电子服装用织物导电连接件的设计与织造*

2014-01-15张如全李德骏杜雷娟

产业用纺织品 2014年2期

张如全李德骏杜雷娟吴迪

(1.武汉纺织大学纺织学院;2.武汉纺织大学电子电气学院，武汉，430200)

随着世界工业的飞速发展，传统纺织已经不能完全满足人们的需求，智能纺织品应运而生。智能纺织品是指通过特殊处理，使其对外界变化能够感知并且作出反应的纺织品［1］。目前电子智能纺织品主要应用在军事、医疗、娱乐、通信、时尚和家居等领域［2］。

近年来随着电子科技的进步，特别是电子器件微型化技术的发展，使得电子器件的体积越来越小，这方便了电子器件在服装上的应用，服装的外观设计也更加灵活，同时电子器件体积的减小有利于提高服装的舒适性［3］。电子器件微型化技术的发展在赋予了服装更多新功能的同时，也对电子器件之间的连接提出了新的要求。由于服装的特殊性，人们在穿着过程中，根据服装部位的不同，服装面料本身会受到各种形式的外力作用。一般而言，服装面料要受到拉伸、剪切、压缩等反复作用。目前连接电子器件普遍是外表包覆有绝缘层的金属导线，用缝合或添加胶黏剂等方法固定在服装本体上。在服装穿着过程中，金属导线受到相应的拉伸、剪切、压缩等反复作用后，会因为金属疲劳而损坏甚至断开，大大降低了电子服装的可靠性。因此，研究新型电子器件之间的连接件对电子服装的发展具有重要意义。

1 电子服装用电子器件连接的要求

在电子织物发展初期，研究者往往通过最普通的缝纫方法将具有特殊功能的电子器件固定在服装上。这种简单将电子器件嵌入服装的方法由于电子器件体积较大，造成服装的柔软性、耐水洗、舒适性变差等问题，使得电子服装的应用受到了限制。为了解决这些问题，一方面要求电子器件的体积尽可能减小，另一方面需要解决电子器件之间的柔性连接，使其既能满足电子器件之间的电气要求，保证电子器件之间连接的可靠性，同时又能满足服装柔软及舒适性的要求。

本文采用的织物导电连接件，利用若干根导电纱线构成的导通单元代替单根金属导线。导通单元由多根导电纱线并联而成，与普通的单根金属导线相比，导通单元失去导通作用的概率大大降低，因此可以大幅度提高电子器件之间连接的可靠性和稳定性。织物导电连接件上的导通单元为两组以上，当一组导通单元失去导电作用时，可以通过分离出相邻导通单元的导电纱线，再进行重新连接，从而避免因单根金属导线断开而使得整个电子服装的功能丧失的不足，提高了整体电路的稳定性和灵活性。织物导电连接件是柔性的织物，因此电子服装的舒适性可得到改善。

2 织物导电连接件的纱线选择和结构设计

本文所设计的织物导电连接件采用普通棉纱和具有导电功能的包芯纱互相交织而成，包芯纱的芯纱为铜丝、皮纱为棉纤维［4］。由于铜丝在常用金属导电材料中导电性能较好，细铜丝比较柔软，经过织造后，织物的舒适性好，因此选择铜丝作为织物导电连接件的导电材料。但由于铜丝有一定的亮度，如果直接使用，在后期服装设计时会带来诸多不便，所以采用棉纤维在其外部包覆形成包芯纱，可克服这一不利因素。棉纤维材质柔软，使得织物导电连接件手感柔软舒适，可提高服装的服用性能。也可以根据不同服装风格的需要，选用其他短纤维作为皮纱［5］。

纤维线密度会影响织物手感，纤维越细，手感就越柔软。设计的织物导电连接件采用包芯纱的芯纱为直径0.04 mm、表面涂有聚氨酯膜的镀膜金属铜丝，皮纱为普通的棉纤维，纱线的线密度为33 tex，普通棉纱的线密度为27 tex。织物导电连接件的经纱由普通棉纱和导电包芯纱组成，纬纱采用和经纱一样规格的普通棉纱。为了使面料获得比较柔软的手感，选择捻度中等的纱线，使得织物的紧度不是很高，从而进一步提高织物的柔软性能［6］。所设计的织物导电连接件的结构示意图如图1所示。每个导通单元由若干根包芯纱并联和普通棉纱组成，每个导通单元相当于一根导线，连接两个电子器件，起到导通电子信号的作用。为了保证织物导电连接件在使用过程中连接的可靠性，每组导通单元包含有5～6根包芯纱，包芯纱之间可以根据织物导电连接件的外观设计嵌入普通棉纱，包芯纱之间的间距由普通棉纱的根数决定，一般为1～3根，也可以根据导通单元的需要，自由设计普通棉纱和包芯纱的根数。

图1 织物连接器件的结构示意图

3 织物导电连接件的制作

在普通细纱机的粗纱架上排放超细镀膜铜丝的管装，下排放棉粗纱。超细镀膜铜丝引出后不经过牵伸装置，直接导入前罗拉，与牵伸后的纯棉须条一起进入加捻三角区，再经过加捻纺制成具有导电功能的包芯纱。

音乐服装在穿着过程中，由于人体的运动，电子连接件会反复受到弯曲、拉伸、剪切等作用，导电的包芯纱将容易产生疲劳损伤。主要是受到人体的不同部位活动的频率和幅度等因素的影响，例如人体胳膊肘部相对于背部经常弯曲，这个部位的织物受到拉伸、弯曲和剪切作用比较多，织物容易产生疲劳损伤。可以根据原组织(平纹、斜纹和缎纹)及其变化组织经纬纱的起伏分布和交织点数目分布差异对织物柔软性的影响特点，结合织物应用在服装上的位置，选择织物组织或者改变包芯纱的线密度。本文介绍的织物导电连接件采用平纹织物组织，根据所设计的织物组织结构和原理图在织物小样机上进行织造。

4 织物导电连接件在音乐电子服装上的使用

为了保证织物导电连接件在裁剪使用前的正常使用，织造得到的织物导电连接件需要进行测试。测试的方法是将织物导电连接件的铜丝按照顺序以根数为单位分别接入万用表的两接线柱，观察表中的电阻档是否有读数，对所有的铜丝进行导电测试。在根据需要尺寸和形状进行裁剪时，以测试结果为依据，保证在每个导通单元中至少有两根以上的导电包芯纱能够正常导通，以确保音乐服装播放系统的正常使用。

根据服装设计的需要裁剪后连接件可以通过缝纫、黏合剂黏合以及热熔黏合等方法与服装结合起来。用黏合剂和热熔黏合的方法，由于有黏合剂和热熔胶的存在，使服装的手感稍差。缝纫在导电纱线组之间的普通纱线组上进行，这样对包芯纱的导电性能毫无影响。用缝纫方法制作的服装比较柔软，舒适性能很好。综合考虑，采用缝纫的方法制作了3件音乐电子服装，播放系统的电子器件之间全部采用本文试织的织物导电连接件进行连接。

5 耐久性能及耐水洗性能

为了测试织物导电连接件的耐久性及耐水洗性能，随机选取了3名喜爱音乐的在校本科生，对使用织物导电连接件和金属导线作为电子器件之间导通连接的音乐电子服装进行实际穿着试验。试验分为两个阶段，第一阶段让3名试验者分别穿着音乐服装进行正常的学习和工作的时间为2天，每天进行跳绳500次，做俯卧撑50个，跑步3 000 m，运动结束后再检测音乐播放系统的稳定性;在第一阶段的试验结束并确认音乐服装的音乐播放系统正常后，进入第二阶段的试验。将音乐服装“洗涤—晾干”重复循环1、2、3、4次，每次洗涤后都让试验者检查音乐播放器的播放效果。洗涤前，电子器件摘下或采用防水措施。因为跳绳、俯卧撑和跑步均属于全身运动，运动中身体变化幅度大，可最大化地模拟在一定时间内服装面料受到拉伸、剪切、压缩等综合作用力的情况;同时规定了一定的运动量，可以保证服装充分地受到外力的反复作用。因此，通过上述试验方法可模拟在一定时间内服装的耐久程度。每次试验结束后，询问试验者音乐服装的播放效果并做好记录。试验结果如表1所示。

从表1可以看出，使用织物导电连接件的音乐电子服装的音乐播放系统均能够正常播放，而用金属导线做的音乐电子服装出现了不能正常播放的情况，检查发现金属导线的焊接处有松动脱开的现象。因此，织物导电连接件能够承受服装的受力，耐久性好，并且耐洗涤性能良好，音乐播放系统的稳定性好，可靠性高。