集成柔性传感器无缝内衣原料与尺寸设计

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　　摘要：研究集成柔性傳感器无缝内衣的原料选择与最优尺寸设计，采用单因子控制变量以及正交试验法，选用不同地纱、面纱设计不同尺寸柔性传感器并测试其电阻大小。结果表明：以44 dtex裸氨为地纱，83 dtex涤纶色纱为扎口线，78 dtex锦纶色纱为面纱，78 dtex镀银导电纱线为添纱原料，设计柔性传感器尺寸为30个横列、40个纵行，使用适宜的编织参数，形成的无缝内衣具有优良的导电性和服用性能。
　　关键词：镀银导电纱线;无缝内衣;柔性传感器;编织工艺
　　中图分类号：TS155.6文献标志码：A文章编号：1009-265X（2020）01-0042-05Material and Size Design of Seamless Underwear Integrated with Flexible Sensor
　　DAI Yifan1， CHEN Weilai1， WANG Jinfeng1， WANG Jianqiang2， ZHONG Binyue1
　　Abstract：In this study， material selection and optimal size design of seamless underwear integrated with flexible sensor are studied. Flexible sensors of different sizes were designed with different ground yarn and surface yarn by employing the single factor control variable method and orthogonal test， and their resistances were measured. Results show that the conditions for forming seamless underwear with optimal electrical conductivity and wearability are 44 dtex naked ammonia as ground yarn， 83 dtex polyester yarn as tying thread， 78 dtex polymide dyed yarn as surface yarn， 78 dtex silverplated conductive yarn as embossed raw material， flexible sensor of a size of 30 columns and 40 rows， and optimal weaving parameters.
　　Key words：silverplated conductive yarn; seamless underwear; flexible sensor; knitting technology
　　由于针织物具有柔软、易变形、舒适等特性，导电针织物逐渐代替硬件传感器应用于可穿戴服装中，针织成型织物具有设计便捷，与人体接触紧密，舒适性优良的优点，为柔性传感器的优良载体[13]。织物柔性传感器不仅是简单的导电织物，更是可用于监测呼吸的智能传感器[4]。王金凤[5]在导电针织结构柔性传感器上建立了六角电阻模型，从理论上探讨了其电力学性能;张亮[6]对导电纤维针织物的横机编织工艺进行了探讨，结果表明积极式喂纱、弯纱深度尽可能小、适当大的牵拉张力有利于导电纤维的编织;刘松等[7]对导电纤维编织过程进行研究，结果表明炭黑纤维最易于编织，弯纱深度影响其编织效果;陈斌等[8]对不同类型导电纱线采用不同组织编织，并研究其导电性能和力学性能，结果表明镀银导电纱线形成的织物性能最优，其中单面集圈组织导电性能更优。
　　本文对常见的几种导电纱线进行研究，选用合适的导电纱与常规的地纱、面纱编织形成集成柔性传感器无缝内衣，分析不同地纱、面纱对嵌织柔性传感器的电阻及服用效果的影响;设计不同尺寸的柔性传感器进行编织，对编织形成的嵌织柔性传感器进行电阻和稳定性测试，选择最适合编织集成柔性传感器无缝内衣的原料及尺寸参数。为集成柔性传感器无缝内衣的产业化生产提供指导。
　　1试验
　　1.1原料与仪器设备
　　原料：扎口线选用83 dtex黑色涤纶色纱（义乌泽童化纤有限公司）;地纱选用22 dtex/44 dtex/78 dtex/111 dtex裸氨（烟台纽仕达氨纶有限公司）;2030锦包氨纶包芯纱（海宁市龙仕达纺织有限公司）;面纱选用78 dtex全消光涤纶纱（海宁市龙仕达纺织有限公司）;78 dtex黑色涤纶色纱（义乌泽童化纤有限公司）;78 dtex黑色锦纶色纱（义乌泽童化纤有限公司）;导电纱线选用78 dtex石墨烯腈纶毛纱（东丽集团）;78 dtex铜纤维导电纱线（青岛亨通伟业特种织物科技有限公司）;78 dtex/111 dtex镀银锦纶纱线（青岛亨通伟业特种织物科技有限公司）。
　　仪器与设备：GDNJ08单针筒无缝针织圆机（杭州高腾机电科技有限公司）;KG55B染色机（佛山航星科技有限公司）;SWA801系列自动烘干机（泰州市通江洗涤）;RIGOL DM30686位半数字万用表（北京普源精电科技）;XL2型纱线强伸仪（上海新纤仪器有限公司）;SteREO Discovery V20型蔡司体视显微镜（北京普瑞赛司仪器有限公司）;Instron高强材料万能试验机（美国英斯特朗公司）。
　　1.2集成柔性传感器无缝内衣的设计
　　1.2.1纱线配置
　　纱线的穿纱配置如表1所示，相邻同种纱线捻向SZ向配置相反。
　　1.2.2无缝内衣组织设计 　　无缝内衣的主体组织采用平针、吊针、网眼等形式：大身采用纬平针组织，具有布面平整的优点;领口、袖口采用双层假罗纹结构;腋下部位采用网眼组织，有利于热量的散发;腰部和背部采用吊针的形式，用来增加腰部的弹性，塑造人体的三维形态;腹部线条的设计旨在实现与人体曲线贴合，增加其设计感。选用平针组织进行添纱有利于纱线间的稳定接触，保证柔性传感器的稳定性和电阻率。试验设计的柔性传感器横列数为10、20、30三个梯度，纵行数为40、60、80三个梯度。图1为集成柔性传感器无缝内衣组织示意图（柔性传感器横列数为10、纵行数为40、60、80）。
　　1.2.3工艺流程
　　采用78 dtex全消光涤纶为面纱编织形成的集成柔性传感器无缝内衣，下机后采用染色工艺，其完整的工艺流程如下：原料的采购→络筒→无缝织造→织后检验→热定形→染色→脱水烘干→半成品检验→裁剪拼缝→成品检验→包装入库。
　　采用78 dtex涤纶（锦纶）色纱为面纱形成的集成柔性传感器无缝内衣，下机后采用缩水工艺，其工艺流程如下：原料采购→络筒→原料染色前处理→筒纱染色→筒纱检验→二次络筒→包缠氨纶→无缝织造→织后检验→热定形→柔软脱水烘干→半成品检验→剪裁缝制→成品检验→包装入库。
　　1.3性能测试
　　1.3.1纱线性能测试
　　按照GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》，使用XL2型纱线强伸仪，预加张力10 cN，隔距250 mm，拉伸速度500 mm/min，对纱线进行拉伸实验，可得纱线的强力、伸长率、断裂强度等参数。
　　1.3.2纱线电阻测试
　　在导电纱线5、10、15、20 cm处采用导电铜胶将其覆盖，避免接触不良导致测试不准，采用DM3068 6位半数字万用表测量各个长度的电阻。做出其线性图像，图像斜率为电阻率。
　　1.3.3柔性传感器电阻测试
　　在柔性传感器的两边进行浮线设计，柔性传感器挑出两端浮线，采用铜胶（0.121 Ω/cm）包裹浮线，避免由于接触不良导致的电阻不稳定。采用DM30686位半数字万用表对柔性传感器进行电阻测试。
　　1.3.4织物拉伸电阻稳定性
　　参照FZ/T 70006—2004《针织物拉伸性回复率试验方法》，使用Instron高强材料万能试验机（美国英斯特朗公司）对含柔性传感器织物进行20%反复5次的拉伸，测试拉伸后针织物的电阻。电阻稳定性采用电阻稳定率进行表征。ΔR为拉伸后的电阻变化，R0为拉伸前的电阻，电阻稳定率见式（1）。
　　电阻稳定率/%=1-ΔRR0×100（1）
　　2结果与讨论
　　2.1导电纱线选择
　　为达到电信号传输的功能，需要选择易于编织、导电性能优良的导电纱线。对导电纱线的各项力学性能及电阻进行测试，结果见表1，外观如图2所示。
　　由表1可知，石墨烯腈纶毛纱断裂强度、伸长率较小，在编织过程中容易发生断纱现象，且电阻率较大，不适合作为应变电阻传感器原件材料;铜纤维导电纱线力学性能参数较优，但其电阻过大不适合作为柔性传感器的编织原料;镀银导电纱具有适合编织的力学性能，以及优良的导电性能。为满足无缝内衣的服用性能要求，选用78dtex镀银导电纱有利于形成手感细腻的服用效果。由图2可知，石墨烯腈纶毛纱表面具有较多毛羽;铜纤维导电纱线整体较为蓬松;镀银导电纱表面涂覆有一层光滑的银层，具有银的光泽。
　　2.2地纱选择
　　在面纱种类、尺寸、编织参数不变的情况下（面线为78 dtex黑色涤纶纱、尺寸为10横列×60纵行），改变集成柔性传感器无缝内衣的地纱（2030包纱、22 dtex裸氨、44 dtex裸氨、78 dtex裸氨、111 dtex裸氨），研究地纱的选择对电阻和电阻稳定率的影响，如图3所示。从图3可以看出：采用2030锦包氨纶包芯纱形成的柔性傳感器电阻值比裸氨大很多;随着裸氨的纤度变大，其电阻值不断减小，电阻稳定率不断增加。分析可知，包芯纱中由于涤纶包覆丝的存在，在拉伸过程中外层包覆的涤纶长丝影响了镀银导电纱的接触，故其电阻的稳定性较差;随着裸氨的纤度变大，其回弹性变差使得导电纱线的位移变小，接触更为紧密，故其导电性和电阻稳定性均更为优异。综合考虑其导电性、稳定性以及服用性能，最终选择44 dtex裸氨作为柔性传感器的地纱。
　　2.3面纱选择
　　在地纱、尺寸、编织参数和组织不变的情况下（地纱为44 dtex裸氨、尺寸为10横列×60纵行），改变无缝内衣的面纱（78 dtex全消光涤纶纱、78 dtex黑色涤纶色纱、78 dtex黑色锦纶色纱），得到不同面纱形成柔性传感器电阻及其稳定率关系，如图4所示。由图4可知采用78 dtex黑色涤纶色纱和78 dtex黑色锦纶色纱形成的柔性传感器具有较为优良的导电性能和电阻稳定率。分析可得，采用78 dtex全消光涤纶纱形成的柔性传感器经过染色工艺后对镀银导电纱造成了一定的破坏，柔性传感器的电阻偏大。在实验编织过程中发现采用78 dtex黑色涤纶色纱编织形成的试样，手感较硬，不适合作为贴身衣物。故选用78 dtex黑色锦纶色纱作为面纱。
　　2.4尺寸对柔性传感器性能影响
　　2.4.1应用单因子分析法
　　在编织纱线、编织参数和组织的不变的情况下图4不同面纱形成的柔性传感器电阻及其稳定率关系
　　（地纱为44 dtex裸氨、面纱为78 dtex黑色锦纶色纱、平针组织），改变柔性传感器尺寸（横列数为10、20、30，纵行数为40、60、80），得到图5不同尺寸柔性传感器电阻及其稳定率。
　　由图5可知，随着横列数的增加，柔性传感器的电阻变小，导电性能更为优异，电阻稳定率变小，稳定性变差;随着纵行数的增加，柔性传感器的电阻变大，其电阻稳定性更优。电阻的大小变化与文献[5]中六角电阻模型一致。故在柔性传感器的尺寸设计上，在满足人体测试部位大小需求与导电性符合测试要求时，尺寸上应选择横列数越小，纵行数越大越好。故选择柔性传感器尺寸为30个横列与40个纵行的组合。 　　2.4.2应用正交分析法
　　采用正交法对实验数据进行分析。柔性传感器尺寸的影响因素主要为横列数和纵行数，设计横列数和纵行数各3个水平，因此选择正交表L9（34），由于试验中为两个变量其余两变量为空。表2为不同尺寸柔性传感器试验因素水平表。
　　根据正交表的设计原则及柔性传感器电阻及电阻稳定率的测试方法，得到表3不同尺寸柔性传感器试验方案及试验结果。依据表3，分别以电阻值、电阻稳定率为试验指标，计算其响应值Ki、平均响应值ki和效应极差R，计算结果如表4、表5所示。
　　分析表3可得：在横列数相同的时候，柔性传感器电阻随纵行数的增加而增加，电阻稳定率随纵行数的增加而增大;在纵行数相同时，柔性传感器电阻随横列数的增加而减小，电阻稳定率随纵行数增加而增大。分析表4、表5所示，对于柔性传感器电阻值，比较两个因素极差的最优组合为A3B1，且A因素对电阻的影响比B因素更为重要;对于柔性传感器的电阻稳定率，两个因素极差的最优组合为A1B3，A因素对电阻稳定率的影响更为重要。由于柔性传感器的电阻值越小其柔性传感器导电功耗越小，试验电阻稳定率为80%以上，优先考虑柔性传感器的电阻大小。综上，选择柔性传感器大小为30个横列、40个纵行。
　　2.5编织注意要点
　　由于镀银导电纱表面光滑，在编织过程中容易出现带纱疵点，需在穿纱口增加张力，避免疵点的发生;本文中柔性传感器以添纱的形式在无缝内衣中存在，编织过程中需要不断进行剪线的动作，连续生产的过程中需要关注剪刀口处否有废纱堵住影响编织。
　　3结论
　　本文探讨了镀银导电纱集成柔性传感器无缝内衣在单针筒无缝圆机上编织的导电纱线、地纱、面纱的选择及柔性传感器尺寸设计等编织工艺对产品电阻及其稳定性的影响。根据对试验结果进行分析，得到如下的结论：
　　a）裸氨形成的柔性传感器电阻稳定率优于包芯纱;随着裸氨的纤度变大，其电阻值不断减小，电阻稳定率不断增大。随着裸氨的纤度变大，其回弹性变差使得导电纱线的位移变小，接触更为紧密，故导电性和电阻稳定率更为优异。
　　b）面纱选择与导电纱线纤度接近的纱线，有利于形成平整的织物表面;选择锦纶纱线有利于形成优良的服用性能;选择色纱有利于减少染色对导电纱线的破坏并具有保护环境的优点。
　　c）在设计柔性传感器的尺寸时，随着横列数的增加其导电性能更为优异，而电阻稳定率变小;随纵行数的增加柔性传感器电阻变大，电阻稳定率更大。在柔性传感器的尺寸设计上，在保证满足人体测试部位大小需求，导电性符合测试要求时，尺寸上应以横列数越小，纵行数越大为宜。
　　d）通过单因子比较与正交试验分析可得，以44 dtex裸氨为地纱，83 dtex黑色涤纶色纱为扎口线，78 dtex锦纶色纱为面纱，78 dtex镀银导电纱线为添纱原料，设计柔性传感器尺寸为30个横列、40个纵行，并选用适宜的编织参数形成的柔性传感器具有优良的电阻稳定率和服用性能。
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　　收稿日期：2018-05-23网络出版日期：2018-12-16
　　基金项目：海宁市科技计划项目（2017109）
　　作者简介：戴忆凡（1994-），女，浙江台州人，硕士研究生，主要从事现代纺织、新产品开发方面的研究。
　　通信作者：陈慰来，Email：wlchen193@163.com
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