電子織物信號(hào)傳輸電纜扁平化可拉伸織帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

江涵洋 楊旭東 胡吉永

東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620

在電子紡織品系統(tǒng)中,電子元件之間實(shí)現(xiàn)可靠電氣傳輸而不發(fā)生任何中斷是極其重要的,因?yàn)榇祟惢ミB是向電子元件供電或傳輸數(shù)字/模擬信號(hào)的途徑。除輸電線路的電氣特性外,理想的互連集成電子紡織品應(yīng)具有良好的舒適性,而傳統(tǒng)方法雖能提供可靠的連接機(jī)制,但同時(shí)也犧牲了電子紡織品的舒適性。傳統(tǒng)電纜的主要不足是其剛度高,這將導(dǎo)致電子紡織品用戶對(duì)電纜存在的感知能力增加,此類產(chǎn)品基于人體工程學(xué)的舒適性大幅降低。編織導(dǎo)電線替代傳統(tǒng)電纜,可提供更高級(jí)別的集成[1]。

紡織電線/電纜的制備基于適合紡織加工的導(dǎo)電材料。常用的導(dǎo)電材料有導(dǎo)電絲/紗線、導(dǎo)電層和導(dǎo)電長(zhǎng)絲3種,其電導(dǎo)率通常為0.01～500 Ω/m。為滿足導(dǎo)電服裝的舒適性和日常活動(dòng)的協(xié)同性,多采用機(jī)織、針織、縫紉和刺繡等工藝將導(dǎo)電絲/紗線引入紡織品中,替代傳統(tǒng)的紡織電線/電纜。

在可穿戴紡織品的電力傳輸過程中,通常采用紡織品與金屬導(dǎo)線相結(jié)合的形式作為傳輸線纜,且為盡可能提高智能可穿戴紡織品的舒適性,提升織物的拉伸性能,并減小其幅寬,降低異物感,通常將彈性金屬導(dǎo)線織入織帶中?，F(xiàn)有技術(shù)中,彈性導(dǎo)線的導(dǎo)電層大多采用編織結(jié)構(gòu),以適應(yīng)彈性線芯達(dá)到彈性伸縮的效果。張仕華等[2]設(shè)計(jì)的彈性多芯導(dǎo)電線,是在彈性線芯外包多股線材實(shí)現(xiàn)的,外包線至少包括一股導(dǎo)線和一股非導(dǎo)線,非導(dǎo)線線材主要為導(dǎo)線提供抗壓、耐磨功能。張仕華等[3]通過設(shè)計(jì)織物結(jié)構(gòu),將導(dǎo)電線材按照預(yù)置形狀,沿織物長(zhǎng)度方向延伸,以獲得更高的抗拉能力。陳勇康等[4]在通用串行總線(USB)傳輸線上設(shè)置螺旋狀卡柱和卡槽,賦予USB傳輸線伸縮功能,方便其日常收納。目前,盡管已有文獻(xiàn)對(duì)這些可拉伸織帶進(jìn)行了報(bào)道,但鮮有研究具體探討它們的信號(hào)傳輸性能及力學(xué)性能。

結(jié)合上述研究,為賦予信號(hào)傳輸線及織物良好舒適性并克服前述問題,本文通過設(shè)計(jì)信號(hào)傳輸紗線及織物的結(jié)構(gòu),將傳統(tǒng)電纜扁平織帶化,并對(duì)所得可拉伸電纜織帶的力學(xué)性能與信號(hào)傳輸性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 電纜扁平化織帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備

1.1 織帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)圓形電纜的扁平化設(shè)計(jì)主要采用傳輸線在平面內(nèi)平行排列的方案,據(jù)此本文提出傳輸線為經(jīng)紗的窄幅織帶結(jié)構(gòu)。為提高信號(hào)傳輸線的耐磨性,將導(dǎo)線完全包覆在織物中是最佳選擇,管狀織物結(jié)構(gòu)可滿足這一要求。此外,管狀雙層織物相較普通結(jié)構(gòu)織物而言,具有強(qiáng)度大,彈性與懸垂性好等特征[5]。為此,本文在傳輸導(dǎo)線所在位置設(shè)計(jì)管狀雙層織物結(jié)構(gòu),即形成普通單層與管狀雙層結(jié)構(gòu)交替的復(fù)合織物結(jié)構(gòu),其中導(dǎo)線部分為管狀雙層結(jié)構(gòu),非導(dǎo)線部分為平紋單層結(jié)構(gòu)。形成的可拉伸電纜織帶示意圖如圖1所示。

圖1 可拉伸電纜織帶示意圖

1.2 材料與制備

為實(shí)現(xiàn)織帶經(jīng)向的可拉伸性,分別以滌綸/氨綸包纏紗作為非導(dǎo)線經(jīng)紗,銅絲漆包線/氨綸包纏紗作為導(dǎo)電經(jīng)紗,普通滌綸紗作為緯紗,制備可拉伸電纜織帶。

1.2.1 非導(dǎo)線部分的制備

氨綸具有優(yōu)異的彈性,通常情況下可拉伸至原先的4～7倍[6]。在東華大學(xué)HKV141A(II)型包覆絲機(jī)上,以93.33 tex(840 D)氨綸為芯紗,采用16.67 tex(150 D)滌綸進(jìn)行外包纏。氨綸芯紗和滌綸包纏紗分別為可拉伸電纜織帶提供拉伸回復(fù)性和柔軟性。

1.2.2 導(dǎo)線部分的制備

為實(shí)現(xiàn)電纜織帶的經(jīng)向可拉伸性,在小樣包纏機(jī)上以124.44 tex(1 120 D)的氨綸纖維為芯紗,將8根直徑為0.06 mm的銅絲漆包線合股后,對(duì)芯紗進(jìn)行包纏處理,制作可拉伸電纜織帶的導(dǎo)線。包纏紗制備工藝中常用的拉伸比為2.5～4.0,捻度為900 捻/m。為避免下機(jī)后芯紗回縮過多導(dǎo)致氨綸絲在包纏紗表面凸起不均勻,設(shè)置牽伸比為2.5,得到的包纏紗捻度為942 捻/m,與預(yù)設(shè)捻度(900 捻/m)相差4.67%。

1.2.3 可拉伸電纜織帶的制備

使用SGA598型半自動(dòng)小樣織布機(jī)織制可拉伸電纜織帶。圖2為可拉伸電纜織帶的上機(jī)圖,圖上紅色部分代表2根金屬包纏紗導(dǎo)線,綠色與藍(lán)色部分分別代表織物下層與上層。由于外包紗線的模量不同,拉伸性能也相差較大,上機(jī)過程中將導(dǎo)線與非導(dǎo)線經(jīng)紗分別固定在不同的經(jīng)軸上。可拉伸電纜織帶織制時(shí),需確保上機(jī)過程中經(jīng)紗張力均勻。預(yù)設(shè)織帶幅寬為1.00 cm,且已知氨綸紗的牽伸倍數(shù)約為2.5[7],因此將緯向密度設(shè)置為經(jīng)向的2.5倍,即經(jīng)向密度160 根/(10 cm)、緯向密度400 根/(10 cm)。參考文獻(xiàn)資料,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),將緯紗織縮率設(shè)置為2%[8],每筘穿入3 根經(jīng)紗,據(jù)此確定采用齒號(hào)為30號(hào)的筘齒進(jìn)行上機(jī)織制,其中上機(jī)穿筘幅寬為1.02 cm。

圖2 可拉伸電纜織帶上機(jī)圖

1.3 性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

1.3.1 結(jié)構(gòu)形貌

為評(píng)價(jià)下機(jī)后可拉伸電纜織帶的成形性,使用HDMI200C-B型電子顯微鏡對(duì)試樣的表面形貌進(jìn)行觀察,并采用Image J 軟件測(cè)量紗線直徑與可拉伸電纜織帶的經(jīng)緯密度。

1.3.2 力學(xué)性能

為探究金屬漆包線在包覆和上機(jī)后彈性回復(fù)性能的變化,參考FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗(yàn)方法》和ASTM D3107-2003《彈性機(jī)織物拉伸及彈性回復(fù)性測(cè)試》,采用YG061F型電子單紗強(qiáng)力儀測(cè)試單根金屬包纏紗和可拉伸電纜織帶的定長(zhǎng)拉伸回復(fù)比。將拉伸速度設(shè)置為250 mm/min,測(cè)試單根金屬包纏紗和可拉伸電纜織帶在定長(zhǎng)拉伸15%情況下的回復(fù)率。試樣長(zhǎng)度為250 mm。

1.3.3 電學(xué)性能與傳輸性能

導(dǎo)電紗線的線性電阻用于表征規(guī)定長(zhǎng)度內(nèi)紗線對(duì)通過的電流所產(chǎn)生的阻力[9]。導(dǎo)電性能通常用電阻值表征,導(dǎo)電性能好壞與電阻值大小成反比。本文參考實(shí)際應(yīng)用所需的導(dǎo)線長(zhǎng)度,通過對(duì)比相同長(zhǎng)度銅絲漆包線在伸直狀態(tài)、螺旋包纏至氨綸紗外及作為可拉伸導(dǎo)線織入織帶中這3種不同狀態(tài)下的電阻大小,比較和評(píng)價(jià)包纏形態(tài)及織入織帶后電纜導(dǎo)電性能的差異。使用PROVA-901型萬用表分別測(cè)試上述相同長(zhǎng)度3種不同狀態(tài)導(dǎo)線的電阻。每塊試樣測(cè)量5次,結(jié)果取平均值。

根據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,對(duì)比原波形和通過導(dǎo)線后的波形,分析比較信號(hào)幅值衰減和傳輸延遲時(shí)間。信號(hào)幅值衰減較小,意味著傳播過程中信號(hào)損耗較少,信號(hào)較強(qiáng)。在傳輸線上的延遲時(shí)間是指信號(hào)通過整個(gè)傳輸線所用的時(shí)間。對(duì)于相同長(zhǎng)度的傳輸線而言,信號(hào)傳輸延遲時(shí)間越短說明傳輸速度越快。帶寬是指在允許的衰減范圍內(nèi)模擬輸入前端允許通過的最大頻率信號(hào)的范圍,在這個(gè)頻率范圍內(nèi),輸入信號(hào)通過模擬前端幅值衰減最小。帶寬是表征電信號(hào)傳輸性能的重要指標(biāo),帶寬高,意味著系統(tǒng)的處理能力高。帶寬大小通常為正弦信號(hào)衰減至原振幅的0.707時(shí)的頻率[10]16。

通過測(cè)量銅絲漆包線3種狀態(tài)下的電壓幅值衰減、傳輸延遲時(shí)間和帶寬大小,評(píng)價(jià)電纜在扁平織帶化過程中的傳輸性能差異。

使用Hantex DSO3004型虛擬示波器,分別測(cè)試相同長(zhǎng)度下,3種不同狀態(tài)銅絲漆包線的電壓幅值衰減和傳輸延遲時(shí)間。由Hantex DSO3004型虛擬示波器發(fā)射頻率為1 kHz、電壓為1 V的正弦波和方波。通過Keysight DSOX3014T型示波器分析輸入波形,并計(jì)算電壓幅值和傳輸延遲時(shí)間,每根銅絲漆包線測(cè)試5次,結(jié)果取平均值。銅絲漆包線傳輸延遲測(cè)試示意圖如圖3所示。

圖3 銅絲漆包線傳輸延遲測(cè)試示意圖

2 結(jié)構(gòu)與討論

2.1 形貌分析

單根金屬包纏紗的表面形貌如圖4所示?？梢钥闯?合股漆包線包纏在氨綸紗表面,金屬紗節(jié)距為(1.057±0.042)cm,實(shí)現(xiàn)了均勻包纏。

圖4 單根金屬包纏紗形態(tài)

可拉伸電纜織帶下機(jī)后的外觀形態(tài)如圖5。下機(jī)后測(cè)得織帶幅寬為(1.11±0.04)cm。按照式(1)和式(2)計(jì)算得織帶下機(jī)幅寬(實(shí)際幅寬)與上機(jī)穿筘幅寬(1.02 cm)相差8.82%,與預(yù)期幅寬(1.00 cm)相差約11.00%。

圖5 可拉伸電纜織帶外觀形態(tài)與局部結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

織帶實(shí)際經(jīng)向密度為(179.00±0.04)根/(10 cm),緯向密度為(500.00±0.71) 根/(10 cm),與預(yù)設(shè)值分別相差12.50%和250.00%?？棊У膶?shí)際經(jīng)向密度與預(yù)設(shè)值相差較大,是由于總經(jīng)紗根數(shù)不變,而實(shí)際幅寬與預(yù)設(shè)幅寬差異較大導(dǎo)致的。上機(jī)過程中織帶的緯向密度預(yù)設(shè)值為204 根/(10 cm),經(jīng)紗牽伸倍數(shù)約為2.5,下機(jī)后經(jīng)紗回縮,導(dǎo)致織物緯向密度增大至上機(jī)時(shí)的約2.5倍,與實(shí)際緯向密度值基本相符。測(cè)試結(jié)果顯示,織帶實(shí)際經(jīng)向密度與預(yù)設(shè)值相差較大,說明上機(jī)過程中應(yīng)進(jìn)一步減小打緯密度,或適當(dāng)減小經(jīng)紗的牽伸比。

可拉伸電纜織帶表面金屬包覆紗的露芯率約為0.05%,表明該織物結(jié)構(gòu)能基本實(shí)現(xiàn)金屬包覆紗的完全包覆。露芯是由于可拉伸電纜織帶導(dǎo)線的部分金屬絲包覆不均勻,在氨綸表面突起,織帶下機(jī)回縮后從織帶縫隙中擠出導(dǎo)致的。

2.2 力學(xué)性能分析

導(dǎo)線和非導(dǎo)線部分經(jīng)紗及可拉伸電纜織帶在15%的定長(zhǎng)拉伸下的彈性回復(fù)率如圖6所示?？梢钥闯?非導(dǎo)線部分經(jīng)紗(滌綸包覆紗)的彈性回復(fù)率最大,對(duì)比導(dǎo)線部分經(jīng)紗(金屬包覆紗)和可拉伸電纜織帶的彈性回復(fù)率發(fā)現(xiàn),上機(jī)后可拉伸電纜織帶的彈性回復(fù)率略有下降。

圖6 可拉伸電纜織帶及其經(jīng)紗的彈性回復(fù)率

金屬絲因彈性模量較小,拉伸后容易產(chǎn)生塑性形變,在一定程度上削弱了包覆紗的彈性回復(fù)率,同時(shí)這也說明可拉伸電纜織帶的彈性回復(fù)性主要由滌綸包覆紗提供。此外,上機(jī)時(shí)經(jīng)紗的卷曲率較大,打緯時(shí)緯密也較大,織帶表面沿經(jīng)紗方向的回復(fù)空間小,故可拉伸電纜織帶的定長(zhǎng)拉伸回復(fù)率也較單根經(jīng)紗小。

劉詠梅等[11]織制了針織柔性石墨烯傳感帶,在15%的定長(zhǎng)拉伸下,這種傳感帶的彈性回復(fù)率為98.90%,與本文可拉伸電纜織帶的91.86%相比,彈性回復(fù)率更大。原因可能是針織物本身的延伸性大、彈性好,在相同原料和織物規(guī)格條件下,針織物拉伸回復(fù)性普遍高于機(jī)織物,但針織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線易磨損,因而不適用于本文可拉伸電纜織帶的制備。

2.3 傳輸性能分析

2.3.1 電阻

圖7為3種不同狀態(tài)下銅絲漆包線的電阻大小?？梢钥闯?3種不同狀態(tài)下銅絲漆包線的電阻未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律,且三者的電阻值差異較小,不超過1.5%,說明銅絲漆包線在扁平織帶化過程中導(dǎo)電性未產(chǎn)生較大的損失。

圖7 銅絲漆包線在不同狀態(tài)下的電阻值

由圖7可以看出,本文制備的可拉伸電纜織帶的電阻值為0.992 Ω。將本文3種形態(tài)銅絲漆包線與Choi等[12]2制備的滌綸外包銀復(fù)合股線,以及Atakan等[13]制備的鍍銀滌綸紗刺繡復(fù)合導(dǎo)線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示,上述兩種傳輸導(dǎo)線的電阻均為本文銅絲漆包線電阻的35倍以上,可見本文3種形態(tài)銅絲漆包線的導(dǎo)電性均較好。理論上,相同環(huán)境下銀材料傳輸速率優(yōu)于銅材料,但由于采用了與滌綸合股、在織物表面鍍層及刺繡等方式,文獻(xiàn)中所得傳輸導(dǎo)線的導(dǎo)線部分易受磨損甚至脫落剝離,主要表現(xiàn)為導(dǎo)線的橫截面減小,導(dǎo)電性能產(chǎn)生較大的損耗。這也進(jìn)一步表明,本文將導(dǎo)線管狀雙層包覆于織物中的方法具有必要性和可行性。

2.3.2 電壓幅值衰減

圖8為銅絲漆包線在3種不同狀態(tài)下的電壓幅值?？梢钥闯?3種不同狀態(tài)下銅絲漆包線的電壓幅值未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律,電壓幅值均出現(xiàn)在0.96 V左右,且電壓幅值變化幅度較小,可拉伸電纜織帶的電壓幅值衰減0.125%,符合電壓幅值衰減≤5%的要求。電壓幅值衰減較小,意味著傳播過程中信號(hào)的損耗少,信號(hào)較強(qiáng),反映可拉伸電纜織帶具有較好的電壓傳輸性能。

圖8 銅絲漆包線在不同狀態(tài)下的電壓幅值

2.3.3 傳輸延遲時(shí)間

圖9為3種不同狀態(tài)銅絲漆包線的傳輸延遲時(shí)間?？梢钥闯?隨著漆包線的螺旋化、扁平織帶化,其傳輸延遲時(shí)間逐漸減小。對(duì)比相同長(zhǎng)度相同規(guī)格伸直狀態(tài)的銅絲漆包線發(fā)現(xiàn),漆包線在螺旋狀態(tài)下的傳輸延遲時(shí)間比在伸直狀態(tài)下的縮短52.16%,而可拉伸電纜織帶的的傳輸延遲時(shí)間縮短得更為明顯,相較伸直狀態(tài)下漆包線的縮短了59.19%。由于兩根導(dǎo)線被平行編織于可拉伸電纜織帶中,相鄰兩根導(dǎo)線之間產(chǎn)生串?dāng)_作用,造成其與單根導(dǎo)線相比傳輸延遲時(shí)間縮短[14]。將導(dǎo)線織入可拉伸電纜織帶后,信號(hào)傳輸延遲時(shí)間縮短,單線延時(shí)約為1.57 ns/m,在導(dǎo)線長(zhǎng)度相同(1.2 m)的情況下,可拉伸電纜織帶的傳輸延遲時(shí)間均不超過1.58 ns/m,符合傳輸要求。

圖9 銅絲漆包線在不同狀態(tài)下的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間

Choi等[12]5制備出7.78 tex(70 D)的滌綸/銀復(fù)合紗,結(jié)果表明,8股銀絲合股與滌綸復(fù)合后得到的傳輸線的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間約為36 ns/m。該滌綸/銀復(fù)合紗由于是通過加捻工藝合股而成的,與本文的螺旋包纏方式相比,相鄰金屬絲的間距較小,且相同情況下銅材料的傳輸速率大于銀材料,故本文3種不同狀態(tài)銅絲漆包線的傳輸延遲時(shí)間更短,信號(hào)傳輸速度更快。

2.3.4 帶寬

圖10為波形分別通過3種不同狀態(tài)銅絲漆包線的帶寬?？梢钥闯?可拉伸電纜織帶的帶寬與伸直狀態(tài)下銅絲漆包線的帶寬相差約13.6%。隨著漆包線螺旋化、扁平織帶化,帶寬呈逐漸降低的趨勢(shì)。導(dǎo)線中通入高頻信號(hào)會(huì)對(duì)相鄰的其他導(dǎo)線產(chǎn)生信號(hào)干擾,引起其他導(dǎo)線中信號(hào)的電壓幅值、相位等發(fā)生變化。導(dǎo)線間距增大時(shí),導(dǎo)線中的信號(hào)受相鄰導(dǎo)線的干擾減小,即相鄰導(dǎo)線受到的干擾與導(dǎo)線間距的變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖10 銅絲漆包線不同狀態(tài)下的帶寬

于燕[10]18以單根銅絲作為導(dǎo)線,發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入信號(hào)頻率約為20 MHz時(shí),信號(hào)發(fā)生增益現(xiàn)象,即單根銅絲的帶寬為20 MHz。而本文中可拉伸電纜織帶的帶寬為19 MHz,相比單根銅絲的下降了5%。這是因?yàn)榭衫祀娎|織帶中的導(dǎo)線呈螺旋狀,且可拉伸電纜織帶為2根導(dǎo)線排列的結(jié)構(gòu),而導(dǎo)線之間會(huì)相互干擾。通常,數(shù)字音頻信號(hào)的帶寬是8 kHz,模擬電話業(yè)務(wù)的帶寬為3 kHz,電視信號(hào)的帶寬是6 MHz[15]。可見,本文可拉伸電纜織帶的帶寬能較好地滿足日常生活中低頻信號(hào)傳輸要求。

3 結(jié)論

(1)本文的可拉伸電纜織帶采用雙層管狀結(jié)構(gòu)織制,下機(jī)后,金屬導(dǎo)線的露芯率為0.05%,表明金屬導(dǎo)線能夠較好地保護(hù)在可拉伸電纜織帶中。在15%定長(zhǎng)拉伸下,可拉伸電纜織帶的彈性回復(fù)率超過90%,下機(jī)后其形態(tài)、力學(xué)性能滿足日常柔軟舒適性要求。

(2)制得的可拉伸電纜織帶電阻值約為0.992 Ω,電壓幅值約為0.96 V,單線傳輸延遲時(shí)間約為1.57 ns/m,帶寬約為19 MHz,表明其電壓傳輸和信號(hào)傳輸性能較好,滿足日常信號(hào)傳輸需求。

(3)制得的可拉伸電纜織帶的電阻與伸直、螺旋包纏狀態(tài)銅絲漆包線的相比,相差均不超過1.5%,電壓幅值衰減不超過0.15%,傳輸延遲時(shí)間不超過1.58 ns/m,且可拉伸電纜織帶的帶寬與伸直狀態(tài)下銅絲漆包線的帶寬相差僅約13.6%。表明可拉伸電纜織帶扁平化過程中,其電力傳輸和數(shù)據(jù)傳輸性能未產(chǎn)生明顯損失,說明本文將電纜織帶扁平化的工藝具有可行性。