導電織物的組織結構設計及性能表征

泮丹妮，馬偉偉，張鑫超，祖文菊，馬 輝，張煥俠

(1.嘉興學院材料與紡織工程學院，浙江嘉興 314000；2.嘉興市華嚴花邊織造有限公司，浙江嘉興314000)

近年來，壓阻傳感器逐漸成為紡織行業研究發展的新方向，而其核心層件——導電面料也受到很多學者的關注[1]。 導電面料不僅應該具有一般織物的性能，還因其導電性而具有其他的特殊性能，如優異的電力學性能，比電阻值在外力作用下發生變化，具有一定的力敏效應[2-4]。 雖然這些年導電面料各個方面都在發展，但目前市面上存在的導電面料品種還很單一。

根據導電織物的形成方法，導電織物大致可分為三類：編織型[5-7]、涂層型[8，9]和其他型[10，11]。 其中涂層型和其他類型在使用過程中，導電因素會因外界條件刺激使導電因子減少，從而使織物的導電性變弱，導電性的持久性降低。 因此，編織型導電面料成為了研究熱點。 于燕華等[12]采用鑲嵌法織制有機導電長絲的方式編織了抗靜電汽車內飾面料。 結果表明該產品具有良好的導電性，另外還分析了導電絲的含量、隔距、成圈方式等對織物導電性的影響。 樊爭科等[13]編織了導電絲嵌織型織物。 研究了導電纖維的種類、導電絲的基材、導電紗的成紗結構、導電紗與織物的結合方式、織物的單位面積質量及厚度等因素對織物導電性能的影響。

目前，常見的編織型導電面料大體都為金屬化導電織物[14，15]，通常是將金屬導電紗或導電纖維織入織物中，在織物的使用過程中金屬導電絲會同其他紗線一起承受外界刺激，織物的導電性始終與金屬絲的存留狀態相關，而金屬絲在織物中的空間狀態由織物組織結構決定，因此，織物組織是影響織物導電性的關鍵因素。

本文將以錦綸鍍銀導電絲和滌綸線為原料，研究不同組織結構對導電織物的電學性能、力學性能、服用性能等影響，并將錦綸鍍銀導電絲織成的織物進行摩擦、拉伸測試同時觀測其電阻變化情況。 希望通過本實驗為設計復雜結構導電面料能夠提供一定的理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

錦綸鍍銀導電絲(70D/24F，8-10Ω/cm，嘉興益泰樂電子有限公司)；滌綸紗線(21S/2，宏揚控股集團有限公司)。

1.2 實驗儀器

半自動織樣機(SGA598，江蘇通源紡機公司)；數字萬用表(UT181A，深圳華清儀器儀表有限公司)；織物折皺彈性儀(YG541B，寧波紡織儀器廠)；電子織物強力機(YG065H，萊州市電子儀器有限公司)；織物起毛起球儀(YG(B)502，溫州大榮紡織儀器有限公司)和織物密度鏡等。

1.3 實驗步驟

1.3.1 織物的織造工藝

本實驗重點探討織物組織結構與導電性能的關系，首先需要控制其他變量如紗線原料、紗線線密度、織物經緯密等參數不變，僅改變織物組織，后對其性能進行表征，得出組織設計中的最優參數。鑒于織造過程中，經紗的受損程度明顯高于緯紗，為減少導電紗鍍銀錦綸長絲的涂層完整性，本實驗采用滌綸線作為經紗，錦綸鍍銀絲作為緯紗。 在半自動織樣機上分別通過整經、穿綜、穿筘等織前準備工作，然后將紋版圖導入機器，進行織造。 參與織造的緯紗是采用同樣規格的已被氧化的錦綸鍍銀絲(呈棕色)和未被氧化的錦綸鍍銀絲(呈銀色)以2 ∶1的投梭比進行緯紗投入，這樣可以起到改善織物美觀性的作用。 所織制的試樣經密均為116根/5cm，緯密均為90 根/5cm。

1.3.2 性能測試

此實驗重點研究不同織物組織對導電面料的性能影響。 其中織物的電學性能本文采用織物表面比電阻測試表征；織物的耐用性能用摩擦測試表征；織物的電力學性能用拉伸斷裂測試結合電阻測試表征；織物的外觀平整度用抗折皺性測試表征。具體每種測試的測試方法及依據標準如下：

織物表面比電阻測試：參照AATCC 76-1995測試表征法，在各個組織的織物上畫出7cm×7cm的矩形，利用兩金屬板將織物接入電路中并連接UT181A 數字萬用表，對織物緯向的電阻進行測試(只有緯向由導電紗線)，再經過公式1 計算，得出織物的表面比電阻，此實驗數值為測試五次后的平均值。

式中：W——兩電極間織物的寬度(cm)

L——兩電極間織物的長度(cm)

I——電流表顯示的電流值(A)

摩擦測試：根據織物的實際使用情況，耐磨試驗儀可以分為平磨、曲磨、折邊磨、翻滾磨四大類，本實驗選用的是平磨，它是模擬衣服的袖部、臀部、襪底等位置的磨損狀態。 參照Y(B)502 型織物起毛起球儀說明書，將織物按要求安裝在儀器上，并檢測不同組織的織物分別摩擦100 次、200 次和300 次之后的電阻，然后對比摩擦前后織物表面比電阻值的變化。

拉伸斷裂測試：參照GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強力和斷裂伸長率的規定 條樣法》、FZ/T10013.3—1999《溫度與回潮率對棉及化纖純紡、混紡制品斷裂強力的修正方法 印染布斷裂強力的修正方法》，采用YG065H型電子織物強力機和UT181A 數字萬用表進行測試。 首先設置機器的實驗參數，然后按照圖1 的連接方式將織物安裝在電子織物強力機上，同時接入檢測表面比電阻的儀器并連接萬用表配備的電腦軟件，實時檢測織物在受到拉力伸長至斷裂過程中，其表面比電阻的變化。

圖1 拉伸測試示意圖

抗折皺性測試：參照GB/T 3819—1997《紡織品織物折痕回復性的測定 回復角法》，采用YG541B 織物折皺彈性測試儀檢測。 根據儀器對試樣的要求，將織物裁剪成實驗所需的品字形，并安裝在儀器上，按照儀器操作步驟測試并記錄織物的急彈性回復角和緩彈性回復角。 將所得結果進行計算，得出經向折痕回復角的平均值、緯向折痕回復角的平均值和總折痕回復角，其值越大，說明織物的抗折皺性越好。

2 結果與討論

2.1 織物微觀結構分析

不同織物組織的上機圖及織物實物圖見圖2。本文選用了平紋、斜紋和緞紋為研究對象，這三種組織為三原組織，其浮長為常量值，除此之外還選擇了兩種浮長為變量值的組織，透孔組織和蜂巢組織。 圖2(a)平紋織物是所有組織中最簡單的一種，它的組織為(1/1)，基礎組織循環經紗數(Rj)和基礎組織循環緯紗數(Rw)均為2，經、緯紗交錯次數(tj、tw)均為2，經、緯向的飛數(Sj、Sw)都為1。平紋織物的特點是交織點多，質地堅牢，表面平整，挺刮性好，耐磨性好，透氣性好。 在一個組織循環中，平紋組織有兩個經組織點，兩個緯組織點，由于經、緯組織點數相等，所以正反兩面無差異。 在三原組織(平紋、斜紋、緞紋)中，平紋織物的密度最小，織物最硬挺。

圖2 組織上機圖及織物形貌

圖2(b)為1/3 斜紋織物，此處簡稱斜紋織物，Rj=Rw=4，tj=tw=2，Sj=Sw=1。 斜紋和平紋的區別在于平紋是同面織物，而斜紋不是，斜紋的正反面斜紋線方向不一致，而且正面的斜線紋路比反面清晰。 在紗線線密度和織物密度都相同的條件下，斜紋織物沒有平紋堅牢，但是手感比平紋柔軟，光澤好，可密性大。

圖2(c)為緞紋織物， Rj=Rw=5，tj=tw=2， Sw=3。 緞紋組織時三原組織中最復雜的，緞紋組織的經緯紗之間有較長的連續浮長線，即存在單獨的不相連的組織點，而且組織點分布均勻。 由于緞紋組織表面的浮長線較長，織物質地平滑、柔軟，光澤感好。

圖2(d)為花式透孔組織，Rj=Rw=18，經緯紗交錯次數均為18 和12。 這種織物表面具有均勻分布的小孔，一般可用于制作夏季服裝面料，所成的織物多孔、輕薄、涼爽、易于散熱。 尤其對于化纖織物，可以彌補其透氣性差的缺點。

圖2(e)是以1/6 斜紋為基礎繪制的蜂巢組織，Rj=Rw=10，經緯紗交錯次數均包含2、4、6，并以某種規律排列。 這種織物的外觀呈邊部高中間凹的蜂巢模樣，這是因為它的一個組織循環由長浮線和短浮線組成，即蜂巢組織的組織循環內有緊組織(交織點多)和松組織(交織點少)，二者逐漸過渡相間配置。 織物表面的凹凸程度是逐漸過渡的，由此形成蜂巢形狀的外觀。 用蜂巢組織織成的織物比較松軟，且凹槽內容易儲存空氣，可增加織物的吸水性和保暖性。

2.2 織物表面比電阻分析

織物緯向的表面比電阻見圖3。 從圖中數據中可以看出，平紋織物的表面比電阻值最大，緞紋和蜂巢組織的最小。 由于本實驗所用的五種組織在其基礎組織紗線數的最小循環公倍數(90 根)的紗線交錯次數情況分別是：平紋90 次，斜紋45 次，緞紋36 次，透孔75 次，蜂巢36 次。 從本質上來說，織物組織的不同代表紗線穿行的路徑不同。 在紗線和緯密相同的前提下，交錯次數越多，即在相同的距離內紗線屈曲數越多，被織入的紗線量就越多。 根據電阻定律可知，導電紗在材料不變，橫截面積不變的情況下，紗線越長其電阻越大。 由于在同等條件下，平紋織物的交錯次數最多，因此其表面比電阻最大，緞紋和蜂巢組織織物的交錯次數最少，其表面比電阻最小。 從該結論可知，織物組織結構與導電性的關系，利用該結論可為導電面料設計師提供一定的理論依據。

圖3 不同組織的表面比電阻

2.3 織物電學耐摩擦分析

不同組織的織物分別摩擦100 次、200 次和300 次前后的緯向表面比電阻變化情況如圖4。 由上圖可知，不論是什么組織的織物，其表面比電阻都會隨著摩擦次數的增加而變大，根據電阻定律(見公式1)，當織物受到摩擦時，導電紗的長度不變，但其橫截面積越來越小，使得電阻越來越大。同時，根據測試結果還可知，浮長為變量值的組織結構的導電面料的耐磨性優于三原組織面料。 根據此結論可推知，織物的功能性有使用期限，在使用過程中，應注意對織物進行保養，和定期檢查織物的功能保持情況。

圖4 不同組織摩擦前后的表面比電阻

2.4 拉伸過程中的電學變化

織物受到拉伸力作用時的表面比電阻變化如下頁圖5 所示。 由圖可知，無論什么組織的織物，在受到拉力作用時，其表面比電阻值在織物中的紗線未拉斷前是增大的，在紗線被拉斷后檢測到的值逐漸變小，直至織物斷裂而無法檢測到電阻。 織物受到拉力作用時，導電絲的長度和細度都在變化，由于錦綸纖維斷裂強度高，伸展大，結合電阻定律可知，織物的表面比電阻在一定拉伸作用范圍內增大，超過這個范圍表面比電阻值逐漸消失。 即導電織物使用時間越久，受到拉伸的損壞程度越大，導電性就越差。 從以上兩個織物的機械性能試驗的結果可以發現，織物使用越久，其導電性能都會變差，因此，對于特殊用途的導電面料或智能服飾，應定期檢查其性能的保有狀態。

圖5 不同組織拉伸過程中的電學變化

2.5 導電面料的急緩彈性

織物的經、緯向的急彈性回復角和緩彈性回復角如圖6 所示。 從以上數據可知，隨著紗線交錯次數的增加，總體上，織物的回復角呈增大的趨勢，即組織交錯次數越多，織物的彈性回復角越大，織物的抗折皺性越好。 這是因為紗線在交錯時，相互交織的經緯向紗線都給對方一個力的作用，而且相鄰的紗線會相互擠壓，使織物保持一定的交織形態。當紗線的交錯次數越多時，這種力的作用效果越強烈，織物在受到折疊后被釋放時，這種紗線間的力的作用會使織物恢復到折疊前的狀態，而交錯次數少的紗線由于浮長線較長，沒有可借助的作用力或作用力較小，從而不能較好地恢復到未折疊前的狀態。 因此交錯次數越多的組織，其織物的抗折皺性能越好。 本實驗所用的組織抗折皺性排序為：平紋＞透孔＞斜紋＞蜂巢≈緞紋。

圖6 不同組織的急緩彈性

3 結論

(1)設計并織制紗線交錯次數呈梯度性的織物組織，從織物表面比電阻測試結果可知，紗線交錯次數越多，即等距離內紗線屈曲數越大，其表面比電阻越大。 本實驗的組織中，平紋的表面比電阻值最大，緞紋和蜂巢的最小，導電性最好。

(2)對各個組織的織物進行機械性能測試，并檢測表面比電阻的變化情況。 實驗發現，表面比電阻會隨著摩擦次數的增加而變大，隨著拉伸作用逐漸增大，織物的導電性變差。

(3)對各個織物的抗折皺性進行測試，發現織物的抗折皺性與紗線的交錯次數呈正比，紗線交錯次數越多，織物的抗折皺性會越好。

以上結果表明，織物組織結構與導電性能的關系實質就是導電紗織入的量與織物導電性能的關系，即紗線交錯次數與織物導電性能的關系，紗線交錯次數越多，織入的紗線量越大，織物的導電性能越差。 導電織物在使用過程中，其導電性能會逐漸衰減。