不同线迹电路传输线的电阻值及拉伸性能

郑 艳， 张文慧， 郑 茜

(中原工学院 服装学院， 河南 郑州 450007)

电子纺织材料、电子信息技术和人机交互技术的进步推动了服装智能化的发展。随着各类导电纤维及纱线制造技术的成熟，电容式、电感式、压阻式等柔性传感器以及光纤传感器大量应用于纺织服装上，在医疗保健、人体监测及运动等领域满足了人们对服装智能化的需求[1]。目前，各类传感器、电子元件与服装的集成工艺主要有3种类型：物理连接、机械夹持和使用导电黏合剂。柔性、可拉伸的电路传输线是智能服装无缝集成的关键部分，也影响着服装的穿着舒适性，人们利用机织、针织、刺绣和印花等技术设计电路传输线来实现在纺织材料上的柔性电路布线[2-3]。刺绣工艺由于图案设计灵活、制作方法简单，可用于智能可穿戴产品连续电路布局和纺织天线、织物输入键盘的制作[4-6]。缝纫工艺由于可缝制的线迹种类丰富，操作便捷，并且是服装生产过程中必不可少的环节，故采用该工艺缝制导电线来实现智能服装生产受到人们的关注。目前，学者们多是针对导电线的可缝性[7]、不同线迹缝纫布线的电学性能[8-9]以及缝纫工艺参数对织物服用性能的影响[10]等进行研究，而以针织面料为缝制基底，针对不同线迹并在线迹结构的不同位置使用导电线所形成的柔性电路传输线的性能差异，尚未进行系统的研究。

本文以不同线迹，并在线迹结构中不同位置使用镀银导电线来缝制电路传输线，对其电学性能和拉伸性能进行测试和分析，探究使用缝纫工艺缝制形成智能服装电路传输线的可行性，从而为智能可穿戴的柔性一体化连接工艺提供参考。

1 实验

1.1 实验材料与仪器

1.1.1 实验材料

织物：100%棉，幅宽185 cm，平方克重580±10 g/m2，纬平针织结构。

导电线：尼龙纤维镀银99%双股线，Shieldex® 117/17-2 PLY，德国statex公司，电阻值为500±50 Ω/m，线密度为295 dtex。

普通缝纫线：涤纶双股线，沪江线业有限公司，线密度为222 dtex。

1.1.2 实验仪器

本文所使用的实验仪器为平缝机(DDL-9000C，日本JUKI)，链缝机(MH-481，日本JUKI)，包缝机(MO-6716DA，日本JUKI)，绷缝机(MF-7500D，日本JUKI)，全智能数字万用表(VC890C+，深圳驿生胜利科技有限公司)，织物拉伸断裂仪(YG026MD-250，温州方圆仪器有限公司)，全自动透气量仪(YG461E-III，宁波纺织仪器厂)。

1.2 实验设计

线迹不同，缝纫线的相互组合结构会有差异，当使用导电线进行缝制时，缝纫线这种结构的差异化组合方式会造成导电线的接触关系不同，从而影响所缝制电路传输线的电阻值和拉伸性能。根据GB/T 4515-2008《线迹的分类和术语》[11]对线迹的分类，选择具有代表性的锁式线迹、链式线迹、包边线迹和覆盖线迹进行实验。其中，在利用覆盖线迹缝制时，通过设计不同参数的线迹，对导电线在线迹结构的不同位置进行调整和搭配，来完成电路传输线的缝制。不同线迹中导电线位置以及针距设置如表1所示，不同线迹结构的正、反面如图1所示。

表1 不同线迹中导电线位置以及针距Tab. 1 Position of conductive threads and density of stitches

(a) 301-A

(b) 401-A

(c) 514-M

(d) 602-A

(e) 602-B (f) 605-B

(g) 605-M-D

1.3 测试方法

裁剪针织面料条(长×宽：150 mm×50 mm)，每种线迹结构的试样缝制3个样品，用万用表测量每个样品上10 cm电路传输线的电阻值，每个样品测量3个不同位置，取平均值。

作为服装面料的一部分，利用不同线迹缝制的电路传输线强度要满足人体活动的需要，在小范围拉伸过程中应保持稳定的导电性。根据GB/T 3923.1-2013 《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》[12]测定样品的拉伸断裂强度，每种线迹结构的试样准备3个样品进行测试。此外，测试样品在拉伸过程中的电阻值时，以5%伸长率为间隔进行测量(每伸长5%测量1次)，直至线迹中导电线断裂，每种线迹结构的试样准备3个样品进行测试。

根据GB/T 5453-1997 《纺织品 织物透气性的测定》[13]测定样品的透气性，探究缝制的电路传输线对针织面料透气性的影响。利用每种导电线迹在针织面料上缝制2条电路传输线，每条长度为30 cm，电路传输线之间的距离为5 cm。使用YG461E-III全自动透气量仪测试样品的透气率，每个样品测试6个不同位置，取平均值。

2 结果与分析

2.1 线迹结构对电路传输线电阻值的影响

根据电阻值分析不同线迹所缝制电路传输线的导电性，结果如图2所示。由图2可知，514-M、602-B、602-U1、605-D、605-B这5种导电线迹的样品电阻值较大，均超过导电线本身电阻值(50 Ω/10 cm)。除此之外，利用其他线迹缝制的电路传输线电阻值从小到大的排序为：602-A<602-U1-D<401-A<602-D<605-M-D<301-A。从线迹结构角度分析，造成不同线迹电路传输线电阻值差异的原因可能有：①线迹中使用导电线的长度不同，导电线越长，电阻值越大；②不同线迹中导电线构成的交结点(指上、下线交织在一起的相固定的点)的数量和在此处受到的力不同。在导电线迹中，交结点的作用相当于形成“并联电路”，可减小电阻值。在602线迹中，当将导电线用于底线，面线至少使用1条导电线时，导电线的交结点数量较多，相互之间面底线穿套受力较大，故而电阻值较小。根据电阻值比较结果，后面仅对301-A、401-A、602-D、602-U1-D、602-A、605-M-D这6种线迹结构进行研究。

图2 不同线迹电路传输线的电阻值Fig. 2 Resistance value of conductive transmissions with stitch types

导电线的消耗量不但影响电路传输线的电阻值，且因价格昂贵而影响服装生产成本。因此，还需要比较不同线迹结构中导电线的消耗量。导电线的消耗量通过“缝迹-线长比”进行计算。裁剪针织面料条(长×宽：150 mm×50 mm)18条，6种线迹试样各缝制3条样品，量取样品上30 cm线迹长度，将线迹中的面、底线所用导电线拆除并测量，分别记为E上和E下，然后相加并除以30求得单位长度线迹所需导电线用量，即缝线消耗量，用E值表示，即E=(E上+E下)/30。E值越大，表示在缝制相同长度线迹时消耗的导电线越多。

不同线迹与E值电路传输线电阻值如图3所示。由图3可以看出，301-A线迹电路传输线的电阻值最大但E值最小；401-A线迹属于链式线迹，与301-A线迹相比，电路传输线有一定的拉伸性，电阻值与导电线电阻值相近，E值较小；在602-D、602-U1-D、602-A、605-M-D几种线迹样品中，随着所用导电线数量的增加，E值逐渐增大，其中602-A线迹电路传输线电阻值虽然最小，但E值较高。说明利用602-A线迹缝制电路传输线时，虽然可以获得优良的导电性，但是较高的导电线消耗量会带来生产成本的上升。因此，在采用不同线迹缝制电路传输线时，要根据应用环境综合考虑电路传输线的电阻值和导电线的消耗量。

图3 不同线迹电路传输线电阻值与E值Fig. 3 Resistance value and E value of conductive transmissions

2.2 拉伸过程中电路传输线电阻值的稳定性分析

电路传输线应用于智能服装时，需要有一定的可拉伸性以满足人体活动。在有限的拉伸过程中保持电阻值的稳定性是智能可穿戴系统信号稳定传输的重要保证。为了评估不同线迹的电路传输线在拉伸过程中电阻值的稳定性，测试了10 cm长电路传输线在每间隔5%伸长率时的电阻值和所受拉力(电路传输线每伸长5%测量1次)，结果如图4所示。由图4(a)可知，利用602、605线迹缝制的几种电路传输线在伸长率为0～10%时，随着伸长率的增加电阻值略微降低，在伸长率为10%～40%时，电阻值变化不明显，伸长率超过40%后，随着伸长率的增加，电阻值逐渐增加，当超过60%后，电阻值明显升高直至导电线断裂。由图4(b)可知，利用602、605线迹缝制的电路传输线伸长率在10%以内时受力较小，在伸长率为10%～40%时，随着伸长率的增加受力逐渐增加，在伸长率超过40%后，受力明显上升。综合图4可知，在电路传输线的拉伸过程中，随着受力的逐渐增加，电阻值从略微降低到稳定，再到增大，说明在缝制电路传输线时，线迹的交结点和交结点所处的张力对其有影响。而这类覆盖线迹底部的网状结构，有利于电路传输线在具备一定拉伸能力的情况下，保持较为稳定的电阻值。不同线迹电路传输线电阻值拉伸稳定性由强到弱的顺序是：602-U1-D>605-M-D>602-D>602-A>401-A>301-A。

(a) 电路传输线电阻值 (b) 电路传输线拉伸强度图4 拉伸状态下电路传输线的电阻值与拉伸强度Fig. 4 Resistance value and tensile strength of transmissions during stretching

在智能服装动态穿着场景中，使用不同类型覆盖线迹缝制的电路传输线，在拉伸伸长率不超过40%的情况下电阻值变化不大；而利用锁式线迹和链式线迹缝制的电路传输线，只在拉伸伸长率不超过5%的情况下能维持较为稳定的电阻值，且伸长率不到40%就会发生导电线断裂。

2.3 电路传输线对面料强度和透气性的影响

在针织面料上利用不同线迹缝制电路传输线，测试其拉伸强度和透气性可以评估面料的服用性能。根据不同线迹电路传输线电阻值的分析结果，本文选择301-A、401-A、602-A、605-M-D 4种缝制线迹，比较缝制导电线前后针织面料的拉伸断裂强度和透气性，结果见图5。

由图5(a)可知，针织面料(断裂伸长率为79.40%)在缝制电路传输线后，断裂伸长率均有所增加。其中，缝制301-A线迹导电线的针织面料，断裂伸长率为88.54%，增加量最小；而缝制605-M-D线迹导电线的针织面料，断裂伸长率提高到97.76%。说明在针织面料上缝制导电线，一定程度上可以提高面料的断裂伸长率。但利用605-M-D线迹缝制导电线后的面料断裂强力有所下降，原因可能是该线迹是由3根直针穿透面料形成，在缝纫过程中机针会对面料造成一定损伤。后期通过更换与面料匹配的圆头机针，可能会一定程度上缓解这个问题。由图5(b)可知，针织面料(透气率为302.6 mm/s)在缝制不同线迹电路传输线后，材料的透气率并未发生显著变化(P=0.431>0.05)，说明使用这几种线迹进行导电线缝制，不会影响针织面料的透气性。

(a) 拉伸断裂性 (b) 透气率图5 导电线缝制前后面料的拉伸断裂性与透气性Fig. 5 Strength of breaking and air permeability of fabrics before and after stitching

3 结语

选择合适的线迹在面料上缝制电路传输线，是智能服装柔性电路布线的一种操作方法。利用300、400、500以及600系列的常用线迹缝制电路传输线，对其电阻值及拉伸性能进行对比发现，利用602线迹缝制的电路传输线电阻值最小，且伸长率不超过40%时较为稳定，但是导电线消耗量较大。在针织面料上缝制导电线后，面料的断裂伸长率有所提升，透气性不受影响。后期可综合考虑智能服装不同部位的拉伸性、电路传输线的导电性以及生产成本，选择合适的线迹完成电路传输线的缝制。