e s u l t so f v e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sr e v e a lt h a tt h e ya r ea c c e p t a b l ea n de f f e c t i v e b a s e do nt h er e s u l t so ft h er e s e a r c ho nf a b r i ce l e c t r i cp r o p e r t ya n dk n i t t i n g o p t i m i z a t i o n , a sw e l la se n d - u s er e q u i r e m e n t s ，as y s t e mf o rm o n i t o r i n gh u m a n r e s p i r a t i o nw a ss e t u pb yu s i n gt h es t a i n l e s ss t e e lf a b r i c sa sas e n s o r a f t e r 10 i n d i v i d u a l t e s t s ，t h eb r e a t h i n g r a t e sw e r eo b t a i n e d w i t ht h ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m a t i o nf o rt r a n s l a t i n gt h et i m ed o m a i ns i g n a l si n t of r e q u e n c yd o m a i ns i g n a l s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mi se f f e c t i v eu n d e ro u rl a bc o n d i t i o n s ，a n dc a l l r e f l e c th u m a n r e s p i r a t i o nf e a t u r e s t h i sp r o v i d e st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i sf o rt h e d e v e l o p m e n to fw e a r a b l es y s t e m sf o rm o n i t o r i n gh u m a nr e s p i r a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：c o n d u c t i v ef i b e r , k n i t t a b i l i t y , k n i t t e df a b r i c ，r e s p o n s es u r f a c e m e t h o d o l o g y , f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) ，r e s p i r a t i o nm o n i t o r i n g , b r e a t h i n g r a t 目录 第一章绪论1 1 1 研究的目的和意义l 1 2 论文研究的主要内容l 1 3 论文的重点及关键问题2 第二章导电纤维及其织物的研究和应用3 2 1 导电纤维3 2 1 1 导电纤维的性能及特点3 2 1 2 导电纤维的研究及其发展状况3 2 1 2 1 国外研究状况3 2 1 2 2 国内研究状况5 2 1 3 导电纤维的应用5 2 2 导电织物的研究及应用6 2 2 1 导电织物的研究进展6 2 2 2 导电织物应用7 2 2 2 1 传感器领域7 2 2 2 2 服用、无尘领域8 2 2 2 3 医用领域9 2 3 小结1 0 第三章导电针织物的编织性能1 l 3 1 导电纤维的编织方法1 1 3 1 1 直接编织法1 1 3 1 2 间接编织法1 2 3 1 3 水溶性纤维及其在纺织中的应用1 2 3 2 导电织物编织性能分析1 3 3 2 1 直接编织法性能评价1 3 3 2 2 间接法编织织物评价1 5 3 3 在电脑横机上编织导电针织物1 6 3 4 小结l7 第四章导电针织物电学性能及其与编织参数之间的关系1 9 4 1 基础理论1 9 4 2 研究方法介绍2 2 4 3 实验设计与安排一2 2 4 3 1 实验设计2 2 4 3 2 织物准备2 4 4 3 3 性能测试。2 4 4 3 3 1 测试仪器及设备2 4 4 3 3 2 测试步骤2 5 4 4 实验结果与分析2 6 4 4 1 实验结果2 6 4 4 2 导电针织物电阻变化率与延伸变化率之间的关系一2 8 4 4 3 编织参数优化3 0 4 4 3 1 参数优化结果3 0 4 4 3 2 实验验证3l 4 5d 、结：；：! 第五章应用产品设计3 3 5 1 产品设计3 3 5 1 1 设计思想3 4 5 1 2 设计方案3 4 5 2 产品原型制作3 6 5 2 1 材料选择及准备3 6 5 2 2 制作步骤3 8 5 3 实验准备及分析方法3 9 5 3 1 实验设备。3 9 5 3 2 测试方法3 9 5 3 3 结果分析方法4 0 5 4 测试结果与分析4 l 5 5 小结4 3 第六章结论4 5 6 1 取得的研究进展一4 5 6 2 存在的问题4 5 6 3 研究展望4 6 参考文献：4 7 发表论文和参加科研情况说明。5 1 附录：5 3 i i 附录i ：1 + 1 罗纹不锈钢纤维针织物电学性能测试数据表5 3 附录i i ：响应曲面法处理结果图6 1 附录i i i ：呼吸测试结果及f f t 处理图6 4 致谢7 5 i i i 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 近年来，导电纤维的研究和应用已逐渐趋于成熟，它不仅可以用来消除静电、 吸收电磁波，而且还可以用于电信号的探测和传输等。导电纤维作为一类重要的 智能材料引起国内外材料界的广泛关注，并在服装、传感器及产业用等领域具有 良好的应用前景【l j 。国内需要抗静电和导电的领域越来越广，而以导电纤维结合 纬编针织技术的研究在国内还没有太多的报道，因此对这种纤维及其织物的研究 具有及其重要的理论价值和实际意义。 随着科技的发展，各类特定用途的纺织品对其电学性能提出了各种各样的要 求。针织物具有与机织物不同的结构和性能，它的线圈结构单元具有透气性好， 弹性及延伸性好等优点。以导电纤维为原料编织的针织物可作为传感器，应用于 航空航天、医疗保健、城市建筑等诸多领域，为国民经济的发展和人民生活水平 的提高做出巨大贡献【2 】。因此本课题以导电针织物为研究对象，通过对不锈钢导 电纤维针织物的编织和拉伸测试，分析编织参数对导电针织物电学性能的影响， 为导电针织物生产及在民用领域中应用提供理论依据和实验基础。同时，利用导 电针织物导电性能特点，开发出应用产品原型，对导电针织物的实际应用进行尝 试。 1 2 论文研究的主要内容 本研究主要结合当前导电纤维针织物研究发展状况，对导电织物电学性能进 行研究，研制了以导电针织物为传感器的应用产品原型。具体的说，论文主要进 行了以下几方面工作。 1 不锈钢纤维编织针织物。采用两种方法直接法和间接法对不锈钢导 电纤维进行编织，分析不锈钢导电纤维的编织性能；通过采用间接法用水溶纤维 与不锈钢纤维辅助编织，改善了不锈钢纤维在电脑横机上的编织性能。 2 不锈钢纤维针织物编织工艺参数优化。通过编织实验和对不锈钢纤维针 织物电学性能的测试，以及对其在拉伸过程中的电阻变化进行分析，得到织物电 学性能与编织参数之间的关系。基于得到的实验及分析结果，对不锈钢纤维针织 物编织工艺参数进行优化，得到满足不同使用要求的工艺参数组合。 天津工业大学硕十学位论文 3 研制人体呼吸监测系统原型。在不锈钢纤维针织物电学性能基础上，采 用不锈钢纤维导电针织物作为传感器设计制作呼吸监测系统原型，根据测试结 果，研究并分析人体呼吸频率特征。 1 3 论文的重点及关键问题 1 参考国内外有关导电纤维及织物性能的研究资料，对不锈钢纤维i + i 罗 纹针织物电学性能进行分析，通过工艺参数优化试验，选择合适的参数组合成为 本文重点之一。 2 选取恰当的数学方法进行实验设计并对实验测试结果进行分析对本研究 的顺利进行也尤为重要。 3 选择适当的工艺参数编织导电织物传感器，合理设计呼吸监测系统，提 高导电针织物传感器的灵敏度和可重复利用性能，是决定本研究能否有效反映人 体呼吸频率的关键所在。 第二章导电纤维及其织物的研究和应用 第二章导电纤维及其织物的研究和应用 2 1 导电纤维 2 1 1 导电纤维的性能及特点 导电纤维一般指在标准大气条件下比电阻小于1 0 8 q 锄的纤维，导电性能 优良的纤维其比电阻在1 0 2 1 0 5 q c f n ，甚至小于1 0 f l 锄。导电纤维是差别化 纤维的重要品种之一，具有导电、电热和抗电磁波辐射等功能【3 】。按照导电成分 来分一般包括，金属纤维、碳纤维、导电成分覆盖型纤维、导电成分复合( 或混 合) 型纤维等。 导电纤维是以电子导电为机理的功能纤维。其导电机理是利用导电体的静电 诱导、电晕放电、泄漏等作用的综合效果而产生。由于纤维内部含有自由电子， 因此无湿度依赖性，即使在低温度条件下也不会改变导电性能。由于导电性能优 越，且具有耐洗涤、耐磨损等特点，导电纤维作为一类重要的智能材料已引起国 内外材料界的广泛关注【4 j 。 2 1 2 导电纤维的研究及其发展状况 2 1 2 1 国外研究状况 为了消除纤维及其织物的静电，防止危害发生，人类自2 0 世纪6 0 年代起就 开始了开发导电纤维的工作。最早用于纺织加工的导电纤维是美国b r u n s w i c k 公 司商品名为b r u n s m e t 的不锈钢纤维f 5 】。1 9 7 4 年，美国d u p o n t ( 杜邦) 公司开发 了以含炭黑的聚乙烯为芯，尼龙6 6 为鞘的导电复合纤维尼龙b c f 6 1 。皮占 总体9 6 ，比电阻达1 0 3 1 0 5 ( f l c i l l ) ，在地毯或纺织加工中只要混入l 2 这种导电纤维，即可获得耐久且满意的抗静电效果。接着m o n s a n t o ( 孟山都) 公司研制成偏芯圆型复合导电锦纶6 u l t r o n ，其导电成分碳黑在纤维表面露出， 放电非常迅速，抗静电效果良好。 1 9 7 7 年，美国宾夕法尼亚大学的m a ed i a r m i d 教授等人发现了导电聚乙炔， 开创了结构型导电聚合物发展的新局面【刀。 1 9 7 8 年日本t o r a y ( 东丽) 公司的海岛型导电腈纶“s a 7 ”( l u a n a ) 开发成功， 导电成分碳黑粒子在纤维中呈岛状分散，纤维具有优良的物理性能。继而，日本 天津工业大学硕士学位论文 k a n e b o ( 钟纺) 合纤公司将三层并列型导电锦纶“b e l l t r o n ”( 贝特纶) 成功地应用于 地毯、无尘衣和学生服中；u n i t i k a ( 尤尼吉卡) 公司的梅格i i i 导电锦纶；k u r a r y ( 可乐丽) 公司的可拉卡保导电涤纶；t o y o b o ( 东洋纺) 公司的“k e 9 ”导电腈纶 都陆续问世，进入了碳黑有机导电纤维的全盛时则8 1 。 8 0 年代开始了导电纤维的白色化研究，日本帝人( t e i j i n ) 公司首先研制成 功 t - 2 5 ”白色导电涤纶；k a n e b o 公司向市场推出了半白和白色“b e l l t r o n 导电锦 纶；t o r a y 、u n i t i k a 等公司也都开发了白色导电锦纶和涤纶，其导电成分多为c u i 等白色金属化合物，这为导电纤维开辟了服装和装饰织物的新用途。 1 9 8 9 年，押田j 下博等采用含c u i 微粒的聚乙烯为芯，聚酯为鞘，制得导电 涤纶【9 1 。但是这种完全由导电聚合物制造出来的导电纤维难以适合很多纺织材料 的应用要求，其使用价值很有限。且由于导电高分子材料本身刚度大、难溶、难 熔、成型困难，因此制备导电聚合物纤维较困难。同年，美国r v g r e g o r y 以锦纶或涤纶为基质，采用“现场”吸附聚合法制备导电纤维，使纤维导电性能持 久良好【1 0 1 。 英国n e m o t oh 提出了制备导电聚对苯二甲酰对苯二胺( i ) - - - - - 聚吡咯( i i ) 混合 纤维的方法。这种方法主要取决于在极性有机溶液中n n a 化的i 组分的溶解性。 i 组分和吡咯的d m s o 溶液干喷湿纺进入含水f e c l 3 凝固浴，经洗涤和干燥即得 高强度且柔软，含i i 5 0 w t 的i i i 共混纤维【1 1 , 1 2 】。 9 0 年代美国n o b l ef i b e r t e c h n o l o g i e s ( 诺贝尔纤维科技公司) 开发出镀银纤 维x s t a t i c ，即在聚酰氨纤维表面镀一层纯银。镀银纤维一般采用合成纤维为基 材，在其表面镀了一层“纯银而具有天然银的特殊性能，镀银纤维织物具有良 好的抗菌除臭、导电、热传导等功能。同时，聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电高 分子聚合物的导电纤维相继有了迅速发剧1 3 。 2 0 0 2 年同本u n i t i k a 公司开发了一种新型聚酯高导电纤维含碳双组分长 丝，其电阻率为8 x 1 0 5 q c n l 。导电率比常规导电纤维高2 个数量级，该纤维即 使在低于1 的共混率下也能获得抗静电性能。日本t o r a y 公司通过在大分子链 上接枝共聚的方法研制成具有防臭功能的有机导电纤维。法国r s t a t 公司也开发 出一种多功能的有机导电纤维，它是由尼龙或聚醋为基体，用硫化铜做涂层，该 纤维还能抑制细菌生长，具有抗菌作用。此外，由于特殊的电学和光学性能的要 求，近几年对导电高聚物特别是对聚苯胺的研究成为热门课题。用聚苯胺和聚酞 胺混纺成的有机导电纤维也具有较高的电磁屏蔽频率。日本大阪k u r a r a yl i v i n g 公司和东京m i t s u i 公司在北海道大学( h o k k a i d o u n i v e r s i t y ) b u n s h if u g e t s u 教授的 带领下，采用碳纳米管( c n t ) 分散溶液技术成功地研制了c n t 涂层导电纤维 c a n a a n ( 涂层聚酯加工纱) ，他们应用精密纱线染色技术，把c n t 均匀地涂在 第二章导电纤维及其织物的研究和应用 聚酯复丝加工丝上形成网络。这种最新开发的c n t 网络技术，不仅能应用于聚 酯机织和针织织物，也能应用于其他织物【1 4 j 。 2 1 2 2 国内研究状况 我国从7 0 年代开始进行导电纤维的开发研究。8 0 年代初上海合纤所和无锡 江苏纺织研究所均取得抗静电锦纶、抗静电涤纶等产品的小试成果，并在当时通 过了纺织部技术鉴定。接着含碳黑导电纤维由无锡江苏纺织研究所开发成功，并 且进行了小规模工业化生产，最终嵌织制成的织物，在无尘衣领域推广应用。不 锈钢纤维等金属纤维在油田工作服、抗静电工作服等特种防护服面料中有较广的 应用。近年来，国内各高校及科研机构也开发成功了多种有机导电纤维。例如表 面镀铜、镍的金属化聚酯导电纤维、c u i 导电的腈纶导电纤维、c u i p e t 共混 纺丝制成的导电纤维、碳黑复合导电纤维等等。以上导电纤维虽已有商业化生产， 但产量低，质量不稳定，价格常高于国外同类产品【”】。现在我国进口导电纤维主 要来自三家公司，德国b a s f ( 巴斯夫) 公司的碳黑涂覆型导电锦纶、美国s o l u t i a ( 首 诺) 公司的碳黑复合型导电锦纶6 6 、日本钟纺公司碳黑复合型导电锦纶“b e l l t r o n ”、 金属化合物复合型白色导电涤纶或导电锦纶。 2 1 3 导电纤维的应用 作为一种新型智能材料，导电纤维以其良好的导电性能广泛应用于纺织品、 通用工程、耐热工程塑料、汽车制造、运动器材、航空及宇航等方面。 在纯棉纱线中混入1 5 2 的导电纤维，纱线的导电性能较好【l6 1 。在纤维中 混入0 5 5 5 的导电纤维，就可解决织物的带静电问题【1 5 】。植入导电纤维是 目前公认的提高纺织品抗静电性能的理想方法。采用此种方法获得的抗静电面料 的抗静电性能耐久性强、织物应用面广，具有广阔的发展前景。导电纤维还大量 用于电磁波屏蔽和吸附材料，如作轮船的电磁波吸收罩等。可防止雷达信号产生 叠影；利用导电纤维对电磁波的屏蔽性，可用作精密电子元件、电子仪器、高频 焊接机等电磁波屏蔽罩；作为特殊要求房屋的墙壁、天花板等的吸收无线电波的 贴墙布。航空、航天部门的电磁波屏蔽材料用化学镀或电镀法制得的导电布有较 强的屏蔽微波作用，若再复合一层电磁波吸收层，即可用于从事雷达、通讯、电 视转播、医疗等工作人员的有效防微波工作服。此外，若将3 8 的碳纤维、 金属铜纤维或混有镍纤维的玻璃纤维，均匀分散在聚苯乙烯或其他热固性塑剂 中，可制成有很好屏蔽电磁波性的薄膜，并可改善薄膜的导电性。 近年来，导电纤维的研究和应用已逐渐趋于成熟，不仅可用于石油化工、军 工等行业的防静电防爆服，而且还可用于微电子、医药、食品、精密仪器、生物 天津丁业大学硕士学位论文 技术领域的无尘服、无菌服。另外，还可用于民用服装及尼龙b c t 地毯等内饰 产品中，提高产品档次及附加价值 1 7 - 3 0 1 。 2 2 导电织物的研究及应用 导电纤维作为一类重要的智能材料引起国内外材料界的广泛关注，并在服 装、传感器及产业等方面具有良好的应用前景。针织物良好的弹性和拉伸性能使 得传感器更加适合用来测比较大的拉伸应力，应用范围非常广泛。 2 2 1 导电织物的研究进展 江南大学的陈振洲、陈慕英等通过研究纺织材料的电学性质，设计和开发了 四种不同导电丝嵌入方法的抗静电针织产品，并对织物的抗静电性能、织物的外 观效应和导电纤维含量的影响作了探讨【3 1 1 。之后，经过进一步研究，阐述了防静 电针织物中导电纤维的间隔距离与导电纤维的含量以及织物的抗静电性能的关 系，通过计算机曲线模拟，求出变量之间的回归曲线方程【3 2 1 。他们根据织物的允 许电荷面密度计算出导电丝的理论间距为2 7 4 c m 、导电丝的理论含量为0 3 0 5 6 ，并指出在实际生产时可根据产品用途作适当修正【3 3 】。王家豪、于燕华经过试 验研究，介绍了嵌织导电纤维的抗静电针织面料的生产工艺，同时他们也研究了 织物中导电纤维间距与导电丝含量及抗静电性能的关系，并模拟曲线得出回归方 程，计算出了导电纤维的理论间距和理论含量【3 4 , 3 5 】。丁金玲等采用金属导电长丝 开发抗静电、防电磁波精纺毛织物。研究了导电纤维在织物中的合理的分布及比 例，详细叙述了该类产品在研制生产过程中的工艺要点。但不足之处在于产品颜 色受到色相所限，色谱不全，一定程度上限制了产品的花色的丰富性【3 6 1 。伏广伟， 贺显伟在他们的研究中介绍了通过植入导电纤维提高纺织品抗静电性能的技术， 他们指出有机导电纤维的新突破推动了纺织品抗静电技术的发展，为民用纺织品 解决静电问题找到理想的解决方案。除了应用研究外，也有许多人对测试方法进 行了研究。戴晴介绍了一种织物抗静电方法及抗静电性能测试方法，通过我国现 行相关测试方法标准对含导电纤维纺织品抗静电性能测试的适应性分析比较，认 为“电荷面密度法”是现行标准中最适宜的测试方法【明。 针织物凭借其良好的弹性和拉伸性能等在导电织物应用领域开始受到广泛 关注。研究结果表明，影响针织物电阻的主要因素是：导电纤维单丝的材料和直 径、结构、编织密度和机械拉伸负荷等【3 引。有些学者通过实验测试得出了平针导 电针织物电阻，织物密度，和单轴向拉伸之间的关系，并且研究了各种因素对导 电针织物影响，同时又有研究表明，线圈结构、接触电阻是影响针织物导电性能 第二章导电纤维及其织物的研究和应用 的主要因素。h z h a n g 等人提出了一个关于由不锈钢复丝编织的导电平针针织物 在大的单轴向拉伸下电阻变化的理论模型【3 叭。他用一个二维六角形模型来表示纬 平针组织电路循环，经实验验证得知，织物中重叠纱线间的接触电阻是决定织物 传感器灵敏性的关键因素。并且给出针织物的传感机理是拉伸过程中纱线间接触 电阻的变化引起织物电阻的相应变化，得到了不锈钢纤维针织物电阻与应变的关 系。他指出在一定的应变范围内不锈钢织物的相对电阻为应变的线性函数，织物 的电阻随应变增加而下降。杨斌等人也对由不锈钢复丝编织的针织物导电性能做 了相关研究，并讨论了多次拉伸下织物电阻变化的规律。同时，他们还通过对不 锈钢纱线及其导电织物在温度变化下的电阻的测量，对数据进行线性回归，得到 电阻与温度之间的关系。并且他们还对不锈钢纱线及其织物的温度传感性能进行 研究，将导电织物作为应变传感器，解决高温下进行大应变的测量难题 4 0 , 4 1 】。此 外，有研究者通过拉伸试验研究了不同组织结构不锈钢纤维织物的电阻与应变之 间的关系，观察到不锈钢织物的电阻变化依赖于不同的组织结构，线圈转移少、 接触电阻变化大的织物有利于提高电阻响应的灵敏度和重现性。另外不锈钢纤维 织物的相对电阻变化还与加载条件如最大循环应变、加载速率等相关u u ，4 2 j 。 本课题前期工作中，研究了导电纤维编织性能1 4 3 1 ，并且通过实验和理论分析， 初步研究了1 + 1 罗纹导电针织物电阻与拉伸变形的关系。 2 2 2 导电织物应用 如今，随着对导电纤维及织物性能研究的日益成熟，导电纤维及织物在织物 传感器方面，服装领域，医用领域得到广泛应用，并且在其他领域的应用也日渐 增多。 2 2 2 1 传感器领域 在制造织物传感器方面，日本太阳工业公司用碳纤维开发的监测应变的传感 器，可用于建筑物、道路、飞机、索道等结构安全的诊断。美国麻省理工学院的 研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路，制出织物软键盘。近年来， 导电聚合物的快速发展为传感器技术进步奠定了基础，目前导电聚合物单独或与 光纤传感器结合用于温度、压力、电磁辐射、化学物质种类和浓度的监测。英国 d u r h a m 大学研制出具有半导体特性的导电聚苯胺纤维，可以作为传感器使用。 美国m i l l i k e n 研究公司发明了聚吡咯纤维涂层技术，采用气相沉积或溶液聚合的 方法，在纤维表面涂覆导电的聚吡咯涂层制成织物传感器。意大利p i s a 大学将 聚吡咯涂覆在莱卡纤维表面制成智能手套，可以探测出手指运动情况。欧盟 e l e c t r ot e x t i l e s 公司利用导电纤维技术开发了压力敏感织物，可以准确地探测出 天津工业大学硕士学位论文 受压力的部位。在国内，近年来浙江理工大学利用导电纤维、导电浆料、电子元 件等，通过织物组织设计与电路设计，研制出一种柔性织物键盘，将导电材料与 纺织织物两者的优势很好地结合起来。该键盘除具有普通键盘的功能外，还具有 织物本身的特点，如柔性、可折叠、防尘、防异物、可洗、操作无噪音【4 4 1 。台湾 台北工业大学k b c h e n g 等人在复合材料杂志上介绍了一种用玻璃纤维 铜丝混纺针织物增强聚丙烯复合材料的制法及其电磁屏蔽效果。他们用玻璃纤维 作为增强材料，用铜丝作为导电材料制成的导电针织物，适用作电脑、电子装置 和科学仪器的外壳【4 5 】。除此之外，音乐夹克( 图2 1 ) 、音乐键盘和运动夹克等 系列产品已经被开发出来并且投入生产，实现服装的电子化和数字化。运动夹克 将导电织物作为传感器，利用其受拉伸后导电纤维导电性能的变化来探测手臂的 运动情况，研究人员预计这种服装在姿态矫正方面也会有市场。 利用导电纤维制成的消防服，将一个传感器嵌在服装背后，通过导电纤维将 其与嵌在服装前面可以听见的警报器相连接，电信号从输人装置可以传送到输出 装置，以保护消防人员的安伞。 2 - 2 2 2 服用、无尘领域 图2 1 音乐夹克 第二章导电纤维及其织物的研究和应用 导航、使用者监测环境以及电加热四项功能；比利时s t a r l a b 的智能服装由多层 构成；德国f a c 服装设计公司推出的智能服装中集成了手机、录音机、m p 3 和 c p s 系统的功能，国内江苏省纺织研究所公司推出了含不锈钢纤维的防辐射服装 4 6 1 ( 如图2 3 ) 。 萨 蝴概? 、 ：之4 图2 - 2 无尘服装 图2 3 防辐射服 2 2 _ 2 3 医用领域 美国一家公司开发了智能绷带4 7 , 4 8 】，它将多种传感器植入织物中，可以探测 细菌数量、湿度和氧气浓度等数值并将结果记录在电脑中，为治疗方案的改进提 供依据。另外，一种由塑料光纤和导电纤维编织而成的“智能t 恤”也已被开发出 来，这种t 恤可以协助医务人员监测病人心跳、体温、血压、呼吸等生理指标， 它也可帮助监测人员了解和掌握运动员、宇航员、飞行员等的身体情况。同时导 天津工业大学硕士学位论文 电织物还可以制成婴儿睡衣监测婴儿呼吸，防止婴儿在睡眠时因窒息而死亡【4 9 1 。 2 3 小结 本章对国内外导电纤维及导电织物的研究状况以及应用领域进行了回顾和 分析，了解和掌握了导电纤维及其织物的性能特点、研究动向和最新进展，为进 一步研究导电针织物的性能和应用奠定了基础。 第三章导电针织物的编织性能 第三章导电针织物的编织性能 近年来，导电纤维的研究和应用已逐渐趋于成熟，导电纤维不仅可以用来消 除静电、吸收电磁波，而且还可用于电信号的探测和传输。导电纤维作为一类重 要的新型材料引起了国内外材料界的广泛关注，并在服装、传感器及产业用等方 面具有良好的应用前景。针织物良好的弹性和拉伸性能使得传感器更加适合用来 测量比较大的拉伸应力，应用范围也更加广泛。 在本章中，我们将对导电针织物的编织方法进行比较分析，并且编织符合研 究要求的不锈钢纤维导电针织物。 3 1 导电纤维的编织方法 在本研究中使用横机编织纬编针织物，跟常规纱线一样，不锈钢纤维的编织 也可有不同的方法，这里，主要采用两种方法。 3 1 1 直接编织法 直接编织法是利用不锈钢纤维直接在针织横机上进行编织。原料可以为单丝 或复丝，也可分为单根或多股。 采用单根纤维编织时，由于不锈钢纤维刚度大、强力不足，所以直接编织时 常常遇到困难，甚至编织失败。通过观察和研究，总结出以下几个方面的原因。 在断裂强度方面，不锈钢纱线编织困难的最主要原因是弯曲时其强度下降， 在相同的成圈条件下，随着弯纱深度的增加，织物上因纱线断裂出现破洞的可能 性增大，同时纤维会因本身强度大摩擦大而出现结节和扭曲点，致使不锈钢纤维 断裂，从而影响织造。 在摩擦性能方面，导电纤维的摩擦系数一般较大，旧线圈退圈困难，最终还 有可能导致织物冒出针床口，而新线圈从喂入纱线及相邻线圈转移的纱线量比较 少，所以不锈钢纤维所成的线圈比正常的要小，使编织难以进行。 在抗弯刚度方面，不锈钢纤维在弯纱阶段的弯曲变形力对编织有很大影响 【捌。纤维的高硬度使其抵抗弯曲能力变差。在编织过程中，纤维易于受到弯曲应 力，即使是微小的变形也会大幅度断裂，这样就使得不锈钢的编织更加困难【5 。 采用不锈钢纤维多股编织，这种方法可以在一定程度上改善纱线的编织性 能，但是织物克重大，耗费原料多，并且在编织过程中也容易发生纤维互相缠绕 1 l 天津工业大学硕士学位论文 结，从而形成断裂，造成编织困难。 1 2 间接编织法 在试织过程中发现，单根不锈钢纤维喂入时候，由于材料本身性能特点，极 易发生断裂使编织难以进行，因此，可以采取间接编织以改善其编织性能。 间接编织有几种形式，如与其他纱线混纺编织、可除去纤维辅助编织等。实 中发现采用与其他纤维混纺或者与其他纱线共同编织时，导电纤维被其它纤维 裹在里