CN108385257A - 一种可拉伸织物电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可拉伸织物电路，所述可拉伸织物电路为由非导电纱线和至少一根导电纱线经弯曲成圈并相互串套而成的针织结构，其中所述导电纱线为包芯纱结构，所述导电纱线的纱芯部分导电，纱芯外围均匀而紧密包覆有非导电的纺织短纤维。

Description

一种可拉伸织物电路

技术领域

本发明涉及一种以纺织材料为基体的、面向可穿戴电子产品的可拉伸柔性电路，属于柔性电路技术领域。

背景技术

织物电路是以柔性织物为基体，利用织入织物中的导电线路(包括金属丝、导电聚合物及其它导电纤维材料等)或印刷、涂覆于织物表面的导路实现承载或连接于其上的电子器件的电能与电信号传输的柔性电路。织物电路因其柔软、轻质透气、可拉伸弯曲、成本低、可规模化生产等优点，且能够顺应人体三维体表，并与皮肤紧密贴合，因此将其用于承载和连接传感器、控制器、电池等以制造柔性可穿戴电子设备及智能服装，用于人体生理讯号的监测。例如，Li等人报道了一种针织结构、以直径50μm、涂覆有聚氨酯涂层的铜丝作为导线的织物电路(Li Q，Tao XM.P Roy Soc A-Math Phy，2014，470：20140472)。由于在该织物电路中铜丝被弯曲成圈状，并与弹力复合纱串套在一起，当织物电路经受大幅度单向拉伸、三维顶压和多次循环拉伸应变时，铜丝承受极小的应变，故可使织物电路内部电阻基本维持不变。但是在该织物电路的制造过程中，铜丝是与弹力复合纱并行喂入编织机，因此该织物电路存在以下问题：第一，铜丝裸露在织物电路表面(如图1所示)，在织物电路的加工或使用过程中受到外界硬物冲击作用时易造成损坏，导致其正常功能受到破坏；第二，尽管铜丝外表包覆有聚氨酯涂层，但其厚度极小(仅3μm左右)，在穿着过程中织物电路与外界物体之间将经历长时间的接触、摩擦作用，聚氨酯涂层容易脱落，则当织物电路经历变形时相邻圈状导线有较高的几率发生接触而导致短路；第三，铜丝裸露在外，使得穿着时美观度较差，同时易对人体皮肤造成不舒适感。

发明内容

本发明解决的技术问题是：因金属导线或镀有金属的导线裸露在织物电路表面而导致的耐冲击与耐磨损性能差、易短路、美观度与穿着舒适性差。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种可拉伸织物电路，其特征在于，所述可拉伸织物电路为由非导电纱线和至少一根导电纱线经弯曲成圈并相互串套而成的针织结构，导电纱线为仅纱芯部分导电的包芯纱结构，所述包芯纱结构的纱芯部分由以下项中的至少一项构成：金属丝、漆包金属丝、镀金属的长丝、镀金属的纱线，导电纱线的纱芯部分外围均匀而紧密包覆有非导电的纺织短纤维。

优选地，所述针织结构包括以下项中的至少一项：平纹针织结构、罗纹针织结构、双反面针织结构。

优选地，所述非导电纱线为弹力长丝与以下项中的至少一项构成的复合纱：长丝、长丝纱、纺织短纤维、短纤纱。

优选地，所述复合纱包括以下项中的至少一项：包芯纱、包缠纱、并捻纱、包绕纱。

优选地，所述弹力长丝为氨纶丝。

本发明通过采用具有包芯纱结构、导电纤维位于纱芯、外围均匀而紧密包覆有非导电的纺织短纤维的导电纱线替代裸露的导电纤维，形成具有由非导电纱线和导电纱线经弯曲成圈并相互串套而形成的针织结构的可拉伸织物电路，能够对导电线路进行有效的防护，提升导电线路的耐冲击与耐磨损性能，防止织物电路经历变形时相邻圈状导线发生接触而导致短路，同时有效提升其穿着美观性与舒适性。

附图说明

图1来自于文献Li Q，Tao XM.P Roy Soc A-Math Phy，2014，470：20140472，表示现有的具有针织结构、以直径50μm、涂覆有聚氨酯涂层的铜丝作为导线的织物电路的电子显微照片；

图2为实施例1中可拉伸织物电路的结构示意图；

图3为实施例1中漆包铜丝的电子显微照片；

图4为实施例1中导电包芯纱表观结构的电子显微照片；

图5为实施例1中导电包芯纱横截断面的光学显微照片；

图6为实施例1中氨纶包覆纱在松弛状态下的电子显微照片；

图7为实施例1中氨纶包覆纱拉伸至其松弛状态长度2倍时的电子显微照片；

图8为实施例1中可拉伸织物电路线圈结构的电子显微照片；

图9为实施例1中沿可拉伸织物电路的线圈横列方向进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程；

图10为实施例1中沿可拉伸织物电路的线圈纵行方向进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程；

图11为实施例1中可拉伸织物电路在三维圆球顶压变形测试中的拉力与电阻随应变的变化过程；

图12为实施例1中耐磨测试后导电包芯纱附近的可拉伸织物电路样本表观结构的电子显微照片；

图13为实施例1中耐磨测试后可拉伸织物电路样本中导电包芯纱表观结构的电子显微照片；

图14为图13示出的导电包芯纱另一个线圈的圈柱部分在耐磨测试后的电子显微照片；

图15为实施例1中可拉伸织物电路样本的电阻在耐磨测试过程中的变化情况；

图16为实施例1中可拉伸织物电路样本的电阻在循环拉伸测试中的变化情况；

图17为实施例2中氨纶包芯纱拉伸至其松弛状态长度3倍时的光学显微照片；

图18为实施例2中沿可拉伸织物电路的线圈横列方向进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程；

图19为实施例2中沿可拉伸织物电路的线圈纵行方向进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程；

图20为实施例2中可拉伸织物电路在三维圆球顶压变形测试中的拉力与电阻随应变的变化过程；

图21为实施例2中耐磨测试后导电包芯纱附近的可拉伸织物电路样本表观结构的电子显微照片；

图22为实施例2中耐磨测试后可拉伸织物电路样本中导电包芯纱表观结构的电子显微照片；

图23为实施例2中可拉伸织物电路样本的电阻在耐磨测试过程中的变化情况；

图24为实施例2中可拉伸织物电路样本的电阻在循环拉伸测试中的变化情况；

图25为实施例3中可拉伸织物电路的结构示意图；

图26为实施例3中将柔性传感器连接到可拉伸织物电路的导电纱线的布置；

图27为实施例4中可拉伸织物电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

图2至图16示出了本发明的第一实施例。其中，图2示出了本实施例的可拉伸织物电路8的结构示意图。可拉伸织物电路8由非导电纱线与一根导电纱线经弯曲成圈并相互串套而形成1×1罗纹针织结构，使用平型纬编针织机编织而成。可拉伸织物电路8中所使用的导电纱线为以漆包铜丝10为芯丝、外围均匀而紧密包缠有粘胶短纤维7的包芯纱5。图3示出了漆包铜丝10的电子显微照片。在本实施例中，漆包铜丝10的芯部直径为50μm，外表面涂覆有厚度为5μm的聚氨酯涂层。漆包铜丝10单位长度的电阻为8.8Ω·m^-1。粘胶短纤维7的切断长度为38mm，线密度为1.5dtex。导电包芯纱5采用申请公布日为2017.12.22、申请公布号为CN 107503004 A、名称为《一种可生产金属丝包芯纱的喷气涡流纺纱装置及方法》的中国发明专利申请所公开的装置与方法制造而成。图4示出了采用上述原料与方法制造而成的导电包芯纱5表观结构的电子显微照片，从中可以看出导电包芯纱5包含有两个短纤维层4和11，其中位于芯部的短纤维11与纱线5轴线平行，没有捻度，其被位于外层的呈螺旋构型的短纤维4所均匀包缠。漆包铜丝10完全被埋藏在位于芯部的短纤维11内部。图5示出了导电包芯纱5横截断面的光学显微照片，其清晰地显示，导电包芯纱5为复合结构，漆包铜丝10位于纱线5的芯部，其外部包覆有沿纱线5轴线方向的短纤维11，在它们的外部紧密包覆有一层包缠纤维4。这显示出本实施例中的导电包芯纱5具有优良的包覆结构，即外包短纤维4和11均匀包缠在导电芯丝10的外侧，导电芯丝10不易偏离纱体中心和外露，可保证其不受磨损。在本实施例中，非导电纱线为氨纶包覆纱2，其中氨纶丝1为4f，单丝直径为25μm，外包纤维为涤纶变形复丝6，为36f，单丝直径为20μm。图6示出了氨纶包覆纱2在松弛状态下的电子显微照片。图7示出了氨纶包覆纱2拉伸至其松弛状态长度2倍时的电子显微照片。图8示出了本实施例中采用机号为16的平型纬编针织机编织成的可拉伸织物电路8线圈结构的电子显微照片。由图中可以看出，在本实施例的可拉伸织物电路8中，经编织后形成线圈结构的导电包芯纱5仍然保持优良的包覆结构，外包短纤维4和11仍然均匀包缠在位于芯部的铜丝10的外侧，铜丝10未偏离纱体中心与外露，表明编织过程不会对导电包芯纱5的结构产生影响。

对本实施例的可拉伸织物电路8在单向拉伸作用下的电力学性能进行测试，以评估其适应拉伸变形的能力。采用本领域所公知的织物拉伸仪进行测试，测试时使用的可拉伸织物电路8的样本的尺寸为90mm×25mm，初始隔距为30mm，单向拉伸速度为800mm·min^-1，测试过程中织物电路8的电阻同时用万用表进行记录。图9示出了沿织物电路8的线圈横列方向进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程。测试表明可拉伸织物电路8的断裂应变达到了1065％，漆包铜丝10在可拉伸织物电路8处于0-425％应变范围之内其电阻维持不变，在织物电路8的应变超过425％的范围之内其电阻随应变单向增加，当织物电路8的应变达到958％时漆包铜丝10被拉断而无法继续工作，漆包铜丝10被拉断之前的相对电阻变化((测试后电阻-测试前电阻)/测试前电阻×100％)为2.09％。图10示出了沿织物电路8的线圈纵行方向进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程。测试表明织物电路8的断裂应变达到415％，漆包铜丝10在织物电路8处于0-132％应变范围之内其电阻维持不变，在织物电路8的应变超过132％的范围之内其电阻随应变单向增加，当织物电路8的应变达到265％时漆包铜丝10被拉断而无法继续工作，漆包铜丝10被拉断之前的相对电阻变化为1.49％。因此可以知道，可拉伸织物电路8承受线圈横列方向拉伸时其能够正常工作的应变范围是0-425％，承受线圈纵行方向拉伸时其能够正常工作的应变范围是0-132％。

对本实施例的可拉伸织物电路8在三维圆球顶压作用下的电力学性能进行测试，以评估其适应三维变形的能力。采用本领域所公知的织物顶破强力仪进行测试，测试中将织物电路8的样本用内径为44.45mm的环状夹具进行夹持，使用直径为25.4mm的磨光不锈钢球以300mm·min^-1的移动速度对织物电路8的样本进行顶压，测试过程中织物电路8的电阻同时用万用表进行记录。图11示出了可拉伸织物电路8在三维圆球顶压变形测试中的拉力与电阻随应变的变化过程。测试表明可拉伸织物电路8被顶破时的应变达到了410.54％，漆包铜丝10在织物电路8处于0-300％应变范围之内其电阻维持不变，在织物电路8的应变超过300％的范围之内其电阻随应变单向增加，而漆包铜丝10在织物电路8被顶破的同时被拉断而无法继续工作，漆包铜丝10被拉断之前的相对电阻变化为0.74％。因此可以知道，可拉伸织物电路8承受三维变形时其能够正常工作的应变范围是0-300％。

对本实施例的可拉伸织物电路8的耐磨性能进行测试，以评估其耐用性与电学稳定性。采用本领域所公知的织物平磨仪按照马丁代尔法进行测试，磨料选用直径140mm的标准机织毛毡，织物电路8的样本直径为50mm，与磨料实际发生摩擦的圆形样本区域直径为30mm，测试中对样本进行10000次摩擦，测试过程中织物电路8的电阻同时用万用表进行记录。图12至14示出了耐磨测试后织物电路8的电子显微照片。其中，图12示出了耐磨测试后导电包芯纱5附近的织物电路8样本的表观结构，并显示出导电包芯纱5线圈附近的涤纶变形复丝6的损耗较为严重，以至于在织物电路8样本上形成了贯穿的孔洞12，但导电包芯纱5仍然呈线圈状与氨纶包覆纱2紧密地交织。图13示出了图12所示导电包芯纱5线圈经进一步放大的电子显微照片，该图显示出导电包芯纱5中对铜丝10进行包缠的短纤维4和11在耐磨测试后发生了位移、变形甚至损伤，以至于铜丝10从包芯纱5中露出，但铜丝10未受到任何机械损伤，仍然完好无损。图14示出了耐磨测试后该导电包芯纱5另一个线圈的圈柱部分的电子显微照片，可以观察到铜丝10仍然被外围的短纤维4和11完全包缠住，没有从包芯纱5中露出。图15示出了耐磨测试过程中织物电路8样本电阻的变化情况，显示了织物电路8样本在10000次摩擦过程中电阻变化幅度((最大电阻-最小电阻)/最小电阻×100％)仅有0.6％，而测试后相对测试前的电阻变化率为-0.028％((测试后电阻-测试前电阻)/测试前电阻×100％，测试前电阻＝3.977Ω)。测试结果表明织物电路8具有极为优异的耐用性和电学稳定性。

对本实施例的可拉伸织物电路8在循环拉伸作用下的电学性能进行测试，以评估其耐疲劳性能与电学稳定性。测试时使用的织物电路8样本的尺寸为90mm×25mm，其两端为织物拉伸仪的夹具所夹持，初始隔距为40mm，拉伸速度为1100mm·min^-1，拉伸应变为20％，共进行1200000周期的加载-卸载循环测试，拉伸方向分别沿织物电路8的线圈横列与线圈纵行方向，测试过程中织物电路8的电阻同时用万用表进行记录。图16示出了循环拉伸测试中织物电路8样本电阻的变化情况，显示了织物电路8样本在1200000周期沿其线圈横列方向的加载-卸载循环测试中电阻变化幅度仅有0.85％，测试后相对测试前的电阻变化率为0.17％(测试前电阻＝2.9717Ω)，而织物电路8样本在1200000周期沿其线圈纵行方向的加载-卸载循环测试中电阻变化仅有0.89％，测试后相对测试前的电阻变化率为0.26％(测试前电阻＝2.4538Ω)。测试结果表明织物电路8具有极为优异的耐疲劳性能与电学稳定性。

实施例2

图17至图24示出了本发明的第二实施例，相同的物件采用相同的附图标记标识。该实施例与第一实施例不同的地方在于使用的非导电纱线为以氨纶丝1为芯丝、以粘胶短纤维7为外包纤维、采用申请公布日为2017.12.22、申请公布号为CN 107503004 A、名称为《一种可生产金属丝包芯纱的喷气涡流纺纱装置及方法》的中国发明专利申请所公开的装置与方法制造而成的包芯纱3，其中氨纶丝1为5f,单丝直径为45μm，粘胶短纤维7的切断长度为38mm，线密度为1.5dtex。图17示出了采用上述原理与方法制造而成的非导电弹力包芯纱3在拉伸至其松弛状态长度3倍时表观结构的光学显微照片。

对本实施例的可拉伸织物电路8在单向拉伸作用下的电力学性能进行测试，以评估其适应拉伸变形的能力，测试方法与第一实施例相同。图18示出了沿织物电路8的线圈横列方向进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程。测试表明织物电路8的断裂应变达到了480％，漆包铜丝10在织物电路8处于0-265％应变范围之内其电阻维持不变，在织物电路8的应变超过265％的范围之内其电阻随应变单向增加，当织物电路8的应变达到452％时漆包铜丝10被拉断而无法继续工作，漆包铜丝10被拉断之前的相对电阻变化为0.8％。图19示出了沿织物电路8的线圈纵行进行单向拉伸测试中的拉力与电阻随应变的变化过程。测试表明织物电路8的断裂应变达到385％，漆包铜丝10在织物电路8处于0-51％应变范围之内其电阻维持不变，在织物电路8的应变超过51％的范围之内其电阻随应变单向增加，当织物电路8的应变达到184％时漆包铜丝10被拉断而无法继续工作，漆包铜丝10被拉断之前的相对电阻变化为0.72％。因此可以知道，可拉伸织物电路8承受线圈横列方向拉伸时其能够正常工作的应变范围是0-265％，承受线圈纵行方向拉伸时其能够正常工作的应变范围是0-51％。

对本实施例的可拉伸织物电路8在三维圆球顶压作用下的电力学性能进行测试，以评估其适应三维变形的能力，测试方法与第一实施例相同。图20示出了织物电路8在三维圆球顶压变形测试中的拉力与电阻随其应变的变化过程。测试表明织物电路8被顶破时的应变达到了290.15％，漆包铜丝10在织物电路8处于0-200％应变范围之内其电阻维持不变，在织物电路8的应变超过200％的范围之内其电阻随应变单向增加，而漆包铜丝10在织物电路8被顶破的同时被拉断而无法继续工作，漆包铜丝10被拉断之前的相对电阻变化为0.2％。因此可以知道，可拉伸织物电路8承受三维变形时其能够正常工作的应变范围是0-200％。

对本实施例的可拉伸织物电路8的耐磨性能进行测试，以评估其耐用性能和电力学稳定性，测试方法与第一实施例相同。图21至22示出了耐磨测试后织物电路样本的电子显微照片。其中，图21示出了耐磨测试后导电包芯纱5附近的织物电路8样本的表观结构，并显示出导电包芯纱5线圈周围的非导电弹力包芯纱3的损耗较为严重，但导电包芯纱5仍然呈线圈状与氨纶包芯纱3紧密地交织。图22示出了图21所示导电包芯纱5线圈经进一步放大的电子显微照片，该图显示出导电包芯纱5中对漆包铜丝10进行包缠的短纤维4和11在耐磨测试后发生了位移、变形甚至损伤，以至于铜丝10从包芯纱5中露出，但铜丝10未受到任何机械损伤，仍然完好无损。图23示出了耐磨测试过程中织物电路8样本电阻的变化情况，显示了织物电路8样本在10000次摩擦过程中电阻变化幅度仅有0.65％((最大电阻-最小电阻)/最小电阻×100％)，而测试后相对测试前的电阻变化率为-0.2％((测试后电阻-测试前电阻)/测试前电阻×100％，测试前电阻＝3.6427Ω)。测试结果表明织物电路8具有极为优异的耐用性和电学稳定性。

对本实施例的可拉伸织物电路8在循环拉伸作用下的电学性能进行测试，以评估其耐疲劳性能与电学稳定性，测试方法与第一实施例相同。图24示出了循环拉伸测试中织物电路8样本电阻的变化情况，显示了织物电路8样本在1200000周期沿其线圈横列方向的加载-卸载循环测试中电阻变化幅度仅有0.96％，测试后相对测试前的电阻变化率为-0.01％(测试前电阻＝2.8041Ω)，而织物电路8样本在1200000周期沿其线圈纵行方向的加载-卸载循环测试中电阻变化幅度仅有0.9％，测试后相对测试前的电阻变化率为0.19％(测试前电阻＝1.8506Ω)。测试结果表明织物电路8具有极为优异的耐疲劳性能与电学稳定性。

实施例3

图25至26示出了本发明的第三实施例，相同的物件采用相同的附图标记标识。该实施例与第一实施例不同的地方在于织物电路8中的导电包芯纱5为二根，而且铜丝10外表面未涂覆有聚氨酯涂层。图25示出了本实施例的可拉伸织物电路8的结构示意图。图26示出了将柔性传感器9连接到织物电路8的导电纱线5的布置。

实施例4

图27示出了本发明的第四实施例，即示出了本实施例的可拉伸织物电路8的结构示意图，相同的物件采用相同的附图标记标识。该实施例与第三实施例不同的地方在于织物电路8中导电包芯纱5采用本领域所公知的环锭纺纱方法制造而成，而且织物电路8的结构为平纹针织结构。

Claims (5)

1.一种可拉伸织物电路，其特征在于，所述可拉伸织物电路为由非导电纱线和至少一根导电纱线经弯曲成圈并相互串套而成的针织结构，导电纱线为仅纱芯部分导电的包芯纱结构，所述包芯纱结构的纱芯部分由以下项中的至少一项构成：金属丝、漆包金属丝、镀金属的长丝、镀金属的纱线，导电纱线的纱芯部分外围均匀而紧密包覆有非导电的纺织短纤维。

2.根据权利要求1所述的一种可拉伸织物电路，其特征在于，所述针织结构包括以下项中的至少一项：平纹针织结构、罗纹针织结构、双反面针织结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种可拉伸织物电路，其特征在于，所述非导电纱线为弹力长丝与以下项中的至少一项构成的复合纱：长丝、长丝纱、纺织短纤维、短纤纱。

4.根据权利要求3所述的一种可拉伸织物电路，其特征在于，所述复合纱包括以下项中的至少一项：包芯纱、包缠纱、并捻纱、包绕纱。

5.根据权利要求3或4所述的一种可拉伸织物电路，其特征在于，所述弹力长丝为氨纶丝。