電子服裝用織物導電連接件的設計與織造*

張如全 李德駿 杜雷娟 吳 迪

(1.武漢紡織大學紡織學院;2.武漢紡織大學電子電氣學院，武漢，430200)

隨著世界工業的飛速發展，傳統紡織已經不能完全滿足人們的需求，智能紡織品應運而生。智能紡織品是指通過特殊處理，使其對外界變化能夠感知并且作出反應的紡織品［1］。目前電子智能紡織品主要應用在軍事、醫療、娛樂、通信、時尚和家居等領域［2］。

近年來隨著電子科技的進步，特別是電子器件微型化技術的發展，使得電子器件的體積越來越小，這方便了電子器件在服裝上的應用，服裝的外觀設計也更加靈活，同時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的發展在賦予了服裝更多新功能的同時，也對電子器件之間的連接提出了新的要求。由于服裝的特殊性，人們在穿著過程中，根據服裝部位的不同，服裝面料本身會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線，用縫合或添加膠黏劑等方法固定在服裝本體上。在服裝穿著過程中，金屬導線受到相應的拉伸、剪切、壓縮等反復作用后，會因為金屬疲勞而損壞甚至斷開，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電子服裝的發展具有重要意義。

1 電子服裝用電子器件連接的要求

在電子織物發展初期，研究者往往通過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、舒適性變差等問題，使得電子服裝的應用受到了限制。為了解決這些問題，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，同時又能滿足服裝柔軟及舒適性的要求。

本文采用的織物導電連接件，利用若干根導電紗線構成的導通單元代替單根金屬導線。導通單元由多根導電紗線并聯而成，與普通的單根金屬導線相比，導通單元失去導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定性?？椢飳щ娺B接件上的導通單元為兩組以上，當一組導通單元失去導電作用時，可以通過分離出相鄰導通單元的導電紗線，再進行重新連接，從而避免因單根金屬導線斷開而使得整個電子服裝的功能喪失的不足，提高了整體電路的穩定性和靈活性?？椢飳щ娺B接件是柔性的織物，因此電子服裝的舒適性可得到改善。

2 織物導電連接件的紗線選擇和結構設計

本文所設計的織物導電連接件采用普通棉紗和具有導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電材料中導電性能較好，細銅絲比較柔軟，經過織造后，織物的舒適性好，因此選擇銅絲作為織物導電連接件的導電材料。但由于銅絲有一定的亮度，如果直接使用，在后期服裝設計時會帶來諸多不便，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。棉纖維材質柔軟，使得織物導電連接件手感柔軟舒適，可提高服裝的服用性能。也可以根據不同服裝風格的需要，選用其他短纖維作為皮紗［5］。

纖維線密度會影響織物手感，纖維越細，手感就越柔軟。設計的織物導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，紗線的線密度為33 tex，普通棉紗的線密度為27 tex?？椢飳щ娺B接件的經紗由普通棉紗和導電包芯紗組成，緯紗采用和經紗一樣規格的普通棉紗。為了使面料獲得比較柔軟的手感，選擇捻度中等的紗線，使得織物的緊度不是很高，從而進一步提高織物的柔軟性能［6］。所設計的織物導電連接件的結構示意圖如圖1所示。每個導通單元由若干根包芯紗并聯和普通棉紗組成，每個導通單元相當于一根導線，連接兩個電子器件，起到導通電子信號的作用。為了保證織物導電連接件在使用過程中連接的可靠性，每組導通單元包含有5～6根包芯紗，包芯紗之間可以根據織物導電連接件的外觀設計嵌入普通棉紗，包芯紗之間的間距由普通棉紗的根數決定，一般為1～3根，也可以根據導通單元的需要，自由設計普通棉紗和包芯紗的根數。

圖1 織物連接器件的結構示意圖

3 織物導電連接件的制作

在普通細紗機的粗紗架上排放超細鍍膜銅絲的管裝，下排放棉粗紗。超細鍍膜銅絲引出后不經過牽伸裝置，直接導入前羅拉，與牽伸后的純棉須條一起進入加捻三角區，再經過加捻紡制成具有導電功能的包芯紗。

音樂服裝在穿著過程中，由于人體的運動，電子連接件會反復受到彎曲、拉伸、剪切等作用，導電的包芯紗將容易產生疲勞損傷。主要是受到人體的不同部位活動的頻率和幅度等因素的影響，例如人體胳膊肘部相對于背部經常彎曲，這個部位的織物受到拉伸、彎曲和剪切作用比較多，織物容易產生疲勞損傷。可以根據原組織(平紋、斜紋和緞紋)及其變化組織經緯紗的起伏分布和交織點數目分布差異對織物柔軟性的影響特點，結合織物應用在服裝上的位置，選擇織物組織或者改變包芯紗的線密度。本文介紹的織物導電連接件采用平紋織物組織，根據所設計的織物組織結構和原理圖在織物小樣機上進行織造。

4 織物導電連接件在音樂電子服裝上的使用

為了保證織物導電連接件在裁剪使用前的正常使用，織造得到的織物導電連接件需要進行測試。測試的方法是將織物導電連接件的銅絲按照順序以根數為單位分別接入萬用表的兩接線柱，觀察表中的電阻檔是否有讀數，對所有的銅絲進行導電測試。在根據需要尺寸和形狀進行裁剪時，以測試結果為依據，保證在每個導通單元中至少有兩根以上的導電包芯紗能夠正常導通，以確保音樂服裝播放系統的正常使用。

根據服裝設計的需要裁剪后連接件可以通過縫紉、黏合劑黏合以及熱熔黏合等方法與服裝結合起來。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?？p紉在導電紗線組之間的普通紗線組上進行，這樣對包芯紗的導電性能毫無影響。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件音樂電子服裝，播放系統的電子器件之間全部采用本文試織的織物導電連接件進行連接。

5 耐久性能及耐水洗性能

為了測試織物導電連接件的耐久性及耐水洗性能，隨機選取了3名喜愛音樂的在校本科生，對使用織物導電連接件和金屬導線作為電子器件之間導通連接的音樂電子服裝進行實際穿著試驗。試驗分為兩個階段，第一階段讓3名試驗者分別穿著音樂服裝進行正常的學習和工作的時間為2天，每天進行跳繩500次，做俯臥撐50個，跑步3 000 m，運動結束后再檢測音樂播放系統的穩定性;在第一階段的試驗結束并確認音樂服裝的音樂播放系統正常后，進入第二階段的試驗。將音樂服裝“洗滌—晾干”重復循環1、2、3、4次，每次洗滌后都讓試驗者檢查音樂播放器的播放效果。洗滌前，電子器件摘下或采用防水措施。因為跳繩、俯臥撐和跑步均屬于全身運動，運動中身體變化幅度大，可最大化地模擬在一定時間內服裝面料受到拉伸、剪切、壓縮等綜合作用力的情況;同時規定了一定的運動量，可以保證服裝充分地受到外力的反復作用。因此，通過上述試驗方法可模擬在一定時間內服裝的耐久程度。每次試驗結束后，詢問試驗者音樂服裝的播放效果并做好記錄。試驗結果如表1所示。

從表1可以看出，使用織物導電連接件的音樂電子服裝的音樂播放系統均能夠正常播放，而用金屬導線做的音樂電子服裝出現了不能正常播放的情況，檢查發現金屬導線的焊接處有松動脫開的現象。因此，織物導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，音樂播放系統的穩定性好，可靠性高。

表1 織物導電連接件的耐久性能和水洗性能測試

6 結語

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

(2)隨機挑選了3名在校本科生，對用織物導電連接件制作的音樂電子服裝進行實際穿著試驗以及洗滌試驗。試驗表明：織物導電連接件的耐久性和耐水洗性能良好，能滿足服裝在日常生活中的實際要求。設計制作的織物導電連接件可以應用于電子服裝領域。

［1］PAULA Gould.Textiles gain intelligence［J］.Materials Today，2003，6(10)：38-43.

［2］黃雅婷.新型電子智能紡織品［J］.印染，2011(11)：50-52.

［3］李小蘭.智能纖維與智能紡織品概述［J］.環球紡織，2009，37(6)：382-384.

［4］吳迪，張如全，李德駿.一種音樂電子服裝：中國，201220480838.1［P］.2013-03-20.

［5］于偉東.紡織材料學［M］.北京：中國紡織出版，2010：200-201.

［6］蔡陛霞.織物結構與設計［M］.北京：中國紡織出版社，2008：29-30.