金属丝/桑蚕丝织物的制备及性能研究

摘要

近年来，随着科学技术的进步和智能产品的普及，智能产品已经深入到生活中的各个方面，其中智能服装已成为纺织领域的研究热点之一，被广泛应用于军事、医疗保健、体育运动、休闲娱乐等领域。智能服装利用先进的材料及纺织技术，在服装中植入微型、柔性的电子元件，实现信息的感知、计算和通信等功能的纺织服装。智能服装由传感器、驱动单元和控制单元三部分组成，其中传感部分主要是通过纺织材料来实现的，纺织材料受到外界环境的变化或刺激时，通过自身结构、振动、电性能、变色、调温等变化，使服装具有感知功能，并通过驱动单元和控制单元对感知的信号进行处理。金属丝作为常见的一种导电纤维，在织物柔性传感器的制备中具有广泛的价值。但金属丝的可织性差，需与其他纤维复合以改善其可织性、舒适性。目前，已有不少研究人员对针织柔性传感器进行了大量研究，但对机织柔性传感器的研究较少，因此研究金属丝/桑蚕丝织物的制备并对其服用性能和传感性能进行评价具有一定的价值，可为后续开发舒适性良好的导电机织柔性传感器提供一定的理论依据。
　　本课题首先利用扫描电镜（含能谱仪）、数字万用表、纱线强伸度仪、缕纱测长仪等对选取出的不锈钢丝、铜丝和桑蚕丝的结构及性能进行表征。以不锈钢丝、铜丝为芯纱，桑蚕丝为外包纱，采用包缠工艺制备16种金属丝/桑蚕丝复合丝，并利用偏光显微镜、缕纱测长仪、纱线强伸度仪、纱线动态摩擦系数测定仪、数字万用表等仪器对复合丝的结构、力学性能、摩擦性能、导电性能进行测定，研究了金属丝品种、金属丝细度、外包纱细度等参数对复合丝性能的影响，优化包缠工艺参数。以优化的两种复合丝为原料，与桑蚕丝交织，制备24种金属丝/桑蚕丝织物试样，通过测试织物的力学性能、透气性、折皱回复性、抗弯刚度、循环拉伸时电阻的变化、满载后5min电阻的变化规律、不同拉伸速率对织物电阻变化的影响，研究组织结构、复合丝比例等参数对导电织物服用性能、传感性能的影响。主要得到如下结论:
　　1、对原料结构与性能进行表征，不锈钢丝和铜丝纤维纤度较为均匀，表面有纵向条纹，纤维中含氧量低，抗氧化能力好，电阻具有极好的线性度，导电连续性好，具有较好的延伸性，金属丝表面较为光滑，纤维间抱合力小，可与其他纤维复合，提高其可织性、舒适性。
　　2、以不同细度、品种的金属丝为芯纱，不同线密度的桑蚕丝为外包纱，采用包缠工艺制备16种金属丝/桑蚕丝复合丝。通过对复合丝形态结构、力学性能、导电性能进行分析可知，对于不同品种、直径的金属丝，外包纱的线密度不同，所制得复合丝的结构各不相同。不锈钢丝直径分别为0.021mm、0.035mm时，桑蚕丝线密度分别为88.9dtex、130.0dtex和88.9dtex时，复合丝的成形较好;铜丝直径分别为0.035mm和0.065mm时，桑蚕丝线密度分别44.4dtex、88.9dtex和88.9dtex、130.0dtex时，复合丝芯纱包覆度高，条干均匀度好，成形良好;复合丝的断裂强力随着桑蚕丝线密度的增加整体呈增加的趋势，外包纱扭曲程度越高，复合丝条干均匀度差，断裂伸长率越低;复合丝的表面摩擦性能受成纱结构的影响，桑蚕丝线密度为88.9dtex时，复合丝的表面摩擦系数最小，表面粗糙度较小;复合丝的电阻线性度相关系数R2和灵敏度GF随桑蚕丝线密度的增加呈先增大后减小的趋势，桑蚕丝的线密度为88.9dtex时，复合丝的相关系数R2最大;综合分析复合丝各项性能，对包缠工艺进行优化，优化的两种复合丝为:0.035mm不锈钢丝+88.9dtex桑蚕丝、0.035mm铜丝+88.9dtex桑蚕丝。
　　3、以优化的两种复合丝为纬纱，配置不同的组织、投纬比等参数，织制24种金属丝/桑蚕丝织物，通过对其服用性能进行测定可知，纬纱中加入复合丝，可提高织物的透气性，三种组织透气率从大到小排列依次为:缎纹＞斜纹＞平纹;纬纱中复合丝的比例越高，织物的折皱回复角越小，织物的抗皱性越差，不锈钢丝/桑蚕丝织物的抗皱性较铜丝/桑蚕丝织物好，三种组织中，平纹组织的抗皱性最差，缎纹织物的抗皱性最好，斜纹织物介于二者之间;织物中复合丝的比例越高，织物手感越刚硬，且铜丝/桑蚕丝织物的手感较不锈钢丝/桑蚕丝织物刚硬。
　　4、对织物传感性能分析可知，由织物电阻-伸长率曲线可以看出，24种织物试样的线性相关系数R2都在0.953以上，电阻变化稳定，导电稳定性较好，说明金属丝/桑蚕丝织物具有较好的导电稳定性。由灵敏度GF值可知，织物中复合丝比例越高，织物的灵敏度越低;织物反复拉伸20次时，复合丝的含量对织物灵敏度的影响较明显，随着纬纱中复合丝比例的减少，织物的导电线性灵敏度呈增加的趋势，纬纱中投纬比为6∶1时，织物的灵敏度最高;对织物进行不同速率拉伸可知，织物拉伸速率为100mm/min时织物的相关系数R2最高，电阻变化的稳定性越好;对不锈钢丝/桑蚕丝织物，投纬比不同时，织物的应力松弛特性呈分段趋势，随着织物中复合丝比例的减小，应力松弛特性参数△R呈先增大后减小的趋势，投纬比为4∶1时，△R值相对较大，不锈钢丝/桑蚕丝织物的应力松弛特性较铜丝/桑蚕丝织物差，铜丝/桑蚕丝织物应力松弛较稳定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 智能服装及柔性传感器概述

1．2．2 智能服装的研究及应用现状

1．2．3 智能纤维的研究及应用现状

1．3 本课题研究内容及创新点

1．3．1 本课题的主要内容

1．3．2 本课题的创新点

第二章 金属丝、桑蚕丝的原料特性

2．1 原料选择

2．2 原料结构与性能

2．2．1 实验设备与仪器

2．2．2 原料特性测试方法

2．2．3 金属丝表面微观结构

2．2．4 金属丝元素分析

2．2．5 不同金属丝的导电性分析

2．2．6 桑蚕丝、金属丝线密度和力学性能

2．3 本章小结

第三章 金属丝，桑蚕丝复合丝的制备及其导电性能

3．1 金属丝／桑蚕丝复合丝的制备

3．1．1 实验设备与仪器

3．1．2 复合丝包缠工艺

3．2 金属丝／桑蚕丝复合丝结构特征分析及基本性能测试

3．2．1 实验设备与仪器

3．2．2 复合丝形态结构及基本性能测试方法

3．2．3 复合丝的形貌结构及基本性能分析

3．3 金属丝／桑蚕丝复合丝在拉伸应变下的导电性测试

3．3．1 实验设备与仪器

3．3．2 复合丝拉伸电阻试验方法

3．4 拉伸应变对复合丝导电性能的影响

3．4．1 拉伸对复合丝电阻的影响

3．4．2 结构参数对复合丝线性度的影响

3．4．3 结构参数对复合丝灵敏度的影响

3．5 本章小结

第四章 金属丝／桑蚕丝织物的制备及其性能测试与分析

4．1 金属丝／桑蚕丝织物的制备

4．1．1 实验设备与仪器

4．1．2 织物规格参数设计

4．2 金属丝／桑蚕丝织物服用性能测试与分析

4．2．1 实验设备与仪器

4．2．2 金属丝／桑蚕丝织物服用性能测试方法

4．2．3 金属丝／桑蚕丝织物服用性能分析

4．3 金属丝／桑蚕丝织物传感特性测试与分析

4．3．1 实验仪器与设备

4．3．2 金属丝／桑蚕丝织物拉伸应力下导电性能测试方法

4．3．3 金属丝／桑蚕丝织物传感特性分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢