電子服裝用織物導(dǎo)電連接件的設(shè)計(jì)與織造*

張如全 李德駿 杜雷娟 吳 迪

(1.武漢紡織大學(xué)紡織學(xué)院;2.武漢紡織大學(xué)電子電氣學(xué)院，武漢，430200)

隨著世界工業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)紡織已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足人們的需求，智能紡織品應(yīng)運(yùn)而生。智能紡織品是指通過(guò)特殊處理，使其對(duì)外界變化能夠感知并且作出反應(yīng)的紡織品［1］。目前電子智能紡織品主要應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、娛樂(lè)、通信、時(shí)尚和家居等領(lǐng)域［2］。

近年來(lái)隨著電子科技的進(jìn)步，特別是電子器件微型化技術(shù)的發(fā)展，使得電子器件的體積越來(lái)越小，這方便了電子器件在服裝上的應(yīng)用，服裝的外觀設(shè)計(jì)也更加靈活，同時(shí)電子器件體積的減小有利于提高服裝的舒適性［3］。電子器件微型化技術(shù)的發(fā)展在賦予了服裝更多新功能的同時(shí)，也對(duì)電子器件之間的連接提出了新的要求。由于服裝的特殊性，人們?cè)诖┲^(guò)程中，根據(jù)服裝部位的不同，服裝面料本身會(huì)受到各種形式的外力作用。一般而言，服裝面料要受到拉伸、剪切、壓縮等反復(fù)作用。目前連接電子器件普遍是外表包覆有絕緣層的金屬導(dǎo)線(xiàn)，用縫合或添加膠黏劑等方法固定在服裝本體上。在服裝穿著過(guò)程中，金屬導(dǎo)線(xiàn)受到相應(yīng)的拉伸、剪切、壓縮等反復(fù)作用后，會(huì)因?yàn)榻饘倨诙鴵p壞甚至斷開(kāi)，大大降低了電子服裝的可靠性。因此，研究新型電子器件之間的連接件對(duì)電子服裝的發(fā)展具有重要意義。

1 電子服裝用電子器件連接的要求

在電子織物發(fā)展初期，研究者往往通過(guò)最普通的縫紉方法將具有特殊功能的電子器件固定在服裝上。這種簡(jiǎn)單將電子器件嵌入服裝的方法由于電子器件體積較大，造成服裝的柔軟性、耐水洗、舒適性變差等問(wèn)題，使得電子服裝的應(yīng)用受到了限制。為了解決這些問(wèn)題，一方面要求電子器件的體積盡可能減小，另一方面需要解決電子器件之間的柔性連接，使其既能滿(mǎn)足電子器件之間的電氣要求，保證電子器件之間連接的可靠性，同時(shí)又能滿(mǎn)足服裝柔軟及舒適性的要求。

本文采用的織物導(dǎo)電連接件，利用若干根導(dǎo)電紗線(xiàn)構(gòu)成的導(dǎo)通單元代替單根金屬導(dǎo)線(xiàn)。導(dǎo)通單元由多根導(dǎo)電紗線(xiàn)并聯(lián)而成，與普通的單根金屬導(dǎo)線(xiàn)相比，導(dǎo)通單元失去導(dǎo)通作用的概率大大降低，因此可以大幅度提高電子器件之間連接的可靠性和穩(wěn)定性。織物導(dǎo)電連接件上的導(dǎo)通單元為兩組以上，當(dāng)一組導(dǎo)通單元失去導(dǎo)電作用時(shí)，可以通過(guò)分離出相鄰導(dǎo)通單元的導(dǎo)電紗線(xiàn)，再進(jìn)行重新連接，從而避免因單根金屬導(dǎo)線(xiàn)斷開(kāi)而使得整個(gè)電子服裝的功能喪失的不足，提高了整體電路的穩(wěn)定性和靈活性。織物導(dǎo)電連接件是柔性的織物，因此電子服裝的舒適性可得到改善。

2 織物導(dǎo)電連接件的紗線(xiàn)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的織物導(dǎo)電連接件采用普通棉紗和具有導(dǎo)電功能的包芯紗互相交織而成，包芯紗的芯紗為銅絲、皮紗為棉纖維［4］。由于銅絲在常用金屬導(dǎo)電材料中導(dǎo)電性能較好，細(xì)銅絲比較柔軟，經(jīng)過(guò)織造后，織物的舒適性好，因此選擇銅絲作為織物導(dǎo)電連接件的導(dǎo)電材料。但由于銅絲有一定的亮度，如果直接使用，在后期服裝設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)帶來(lái)諸多不便，所以采用棉纖維在其外部包覆形成包芯紗，可克服這一不利因素。棉纖維材質(zhì)柔軟，使得織物導(dǎo)電連接件手感柔軟舒適，可提高服裝的服用性能。也可以根據(jù)不同服裝風(fēng)格的需要，選用其他短纖維作為皮紗［5］。

纖維線(xiàn)密度會(huì)影響織物手感，纖維越細(xì)，手感就越柔軟。設(shè)計(jì)的織物導(dǎo)電連接件采用包芯紗的芯紗為直徑0.04 mm、表面涂有聚氨酯膜的鍍膜金屬銅絲，皮紗為普通的棉纖維，紗線(xiàn)的線(xiàn)密度為33 tex，普通棉紗的線(xiàn)密度為27 tex。織物導(dǎo)電連接件的經(jīng)紗由普通棉紗和導(dǎo)電包芯紗組成，緯紗采用和經(jīng)紗一樣規(guī)格的普通棉紗。為了使面料獲得比較柔軟的手感，選擇捻度中等的紗線(xiàn)，使得織物的緊度不是很高，從而進(jìn)一步提高織物的柔軟性能［6］。所設(shè)計(jì)的織物導(dǎo)電連接件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。每個(gè)導(dǎo)通單元由若干根包芯紗并聯(lián)和普通棉紗組成，每個(gè)導(dǎo)通單元相當(dāng)于一根導(dǎo)線(xiàn)，連接兩個(gè)電子器件，起到導(dǎo)通電子信號(hào)的作用。為了保證織物導(dǎo)電連接件在使用過(guò)程中連接的可靠性，每組導(dǎo)通單元包含有5～6根包芯紗，包芯紗之間可以根據(jù)織物導(dǎo)電連接件的外觀設(shè)計(jì)嵌入普通棉紗，包芯紗之間的間距由普通棉紗的根數(shù)決定，一般為1～3根，也可以根據(jù)導(dǎo)通單元的需要，自由設(shè)計(jì)普通棉紗和包芯紗的根數(shù)。

圖1 織物連接器件的結(jié)構(gòu)示意圖

3 織物導(dǎo)電連接件的制作

在普通細(xì)紗機(jī)的粗紗架上排放超細(xì)鍍膜銅絲的管裝，下排放棉粗紗。超細(xì)鍍膜銅絲引出后不經(jīng)過(guò)牽伸裝置，直接導(dǎo)入前羅拉，與牽伸后的純棉須條一起進(jìn)入加捻三角區(qū)，再經(jīng)過(guò)加捻紡制成具有導(dǎo)電功能的包芯紗。

音樂(lè)服裝在穿著過(guò)程中，由于人體的運(yùn)動(dòng)，電子連接件會(huì)反復(fù)受到彎曲、拉伸、剪切等作用，導(dǎo)電的包芯紗將容易產(chǎn)生疲勞損傷。主要是受到人體的不同部位活動(dòng)的頻率和幅度等因素的影響，例如人體胳膊肘部相對(duì)于背部經(jīng)常彎曲，這個(gè)部位的織物受到拉伸、彎曲和剪切作用比較多，織物容易產(chǎn)生疲勞損傷。可以根據(jù)原組織(平紋、斜紋和緞紋)及其變化組織經(jīng)緯紗的起伏分布和交織點(diǎn)數(shù)目分布差異對(duì)織物柔軟性的影響特點(diǎn)，結(jié)合織物應(yīng)用在服裝上的位置，選擇織物組織或者改變包芯紗的線(xiàn)密度。本文介紹的織物導(dǎo)電連接件采用平紋織物組織，根據(jù)所設(shè)計(jì)的織物組織結(jié)構(gòu)和原理圖在織物小樣機(jī)上進(jìn)行織造。

4 織物導(dǎo)電連接件在音樂(lè)電子服裝上的使用

為了保證織物導(dǎo)電連接件在裁剪使用前的正常使用，織造得到的織物導(dǎo)電連接件需要進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的方法是將織物導(dǎo)電連接件的銅絲按照順序以根數(shù)為單位分別接入萬(wàn)用表的兩接線(xiàn)柱，觀察表中的電阻檔是否有讀數(shù)，對(duì)所有的銅絲進(jìn)行導(dǎo)電測(cè)試。在根據(jù)需要尺寸和形狀進(jìn)行裁剪時(shí)，以測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，保證在每個(gè)導(dǎo)通單元中至少有兩根以上的導(dǎo)電包芯紗能夠正常導(dǎo)通，以確保音樂(lè)服裝播放系統(tǒng)的正常使用。

根據(jù)服裝設(shè)計(jì)的需要裁剪后連接件可以通過(guò)縫紉、黏合劑黏合以及熱熔黏合等方法與服裝結(jié)合起來(lái)。用黏合劑和熱熔黏合的方法，由于有黏合劑和熱熔膠的存在，使服裝的手感稍差。縫紉在導(dǎo)電紗線(xiàn)組之間的普通紗線(xiàn)組上進(jìn)行，這樣對(duì)包芯紗的導(dǎo)電性能毫無(wú)影響。用縫紉方法制作的服裝比較柔軟，舒適性能很好。綜合考慮，采用縫紉的方法制作了3件音樂(lè)電子服裝，播放系統(tǒng)的電子器件之間全部采用本文試織的織物導(dǎo)電連接件進(jìn)行連接。

5 耐久性能及耐水洗性能

為了測(cè)試織物導(dǎo)電連接件的耐久性及耐水洗性能，隨機(jī)選取了3名喜愛(ài)音樂(lè)的在校本科生，對(duì)使用織物導(dǎo)電連接件和金屬導(dǎo)線(xiàn)作為電子器件之間導(dǎo)通連接的音樂(lè)電子服裝進(jìn)行實(shí)際穿著試驗(yàn)。試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，第一階段讓3名試驗(yàn)者分別穿著音樂(lè)服裝進(jìn)行正常的學(xué)習(xí)和工作的時(shí)間為2天，每天進(jìn)行跳繩500次，做俯臥撐50個(gè)，跑步3 000 m，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后再檢測(cè)音樂(lè)播放系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在第一階段的試驗(yàn)結(jié)束并確認(rèn)音樂(lè)服裝的音樂(lè)播放系統(tǒng)正常后，進(jìn)入第二階段的試驗(yàn)。將音樂(lè)服裝“洗滌—晾干”重復(fù)循環(huán)1、2、3、4次，每次洗滌后都讓試驗(yàn)者檢查音樂(lè)播放器的播放效果。洗滌前，電子器件摘下或采用防水措施。因?yàn)樘K、俯臥撐和跑步均屬于全身運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中身體變化幅度大，可最大化地模擬在一定時(shí)間內(nèi)服裝面料受到拉伸、剪切、壓縮等綜合作用力的情況;同時(shí)規(guī)定了一定的運(yùn)動(dòng)量，可以保證服裝充分地受到外力的反復(fù)作用。因此，通過(guò)上述試驗(yàn)方法可模擬在一定時(shí)間內(nèi)服裝的耐久程度。每次試驗(yàn)結(jié)束后，詢(xún)問(wèn)試驗(yàn)者音樂(lè)服裝的播放效果并做好記錄。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，使用織物導(dǎo)電連接件的音樂(lè)電子服裝的音樂(lè)播放系統(tǒng)均能夠正常播放，而用金屬導(dǎo)線(xiàn)做的音樂(lè)電子服裝出現(xiàn)了不能正常播放的情況，檢查發(fā)現(xiàn)金屬導(dǎo)線(xiàn)的焊接處有松動(dòng)脫開(kāi)的現(xiàn)象。因此，織物導(dǎo)電連接件能夠承受服裝的受力，耐久性好，并且耐洗滌性能良好，音樂(lè)播放系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性高。

表1 織物導(dǎo)電連接件的耐久性能和水洗性能測(cè)試

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本文制作的織物導(dǎo)電連接件在音樂(lè)服裝上可以正常發(fā)揮導(dǎo)電功能，使MP3播放器正常播放，能夠替代金屬導(dǎo)線(xiàn)作為電子器件之間的導(dǎo)通連接。

(2)隨機(jī)挑選了3名在校本科生，對(duì)用織物導(dǎo)電連接件制作的音樂(lè)電子服裝進(jìn)行實(shí)際穿著試驗(yàn)以及洗滌試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：織物導(dǎo)電連接件的耐久性和耐水洗性能良好，能滿(mǎn)足服裝在日常生活中的實(shí)際要求。設(shè)計(jì)制作的織物導(dǎo)電連接件可以應(yīng)用于電子服裝領(lǐng)域。

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