（服装设计与工程专业论文）导电针织物的电性能研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s m a r tt e x t i l e s ，a san o v e la n d h i t e c ht e x t i l e s ，i sw i d e l yc o n c e r n e d t e x t i l eb a s e ds e n s o ri sa ni m p o r t a n ta s p e c to ft h e r e s e a r c hi nt h ef i e l do fs m a r tt e x t i l e s ，w i t h i nt h ef i e l dt h ef a b r i c a t i o na n di n v e s t i g a t i o n o fe l e c t r i c a l l yc o n d u c t i v et e x t i l e su s e df o rf l e x i b l es e n s o r sh a v eb e e nh o ts p o t s a l t h o u g ht h eu s eo fm e t a lc o n d u c t i v em a t e r i a lo nt h er o l eo ft h es t r a i nc a u s e db y e x t e r n a le l e c t r i c a ls i g n a l si nr e s p o n s et ot h es e n s o rh a sb e e nw i d e l yu s e d ，b u tm o s to f t h e s ea p p l i c a t i o ni sl i m i t e dt os m a l ls t r a i na n ds t a t i cm e a s u r e m e n t ，a n dh o wt o m e a s u r el a r g es t r a i nu n d e rt h ed y n a m i ci ss t i l la nu n r e s o l v e dp r o b l e mo ne n g i n e e r i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho nt e x t i l e sb a s e ds e n s o r sa r em a i n l yc o n d u c t e dw i t h c o n d u c t i v ef a b r i c sm a d eb yu s i n gc o n d u c t i v ep o l y m e r so rw o v e ns t r u c t u r e ，b u tt h e s t r a i nm e a s u r e m e n ti ss t i l lap r o b l e mr e m a i n e de v e nt h o u g hi tm e e t st h er e q u i r e m e n t s o fd y n a m i cm e a s u r e m e n t i nt h i ss t u d y , c o n d u c t i v ef i b e r sa n dk n i t t e ds t r u c t u r e sa r e a d o p t e df o ra c h i e v i n gl a r g es t r a i na n dd y n a m i cm e a s u r e m e n to fe l e c t r i c a ls i g n a l s s i m u l t a n e o u s l y a n dt h er e s e a r c ho ft h ek n i a i n gp r o c e s so fc o n d u c t i v ef a b r i c s ，a sw e l l 嬲t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a b r i cr e s i s t a n c ea n dl o o ps t r u c t u r ed u r i n gt h ed r a w i n g p r o c e s sa r ea l s od i s c u s s e d e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n d u c t i v ef i b e r sh a v ei n f l u e n c e so ni t s k n i t t i n gp r o c e s sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t yo fr e s u l t a n tk n i t t e df a b r i c s i nt h i ss t u d y , t h r e e t y p e so fc o n d u c t i v ef i b e r sw e r es e l e c t e d ，t h r e ef a b r i c so fd i f f e r e n tl o o pl e n g t h sw e r e k n i t t e d ，a n df o u rs t r u c t u r e sw e r ec h o s e n t h e n , p r e - e x p e r m e n t sw e r ec o n d u c t e df o r t h ed e t e r m i n a t i o no fd r a w i n gr a n g e a f t e ra n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h elxl r i bs t r u c t u r ew h i c hh a sag o o de l a s t i c i t yw a sa d o p t e df o rt e s t i n gt h ec h a n g eo f r e s i s t a n c ea g a i n s td r a w i n gt i m eu n d e rac o n s t a n ts p e e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec h a n g eo fl o o ps t r u c t u r ea n dc o r r e s p o n d i n gf a b r i cr e s i s t a n c eo f1xlr i bf a b r i c s w e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h e o r e t i c a la n a l y s e so ft h el o o pg e o m e t r ya n df a b r i ce l e c t r i c a lp r o p e r t yw e r ea l s o i n c l u d e di n t h i ss t u d y t h el e n g t hc h a n g e sb e t w e e nl e g s ，k n i t t e dl o o p sa n ds i n k e r l o o p sd u et oc o n t a c tp o i n tt r a n s f e rw e r em e a s u r e d a2 dg e o m e t r i c a lm o d e lo flxl r i bf a b r i c sw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec o n t o u ro fi t sp r o j e c t i o no nt h el o o pp l a n ef o r i n v e s t i g a t i n gt h ec h a n g e o fl o o p g e o m e t r yu n d e rd r a w i n g b a s e d o n i t ，a c o r r e s p o n d i n gr e s i s t a n c e c i r c u i tm o d e lw a ss e tu pf o re x p l a i n i n gt h ei n f l u e n c e so f d i m e n s i o n a lc h a n g eo nr e s i s t a n c eo f1xlr i bf a b r i c s a p a r tf r o mt h e s e ，s e v e r a l v e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg e o m e t r i c a l m o d e la n dr e s i s t a n c e - c i r c u i tm o d e lo f1 1r i bf a b r i c sw e r ef i t t e dv e r yw e l l k e yw o r d s ：k n i t t i n g ，s m a r tt e x t i l e s ，1 1r i bs t i t c h ，s e n s o r , s t r a i n ，r e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：狼讹签字日期：必娓产，扩新尹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些：盔堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 压毛 签字日飙溯年i 夕馏日揪矿谘 导师签名： 厂弩( 签字日期0 9 9 扩年，盆月彩日 学位论文的主要创新点 一、系统分析了三类导电纤维纱的可编织性能，并在此基础上用 导电纤维( 纱线) 编织了纬编平针、1 + 1 罗纹、2 + 2 罗纹、满针罗纹 针织物。 二、以1 + 1 罗纹线圈循环为单元，建立起1 + 1 罗纹导电针织物在 织物平面投影的数学表达式和线圈单元在单向拉伸下的线圈几何变 化规律。 三、建立1 + 1 罗纹导电针织物的电阻电路模型，在此基础上系统 地研究了导电纤维( 纱线) 、编织参数等对导电针织物电阻值的影响， 得出了在单向拉伸下导电织物电阻值与拉伸过程的关系。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能纤维的研究和开发现状 近年来，随着科学技术的发展，特别是航空、航天技术的飞速发展，对材料 的要求越来越高，传统材料一旦制成成品，就不可能在使用过程中对其性能实施 动态监控，并且材料只能被动地受环境的影响，不能针对环境的变化做出适当的 反应。人们希望它们能够根据所处环境的变化，使自身功能处于最佳状态。2 0 世纪8 0 年代，美国和同本的一些学者相继提出了“智能材料”的概念【i 】。 智能材料可以定义为“能够在最佳条件响应外界环境的变化，且按照这种变 化显示自己功能的材料”业1 ，它可以感知到外界环境的变化，并针对这种变化做 出瞬时主动响应，具有自诊断、自适应、自修复、以及靠自身驱动完成特定功能 的能力，表现出动态的自适应性。根据反应的方式，我们可以将它划分为以下三 类3 1 。 ( 1 ) 消极智能材料，仅具有对外界环境和刺激感知的能力。 ( 2 ) 积极智能材料，具有对外界环境和刺激感知且反应的能力。 ( 3 ) 高级智能材料，不仅具有对外界环境和刺激感知和反应的能力，还表现 出动态的自适应性。 。 智能材料是一种能够对所给的特别的激励进行判别并按预定方式做出反应 的材料，具有感知功能、信息处理功能和执行功能，并且可以自动调节、自诊断、 自修复、损伤抑制、寿命预报，表现出动态的自适应性。智能材料的形状有多种， 如三维的块状，二维的薄膜状，一维的纤维状和准零维的纳米粉体状。其中，纤 维状智能材料即智能纤维具有长径比大，能加工成多种新产品等特点，在智能材 料中占有十分重要的地位。智能纤维因其广泛的用途，受到广大研究者，尤其是 工业发达国家的广泛关注，一些专家还将智能纺织品和智能服装看作纺织服装工 业的未来h 。5 1 。 目前，光导纤维、导电纤维、变色纤维、形状记忆纤维、调温纤维和选择性 抗菌纤维等已经实现了规模化生产。 1 2 导电纤维及其智能纺织品 导电纤维作为一类重要的智能纤维，其研究和开发方兴未艾。近年来，导电 天津l ：业人学硕十学f 矽论文 纤维的研究和应用已逐渐趋于成熟阶段。导电纤维到目f i 仃尚未形成公认的定义。 通常把电阻率小于l o 7 q c m 的纤维定义为导电纤维。导电纤维不仅可以用来消除 静电、吸收电磁波，而且电信号的探测和传输是测量技术中很重要的一个方面。 因此，导电纤维作为智能纤维在传感器、服装、医用及其它各领域表现了良好的 应用自订景。现今，许多导电纤维都已用于制造智能纺织品。 1 2 1 导电纤维的开发现状 导电纤维自问世以来，已有四十多年的历史。随着导电材料的丌发，高分子 合成技术的进步，纺织技术的发展，不仅导电纤维的品种不断增多，而且性能也 不断提高，其发展历程大致可分为以下四个阶段。 1 2 1 1 金属导电纤维 最早问世的导电纤维是美国b r u n s w i c k 公司所生产的不锈钢纤维b r u n s m e t ， 它是通过不锈钢丝反复穿过模具精细拉伸制成的纤维哺1 。金属纤维的制造方法主 要有三种：熔抽法、拉拔法、铣削法。金属纤维主要应用在纺织制品、过虑材料、 纤维增强复合材料、防伪材料、吸音材料、电池电极材料、导电塑料等方面h 1 。 金属纤维具有优良的导电性( 导电率为l o - 4 1 0 。5 q e m ) ，耐热、耐化学腐蚀， 但弹性差、伸长率小、粗硬挺直、表面粗造，造成抱合力小，耐磨性、耐曲折性 和可纺性能较差，成品色泽受限制，制成高细度纤维时价格昂贵。与其它服用纤 维混合性差，在一定程度上限制了它在纺织服装领域的加工方法和用途。 1 2 1 2 碳纤维、含有碳黑聚合物的复合型导电纤维 碳纤维的导电性能良好，耐热、耐化学腐蚀，密度小、强度高、热导性好， 但缺乏韧性，不耐弯折，无热收缩能力，不适于纺织品使用呻1 。 高导电炭黑的问世，复合纺丝技术的进步给导电纤维的开发带来了生机。人 们把含导电碳黑的母粒作为芯组分，常规聚合物为皮层组分，通过复合纺丝法制 得皮芯复合型导电纤维，这种导电纤维的质量和性能较好，使用范围广。 国外的杜邦公司、东丽公司、龙尼吉可公司、国内的中国纺织科学研究院都 通过这种方法研制出了导电纤维徊1 。这种导电纤维可用于尼龙b c f 地毯、防静电 防爆服、防静电无尘无菌服以及装饰用品。但由于碳素材料均为黑色，制得的导 电纤维为灰黑色，因而在使用上受到了一定的限制。 1 2 1 3 有机合成金属金属盐的导电纤维 有机合成金属金属盐的导电纤维是利用一些具有良好导电性的金属及其化 合物来生产导电纤维。这些金属化合物有银、铜、镍等的硫化物和碘化物。 第一章绪论 1 9 8 7 年，h 本帝人公司提出将聚丙烯腈纤维活化，用普通的化学方法镀上 c u 并用1 2 在真空下处理，得到导电纤维。该类导电纤维是通过把金属及其氧化 物包覆到纤维表面，然后固化成导电纤维，这类纤维导电性良好( 1 0 1 q c m 1 0 2 q c m ) ，但耐磨性、耐化学溶剂性差，如用于净化室内则有导电微粒脱落而造 成污染的问题。 人们早己发现，一价铜离子易与聚丙烯腈基络合形成配位数为4 的络离子， 且极为稳定。用此原理开发的聚丙烯腈硫化亚铜复合的有机导电纤维导电性 好，而且保持原腈纶的性质，z 日。匕l - , 一i t b k 好地和其他纤维混合制成各种抗静电织物”o i 。 由于会属银比铜具有更加优良的导电性，结合普通纤维基体的镀银纤维为有机合 成金属纤维丌辟了新的领地。目前世界上最大的镀银纤维品牌是美国n o b l e f 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) 于上世纪9 0 年代开发出的镀银纤维x s t a t i c ， 即在聚酰氨纤维表面镀一层纯银。 银纤维根据制备方法的不同，主要可分为两大类：一是镀银纤维，即在纤维 表面镀一层纯银；二是纳米银纤维，即在纤维成形过程中添加超细银粒子而实现。 镀银纤维是目前使用较多的银纤维，它不仅具有纳米银纤维的抗菌除臭功能，还 具有良好的抗静电、防电磁波辐射等功能。 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。银是一种自然界形成的天然元素，现代医学界认为银具有非常有 效的广谱抗菌性，目前尚未发现人体对纯银产生过敏的任何报告，完全无一般化 学性产品之毒副作用。此外，金属银是所有金属中导电、导热性能最强的，是最 有效的储存及反射材质。因此，镀银纤维也具有良好的抗菌除臭、导电、热传导、 热反射、抗静电、防辐射、磁疗等功能。 1 。2 1 4 有机高聚物复合类导电纤维 1 9 7 8 年，h e e g e r ，m a c d i a r m i d 等人发现，五氛化砷或碘掺杂的聚乙炔膜具 有金属导电性，这一发现打破了聚合物为绝缘体的传统观念3 。 目前，已发现的导电高聚物有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，皆属7 r 共扼高分子，导电率较低，但对之进行化学掺杂或电化学掺杂，可使之迅速并可 逆地变成导电状态n 别。 导电高聚物之所以引起极大关注，是由于它不仅具有特别的电学性能和光 学性能，而且还兼备高聚物的加工性和柔韧性、无机材料的半导体性和金属的导 电性。其导电能力已达到室温下金属铜的水平( 1 0 4 q e m ) ，但导电聚合物目前尚 难应用于纺织品。 其原因在于：主链中的共轭结构使分子链僵直，不溶不熔，难以纺丝加工； 某些导电聚合物中的氧原子对水极不稳定；某些导电聚合物的单体有毒且怀疑是 大泮i ：业人学硕+ 。学何论文 致癌物质，某些掺杂剂多有毒性：复杂的合成工艺使其制造成本昂贵。 1 2 2 导电织物国内外研究和开发现状 智能纺织品是能感知外界刺激并能够做出反应的一种新型材料。2 0 世纪7 0 年代以后，导电聚合物技术的进步促进了智能纺织品的快速发展。导电织物传感 器在柔性材料方面的应用非常具有优势，它既具有导电性能又保留了纺织品的机 械性能。 导电织物是指具备一定传导电荷能力的织物。一般织物是由纤维或纱线通过 、 机织、编织或非织生产而成，是良好的绝缘体材料。但是这种性能在某些方面或 某些领域限制了织物的应用，并给生活和使用带来诸多不便，一个很明显的例子 就是静电的产生。消除静电的一个有效途径就是赋予织物导电性能。 在众多生产导电织物的方法之中，“现场”吸附氧化聚合法是制备导电织物 的一种新方法，它不仅能保证织物具有导电性能还能保持织物的原有性能，这就 为用这种功能织物做成服装并应用于大众消费提供了可能。随着导电织物的开发 和应用不断拓展，特别是一种“聪明纺织品”( s m a r tt e x t i l e s ) 的出现，将能让 织物这种几千年前就出现的古老商品，应用到高科技领域。 1 2 2 1 国外研究现状 导电织物最早出现于二战时期，以平面织物的形式( 如伪装网) 覆盖于装备、 飞机或坦克上干扰对方雷达图像，可以起到欺敌、隐蔽的目的。冷战时期，里根 总统的“星球大战 计划成就了一场苏美两大阵营的军备竞赛潮。美国宇航员阿 姆斯特朗和艾尔德林乘坐“阿波罗l1 号 于1 9 6 9 年第一次登上月球，他们所穿 的宇航服中含有大量的具有导电性能的织物，能够防止太空中紫外线、电磁辐射 对身体的危害。1 9 9 6 年由美国国防部资助的g t w m ( 智能衬衫) 计划在导电织 物上连接上智能传感器，用于实战士兵的各项身体性能的监测，使得织物第一次 与计算机结合起来，智能纺织品的概念应运而生n3 。这一技术的突破使得现在的 导电织物在医学领域将有很好的应用。2 0 0 4 年a x d g a r d 和j e n s 利用一块j 下反两 面都可以导电的织物，将其j 下面与一块非传导性织物缝合在一起，在其反面连接 一个外部电子装置，用一根导线连接导电织物层与非导电织物层，并固定于具有 导电作用的织物底层，传导来自病人表皮的电信号，这一技术申请了专利n 引。 早期的导电织物是在普通织物上加入少量的导电纤维来实现其导电性能。大 部分所加的导电纤维是在纺丝之前加入导电碳黑、金属粉末、金属鳞片或包裹有 各种树脂的金属化颗粒或纤维，也有直接在织物上混入不锈钢金属丝来获取导电 性的。据权威报道，为了得到理想的导电值，纤维中必须含有足量的导电颗粒， 第一章绪论 以使导电颗粒之问能够相互接触，达到或超过一定的漏流阀值( 一般在质量分数 2 5 以上) ，但是这样可能会影响甚至改变导电纤维或导电织物的物理机械性能。 7 0 年代出现用化学法让织物浸渍于含铜离子的硫化物、碘化物中，通过氧化剂 掺杂，在织物表面沉积制备导电织物。后来也有用电化学法制备导电织物，但要 求织物本身具备一定的导电性，作为阳极使导电物质沉积于其表面，所以对那些 不具备导电能力的织物不能应用此法，限制了其应用。 由于导电聚合物材料本身既具有一般会属材料的导电性能、磁性能以及光学 性能，又具有传统聚合物材料的易加工性能和理想的力学性能，因此自从1 9 7 7 年a g m a c d i a r m i d 及其合作者第一次发现了五氟化砷( a s f ；) 掺杂的聚乙炔具 有会属导电性后，导电高聚物就一直成为众多化学家和材料学家研究的对象。其 后发现许多的聚合物都具有类似的导电现象，其中以聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、 聚苯以及聚苯乙炔这些导电性能的研究最为频繁n5 1 。意大利p i s a 大学在由莱卡 纤维制成的织物表面涂上一层聚毗咯，织物在伸缩过程中导电性能产生变化，可 以探测出手指的运动情况引。 1 2 2 2 国内研究现状 国内在导电织物方面的研究落后于欧美，早期主要是研制具有抗静电性能的 产品。目前，国内对导电织物大多通过以下三种方法获得。 ( 1 ) 将织物浸渍在抗静电剂中。由于抗静电剂导电性能差，对环境要求高( 如 需要一定的湿度) ，以及受洗涤等原因，使用的有效期较短，因此虽然这种方法 代价小且易加工处理，仍然很少被采纳。 ( 2 ) 在织物中嵌织导电纤维。在织物的组织中嵌织导电纤维来得到稳定的、 导电性能较好的织物是一个有效且较为常用的方法。导电纤维( 主要是碳纤维， 石墨纤维及金属纤维) 与普通纤维按照不同的比例混编或混纺在一起，可得到导 电性能各异的织物。但是，掺和碳纤维或石墨纤维所得到的导电织物的导电性能 较差，且纺织加工性能不好，服用性能差。 ( 3 ) 直接将导电物质在织物上进行涂层或镀层加工处理。这种方法显得很有 吸引力。首先，镀层或涂层作为一道单独的工序与其它加工处理分开；其次，由 于镀层或涂层仅限于织物表面，因此对织物手感，柔软性影响较小。但是，它也 有很大的缺陷，它并不是织物全部导电，只是表面镀层可导，并且织物颜色也为 镀层所覆盖，更重要的是当织物相对移动时，表面镀层很容易裂开，致使导电性 能显著下降；另外，涂层织物的透气性能很差。根据要求不同，可分别使用涂层、 真空镀、电镀、化学镀的某一种方法。当要求镀膜薄，且只有几个埃时，通常使 用真空镀镍或铜，但镀层和织物底层亲和力差，所以必须控制镀层的厚度，因此 也就无法达到较高导电性能的目的。化学镀则比较灵活，相对其他方法而言，它 大泮i ：业人学硕十学何论文 基本上不改变织物的其它性能，却能得到较高的导电性能。 1 3 用于智能材料应变传感器的研究现状 导电纤维的发展，尤其是有机导电纤维中导电聚合物的发展为其在传感器技 术上的应用奠定了基础。 智能结构材料的首要功能就是感知，它是利用埋入材料中的传感元件来感受 各种信息，经过处理分析，然后指示或控制驱动件工作“。智能纤维因尺寸小而 特别适合作传感元件，在生理舒适性动态评估、运动体能测量、运动防护( 护具) 、 医疗保健( 老人、婴儿心跳脉搏等) 以及航空航天川、建筑州等领域具有十分重 要的作用。具体地从技术角度来讲，目前智能结构材料的“感知”功能在应变、 温度方面的应用最为广泛。而导电纤维的发展无疑对智能纤维材料的“感知”功 能在应变、温度方面的应用奠定了基础。 纺织结构复合材料是以纺织预制件为增强材料的先进复合材料，己广泛应用 于航空、航天、舰船、原子能、交通、机械、建筑等工业领域。然而复合材料结 构在成形和使用过程中常常会在温度变化下受到大应变的作用，这就要求使用损 伤检测传感技术来阻止一些重大损伤，因而需要一种传感器，对大应变进行测量， 从而对材料的选择及设计有一个指导作用。 目前应用于应变传感器的智能结构材料主要有导电纤维、形状记忆合金、光 导纤维、压电材料、导电聚吡咯膜等。如r y u t a r oo i s h i 等人将形状记忆合金埋入 复合材料中，构成一个智能结构复合材料啪1 。他们通过测量形状记忆合金相变时 发出的声信号来判断出应变的大小以及位置，取得了较好的效果，可以作为对复 合材料进行“健康”检测的应变传感器。d d l c h u n g 在混凝土结构承受变动载 荷的容易损伤以及发生大应变的地方埋入特制的压电材料，通过电阻值的变化来 预报构件的剩余疲劳寿命，也取得了理想的效果乜u 。此外，b a r k e r 等人将碳纳米 管作为玻璃纤维丙纶的界面应变传感器也取得了与传统的微机械测试一致 的效果，但该传感器只能在小应变下使用( 0 5 2 ) ，限制了它使用范围啪1 。 导电聚合物还可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 种类和浓度的检测。例如：英国d u r h a m 大学研制的导电聚苯胺纤维具有半导体 的特性，电导率高达1 9 0 0 s c m ，可作为传感器使用。意大利p i s a 大学d e r o s s i 等将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成智能手套：手指在弯曲或伸展时，莱卡纤维 产生应变，导致聚吡咯的导电性能产生变化。通过记录和分析电信号的变化可探 测手指运动的情况。美国麻省理工学院通过将导电纤维和绝缘纤维纱线交替编 织，制成了可测压力织物，该织物共三层，上下两层是电阻率1 0 f 2 c m 的金银线 第一章绪论 与普通纱线的交织彩 物，中间是结构较为稀疏的尼龙网，以隔离上下层纵物。当 对织物施加压力时，上下两层织物透过尼龙网空隙而接触，引起电信号的变化， 该织物可制成发光服装，原理是行走时织物| 、只j 挤压和摩擦使两层织物中的导电纤 维之间随机导通，并有微弱电流通过，这样连接在两层织物上的发光二极管就会 发光。 近几年，随着导电高聚物材料的发展，出现了许多导电高聚物材料应用于应 变传感的报道。浙江大学的y l i 乜3 1 ，香港理工大学的x u e p 钉等将导电聚毗咯膜 ( p p y ) 覆盖于织物之上，做成了一个柔性的应变传感器。关于p p y 的应用国 外也有相关报道，包括j a e w o o kr y u 心鲫以及k e i i c h ik a n e t o 1 等人也有在这方面的 研究。通过他们的试验表明由p p y 做成的应变传感器具有高应变以及较高的稳 定性，能够作为对织物、穿着式电脑的传感之用，但是这种应变传感器不能够在 高温情况下应用和长久使用，也影响了它的使用范围。 1 4 柔性导电织物结构电性能的研究现状 近年来，具有织物结构的柔性传感器逐渐引起了国内外研究人员的关注。与 传统的传感器相比，这类新型的传感器具有可弯曲、可折叠甚至可洗涤的特点， 因此非常适用于穿戴式个人生理信息监测系统。 织物结构的柔性传感器是指传感器的敏感元件为一块具有针织结构或机织 结构的织物。一般，如果织物的形状、长度、温度或压力等物理量的变化能够引 起织物的电阻、电感或电容等电学量产生相应的变化，那么就可以把这样的织物 设计成为对应物理量的传感器。特别，如果织物在某一方向上发生应变( 伸长率) 时能够引起织物的电阻产生相应的变化，那么就可以把这样的织物设计成为电阻 式应变传感器。 1 4 1 机织结构 机织结构本身较小应变范围的局限性，限制了它在应变传感领域的应用范 围。因此到目前为止，关于机织结构的柔性应变传感器方面的研究较少。从国内 外的文献报导来看，国外学者们从上个世纪8 0 年代就已经开始了这方面的探索， 我国从近年来开始对这方面的研究也逐渐增多。g r e g o r y ( 1 9 8 9 ) ，k u h n ( 1 9 9 1 ) 和k y u n g ( 2 0 0 3 ) 对导电织物的电阻和负载伸长率的关系先后进行了深入的研究， 这些都基本限于导电机织物的电阻和负载伸长率的关系的相关研究。l e u n g ( 2 0 0 4 ) 提出了由导电纱线织造的平纹机织物的电动机械装置性能的一个理论模 型。李龙飞等( 2 0 0 8 ) 提出一种基于机织结构的柔性应变传感器口7 1 ，建立了机织 大淖l ：业人学硕十学位沦文 物的等效电路型，在导电弹性纤维材料的电阻应变效应基础上推导了机织物的电 阻应变关系，设计了机织物的平纹组织结构及信写转换电路，分析了柔性应变传 感器的输入输出特性与灵敏度，只能选用电阻率较低的导电弹性纤维材料，且仅 适用于较小尺寸物体的较小应变检测。 1 4 2 针织结构 针织机构具有独特的高弹性和良好的变形性，提供了较大应变范围内传感测 试性能。当针织物在其线圈纵行方向上发生应变时，组成针织物的导电纱线之问 因相互滑移而使线圈参数发生变化啦引，或者导电纱线之l 日j 的接触电阻发生变化 睁3 8 1 ，从而引起针织物电阻产生相应的变化。 目前国内外对针织结构不锈钢纤维织物的电阻与应变关系的研究比较多，同 时浙江理工大学、东华大学、香港理工大学等科研院校对不锈钢金属导电纤维织 物的电阻与应变关系的研究也不断深入。国外学者们从上个世纪8 0 年代才真讵 开始这方面的探索，我国从近年来开始对这方面的研究也逐渐增多。f a r r i n g d o n 等首先提出了针织结构的应变传感器的概念，并将其用于个人活动状态的检测 啪1 。w i j e s i r i w a r d a n a 等设计了一种由导电聚合物纤维针织的位移传感器，研究了 织物的等效电路模型和传输特性心8 。z i e b a 等设计了一种由硫化铜填充的聚丙烯 腈纤维针织的应变传感器，并将其用于个人呼吸频率和节奏的检测h0 。d e r o s s i 等以不锈钢导电纤维研制的导电针织物以针织编织线圈单元结构为基础的传感 器用来测量其拉伸应变和温度。杨斌等设计了一种由不锈钢丝针织的应变传感 器，并认为织物电阻取决于不锈钢丝之间接触电阻的大小陟3 。z h a n g 啪1 依据针 织物良好的变形性使那些要求测试较大的拉伸应变的传感器成为可行，设计了由 不锈钢复丝纱编织的针织物模拟其导电机理建造模型来研究其电动机械性能，亦 得出了与文献籼刀相似的结论。最近几年，浙江理了大学针对高温下大应变传感 的要求，利用不锈钢导电针织物作为温度传感器，获得电阻与温度之间的关系， 研制出了一种柔性织物键盘；江南大学采用炭黑型导电包芯纱、并捻纱研究了影 响针织物抗静电性能的因素。 针织结构的电阻式应变传感器的缺陷主要表现在准确性低、精度低、重复性 差等方面，这主要是由导电纤维材料与织物结构的机械滞后与电气滞后以及纤维 或纱线之间的不规则滑移等因素引起的h h 甜。 1 5 本课题研究意义 利用金属材料在外界应变作用下电信号的响应作为传感器己得到广泛应用， 第一章绪论 但常常局限于小的应变和静念的测量。而如何进行动态的大应变测量在工程上也 常会碰到，尤其在各种环境下进行大应变测量更是目前国际上难以解决的问题。 目前进行的研究都基本限于导电机织物、聚合物的电阻和负载仲长率的关系等相 关研究。 另外从工程应变测量技术角度来看，应变测量应用的设计与丌发一直是一个 热门课题。电阻应变测量方法是获取应变试验数据的一种基本传统手段，电阻应 变式传感器是应用最广泛的传感器之一。将电阻应片粘贴在各种弹性敏感元件 上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。 纺织结构在电阻应变式传感器方面的应用大多是机织物和无纺织织物，针织物尤 其是纬编针织物的应用方面鲜有报道。 由于针织物结构形态比机织物复杂，针织物的延伸性、弹性、柔软性及成型 编织性，以及由于针织物是由线圈串套而成，在受外力作用时，线圈中的圈柱和 圈弧发生转移的不规则性使得在建立负荷和电阻变化模型的定性分析上存在不 确定因素增多，使得压电传感器在针织物的应用上不如机织物广泛，但针织物的 线圈具有的较大变形量使得它的应用范围大大扩展。 智能材料能够感知的外界“刺激”主要有：机械、光、化学、电、磁等信号 的激励，能够对包括“应力、应变、损伤、温度、压力等参数”进行检测。参阅 大量的文献之后，发现目f j i 在结合针织编织工艺与有机导电纤维结合起来的导电 针织物所具有的进行大应变的电阻和压力变形之间的关系的研究鲜有报道。而这 种导电针织物所具有的压电传感感测性能，既结合了针织物弹性好、延伸性大、 生产效率高等一系列区别于机织物的优良特性，又使导电针织物具有有机导电纤 维较好的导电性能。于是本课题提出一种利用导电纤维本身所具有的低导电率和 导电性能持久的特点，通过针织编织工艺中线圈的良好变形性来达到大应变的要 求，制作在现有条件下可以实现，且成本可以接受的导电针织物，这种思路对传 感器的研制及设计具有一定的指导意义并有助于推动智能复合材料的发展，因此 本课题的研究有着重要的理论意义和良好的应用前景。 1 6 本课题研究目的 目前国内外报道的均是导电纤维( 纱线) 的机织物、聚合物电阻值随应变 温度的变化而变化，但这些织物结构的纱线断裂应变小，且电阻响应灵敏度低， 不能满足测量要求。由于针织物具有良好的变形性，尺寸小，柔性好，便于包埋 在复合材料中形成智能结构复合材料。 本研究利用三种不同类别的导电纤维，结合针织编织中弹性和延展性优良的 大j 节l ：业人学硕+ 。学位论文 纬编1 + 1 罗纹组织，以1 + 1 罗纹线圈循环为单元，通过研究线圈单元在睢向拉伸 下的线圈几何变化规律。以此为基础建立对应的1 + 1 罗纹导电针织物电阻电路模 型并通过实验验证，对其1 + 1 罗纹导电针织物在拉伸状念下的应变与电阻关系进 行了研究。通过实验和理论分析，为不同种类导电纤维的针织结构作为应变传感 器提供理论指导。 1 7 本课题研究的总体思路及内容 本课题研究的总体思路及内容如下： 1 查阅导电纤维、导电织物和相关领域的文献资料，比较、分析和选择适 合本课题研究的不锈钢、含碳和镀银导电纤维。 2 通过对编织设备的改造，对选择的导电纤维进行试编织纬平针、1 + 1 罗 纹、满针罗纹、2 + 2 罗纹组织织物，分析和比较导电纤维的性能对纱线 的可编织性和相关性能的影响。并为合理的针织物组织设计以及设计合 理的工艺参数提供依据；为导电纤维的编织工艺参数的优化提供参考。 3 对不同编织原料和不同编织参数的导电针织物进行拉伸测试，对拉伸过 程中的导电针织物的线圈几何结构尺寸的变化规律进行扫描、分析、计 算和讨论。同时对单向拉伸过程中导电针织物的电阻变化进行测试。 4 以1 + 1 罗纹线圈循环为单元，建立起1 + 1 罗纹导电针织物在织物平面投 影的数学表达式，并研究了线圈单元在单向拉伸下的线圈几何变化规律。 建立相应的1 + 1 罗纹组织导电针织物电学模型中的电阻电路模型。 5 对试验中导电针织物的线圈几何结构变化和相对应的织物电阻值的测试 结果画出测试图，通过与上述建立的1 + 1 罗纹导电针织物在织物平面投 影的数学表达式和电学模型的理论图进行分析比较验证；同时分析模型 的适用度以及影响模型准确的相关影响因素。 第二章导电针织物编织性能和编织 j 艺 第二章导电纤维编织性能和编织工艺 针织结构智能复合材料是以编织预制件为增强材料的先进复合材料，由于质 轻、高强、韧性大、针织结构设计灵活性，高弹性、抗冲击和易于成型等优良性 能，成为功能与智能纺织品理想的信息传感及传输的载体，广泛应用于航空航天、 交通、原子能、机械、建筑等工业领域。然而要使导电针织物在功能与智能纺织 品领域中得到进一步的广泛应用，必须解决高模量和高性能的导电纤维纱线的针 织可编织性问题h 引。国内外已有一些学者对高模量和高性能纤维的可编织性开展 了一些研究，但大多是围绕对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和高强度聚乙烯纤维 等的研究，针对导电纤维可编织性能进行研究还处于起步阶段，相关文献几乎处 于空白，因此有必要进行相应的探讨。 结合本课题研究的导电针织物，以实验操作事实研究为主，研究影响导电纤 维可编织性能的因素及其影响趋势，通过对不同种类的导电纤维及纱线的可编织 性的评价及弹性机理的分析达到对实现编织工艺的优化，在导电纤维纬编工艺方 面做出新的尝试。同时也是为下一步的导电针织物的拉伸性能和电性能的测试准 备试样。 2 1 导电纤维的选取 本研究通过前期的对导电纤维的相关性能和参数的调研，和相关文献资料的 查阅，结合本课题研究的导电针织物的电性能的研究，得出本实验编织使用的导 电纤维纱，需要具备以下特征。 ( 1 ) 具有低电导率、优良的导电性能，导电性能应在适宜的范围内，比电阻 一般为1 0 2 1 0 5 q c m ；并且耐久性良好。 ( 2 ) 适当的细度、长度、强度和柔曲性，不影响织物的手感和外观。 ( 3 ) 能与其它普通纤维良好抱合，易于编织、混纺或交织，且不损伤织物的 外观和风格。 ( 4 ) 具有良好的耐摩擦、耐屈曲、耐氧化及耐腐蚀能力；能耐受编织加工和 使用过程中的物理机械作用。 ( 5 ) 导电长丝和导电短纤维的单丝纤度、强伸度、卷缩形态、摩擦特性等规 格特性应与混用的纺织纤维相接近。 天津t 业人学硕士学位论文 2 2 实验方法 2 2 1 原料及测试仪器 综合本课题研究实际情况和现有导电纤维的研发现状，选取了三种典型的金 属导电纤维、含有碳黑聚合物的复合型导电纤维和有机导电纤维中优良导电性能 和可编织性能的不锈钢纤维纱、碳纤维纱和镀银纤维纱。在本课题研究中，采用 的是两种不同粗细的不锈钢纤维长丝单丝、两种不同表面碳复合型碳纤维长丝复 丝，孔数分别为4 f 和1 2 f ，镀银纤维长丝复丝( 1 2 f ) ；以下分别称为：不锈钢 纤维纱a 、不锈钢纤维纱b 、碳纤维纱a 、碳纤维纱b 和镀银纤维纱。其中，不 锈钢纤维主要组成元素依次为：f e 、c r 和n i 。不锈钢纱单丝平直整齐，表面有 一些沟槽；两种碳纤维基体均为涤纶长丝；镀银纤维以锦纶为基体。 纤维参数测试仪器主要有：罗德纤维摩擦系数仪( y 1 5 1 型) ；显微镜( m o d e l n o w v - c p 4 6 0 c h 型) ；电子单纱强力仪( y g 0 6 l f 型) 。导电纤维长丝及纱线的 具体参数如表2 一l 所示。 表2 - 1 导电纤维纱线参数表 参数复丝直径( 单 动摩擦 断裂强度断裂伸长 导电性 原料根数 丝) m l t l 系数( c n t e x ) 率 q 锄 不锈钢纤维a10 0 3 41 1 6 87 7 8 02 2l o - 41 0 5 不锈钢纤维b lo 0 7 l1 0 8 88 0 o l2 41 0 4 1 0 - + 碳纤维a 40 0 2 21 5 7 92 3 0 0 4 o 击o1 0 3 1 0 - 4 碳纤维b 1 20 0 2 21 5 2 92 5 0 04 0 石o1 0 5 1 0 6 镀银纤维1 20 0 31 7 5 94 4 9 02 61 0 l _ 1 0 2 2 2 2 编织工艺 2 2 2 1 机型 根据试编织对机号选择的比较分析， 选用国产f t - 1 6 8 型机号为5 g 、7 g 、9 g ， 2 2 2 2 织物组织 同时考虑到纱线的细度与机号相适应， 工作宽度为1 0 6 7m ( 4 2 ) 手摇横机。 织物组织选取有代表性的单面纬平针和1 + 1 ，2 + 2 和满针罗纹组织。其中： 平针是针织织物中最基础也是最简单的织物，适合做比较参照用；1 + 1 和2 + 2 罗 第二章导电针织物编织- r e 能乖编织i ：艺 纹具有优良的弹性；满针罗纹织物密实，拉伸后的可恢复性能优良。 2 2 2 3 弯纱深度的选取 本实验研究不同的弯纱深度下，对不同规格的纱线和不同组织结构中可编织 性能的影响，所以需得到一个较为合适的织物线圈长度。基于这些，采用先调节 成圈三角以达到所能编织的最小弯纱深度，以此弯纱深度进行编织，再不断连续 增加弯纱深度，直到最大极限值，编织出具有不同弯纱深度( 即线圈长度) 的织 物。实验中弯纱深度的选取，要尽量保证上述四种组织的可编织的同时也要保证 具有一定的i 日j 隔区分性。经过多次的试编织比较后