Проводящая пряжа: как определить параметры электронного текстиля и умной одежды

Проводящая пряжа — это обычная текстильная пряжа с одним необычным свойством: она проводит электричество. Это, казалось бы, простое дополнение — придание текстильному материалу электропроводности — открывает ряд применений, которые были технически невозможны при использовании обычной пряжи: одежда, контролирующая жизненно важные функции, нагревательные элементы, вплетенные в ткань, антистатическая рабочая одежда, предотвращающая накопление заряда, текстиль, передающий сигналы данных, и интерактивные поверхности, реагирующие на прикосновение. Поскольку электронная промышленность ищет способы интегрировать функциональность в форм-фактор одежды и мягких товаров, проводящая пряжа является основным материалом, который делает возможным взаимодействие текстиля и электроники.

Понимание различных типов проводящей пряжи, каковы ее электрические свойства на самом деле, как эти свойства измеряются и определяются, а также что определяет производительность в конкретных приложениях, важно для любого, кто ищет проводящую пряжу для разработки функционального текстиля.

Что делает пряжу проводящей

Стандартные текстильные нити — полиэстер, нейлон, хлопок, шерсть — являются электроизоляторами. Их структуры из полимерных или белковых волокон обладают практически бесконечным сопротивлением: электроны не могут перемещаться через них в ответ на приложенное напряжение. Проводящая пряжа обеспечивает электропроводность с помощью одного из трех подходов: включение проводящего материала внутри или вокруг структуры волокна, покрытие поверхности волокна проводящим слоем или вращение проводящих волокон рядом с изолирующими волокнами для создания пряжи с распределенными проводящими путями.

Проводимость полученной пряжи зависит от проводимости используемого проводящего материала, объемной доли проводящего материала в поперечном сечении пряжи и непрерывности токопроводящего пути по длине пряжи. Пряжа с высокопроводящим материалом (серебро, медь), но с малой объемной долей (тонкое поверхностное покрытие) может иметь приемлемое сопротивление для некоторых применений, но не для других. Нить с умеренно проводящим материалом (углеродом) с большой объемной долей (смешанная по всей длине) может обеспечить более низкое сопротивление на единицу длины, чем пряжа с серебряным покрытием, несмотря на гораздо более высокую собственную проводимость серебра - геометрия проводящего пути имеет такое же значение, как и объемная проводимость материала.

Типы проводящей пряжи по проводящему материалу

Пряжа из нержавеющей стали

Проводящая пряжа из волокон нержавеющей стали смешивает или оборачивает нити из нержавеющей стали малого диаметра (обычно диаметром 4–22 мкм, иногда до 1–3 мкм) со стандартными текстильными волокнами. Волокна нержавеющей стали образуют распределенную проводящую сеть по поперечному сечению нити, обеспечивая как механическую непрерывность, так и электрическую связь. Сопротивление волоконной пряжи из нержавеющей стали выше, чем у конструкций на основе серебра или меди (электрическое сопротивление нержавеющей стали составляет примерно 7 × 10⁻⁷ Ом·м по сравнению с 1,6 × 10⁻⁸ Ом·м для меди), но ее физические свойства - моющаяся, стойкость к истиранию, совместимость со стандартной обработкой текстиля и отсутствие коррозии в условиях окружающей среды - делают ее одним из наиболее практически используемых типов проводящей пряжи в коммерческом применении.

Пряжа из волокна нержавеющей стали является стандартной спецификацией для антистатического текстиля в производстве электроники, химической обработке и других отраслях, где электростатический разряд (ESD) представляет собой угрозу безопасности или качеству. Сопротивление нити достаточно низкое, чтобы обеспечить путь разряда статических зарядов, но при этом не достаточно низкое, чтобы создать угрозу электробезопасности. Он также используется в тканях для электромагнитной защиты, чувствительных к давлению тканях и нагревательных элементах в текстильной форме, где требуется резистивный нагрев.

Посеребренная пряжа

Проводящая пряжа с серебряным покрытием наносит непрерывное металлическое серебряное покрытие на поверхность основных волокон (обычно нейлоновой или полиэфирной нити) посредством химического осаждения или физического осаждения из паровой фазы. Чрезвычайно высокая электропроводность серебра (самая высокая из всех металлов при комнатной температуре) позволяет получить пряжу с очень низким сопротивлением на единицу длины - обычно 100–500 Ом/м для коммерческой пряжи с серебряным покрытием по сравнению с 1 000–10 000 Ом/м или более для смесей нержавеющей стали. Такое низкое сопротивление на единицу длины делает нить с серебряным покрытием предпочтительным выбором для применений, требующих эффективной передачи сигнала, электрических путей с низким сопротивлением в носимой электронике и электромагнитного экранирования, где высокая эффективность экранирования требует низкого поверхностного сопротивления.

Основным ограничением пряжи с серебряным покрытием является долговечность: серебряное покрытие, хотя и хорошо прилипает к современным конструкциям с покрытием, может увеличивать сопротивление при многократном сгибании и стирке, поскольку на покрытии образуются микротрещины и оно окисляется. Начальная стойкость высококачественной пряжи с серебряным покрытием превосходна; стабильность этого сопротивления на протяжении всего срока службы одежды, включая несколько циклов стирки, глажки и длительного механического сгибания, более изменчива и зависит от толщины покрытия, химического состава адгезии и механических требований конечного использования. Для применений, где долговременная стабильность сопротивления имеет решающее значение (имплантируемая электроника, одежда для медицинского мониторинга), долговечность серебряного покрытия при стирке и износе необходимо характеризовать, а не предполагать на основе первоначальных измерений сопротивления.

Проводящая пряжа на медной основе

Медь имеет немного более высокую электропроводность, чем серебро, на единицу объема и значительно более низкую стоимость. Проводящая нить на основе меди используется там, где требуется очень низкое сопротивление, а стоимость является ограничением — передача сигналов в носимой электронике, резистивные нагревательные элементы в одежде с электрическим подогревом и электрические разъемы, встроенные в текстильные конструкции. Медь легко окисляется в окружающем воздухе, что постепенно увеличивает поверхностное сопротивление и создает проблемы с надежностью при длительном использовании; Для решения этой проблемы пряжу на основе меди часто лужеют (олуживают) или посеребряют, что увеличивает стоимость и частично компенсирует преимущество в стоимости материала по сравнению с альтернативами с серебряным покрытием.

Проводящая пряжа на основе углерода

Углеродное волокно или пряжа из полимерного волокна с углеродным содержанием обеспечивает умеренную электропроводность - более высокое сопротивление, чем конструкции на основе металлов, но с особыми преимуществами: превосходная термическая стабильность, хорошая химическая стойкость и меньший вес на единицу длины, чем конструкции, содержащие металл. Проводящая нить на основе углерода используется в системах отопления, где резистивный нагрев равномерно распределяется по текстилю, в высокотемпературных средах, где металлические конструкции могут окисляться, а также в приложениях, где важна электромагнитная сигнатура нити (углерод отражает радар на других частотах, чем металлические материалы, что актуально для некоторых оборонных применений).

Как измеряется и задается сопротивление

Электрическое сопротивление проводящей пряжи обычно указывается как сопротивление на единицу длины — ом на метр (Ом/м) или ом на сантиметр (Ом/см). Это нормализованное по длине сопротивление позволяет осуществлять прямое сравнение нитей независимо от длины пряжи в цепи и позволяет рассчитать общее сопротивление в конкретной тканой или трикотажной структуре, если известна длина пути нити.

При измерении сопротивления проводящей нити необходимо учитывать контактное сопротивление на измерительных зондах и геометрию поперечного сечения нити — двухточечные измерения сопротивления (зондирование в двух точках и измерение зависимости напряжения/тока) включают контактное сопротивление на обоих зондах, которое может быть значительным по сравнению с объемным сопротивлением пряжи для металлических нитей с низким сопротивлением. Измерение сопротивления по четырем точкам (Кельвин) исключает контактное сопротивление и дает более точное значение объемного сопротивления. Для контроля качества на производстве практично двухточечное измерение с использованием одинаковых датчиков; для определения характеристик абсолютного сопротивления подходящим методом является измерение по четырем точкам.

Ключевые области применения проводящей пряжи

Антистатический и антистатический текстиль

В чистых помещениях производства электроники, производстве полупроводников и спецодежды, работающей во взрывоопасных средах, статическое электричество представляет собой либо риск для качества (повреждение компонентов электростатическим разрядом), либо угрозу безопасности (возгорание легковоспламеняющихся сред). Антистатический текстиль включает в себя проводящую пряжу — обычно смесь волокон нержавеющей стали в количестве нескольких процентов по весу — чтобы обеспечить непрерывный путь разряда статических зарядов, прежде чем они накапливаются до опасного уровня. Проводящая нить должна распределяться по ткани с достаточно близкими интервалами, чтобы статические заряды рассеивались на проводящей сети до достижения потенциала разряда, который определяется поверхностным сопротивлением готовой ткани, а не только сопротивлением пряжи. EN 1149 (Европейский стандарт электростатических свойств защитной одежды) определяет методы испытаний и требования к характеристикам антистатической защитной одежды.

Носимая электроника и умная одежда

Проводящая нить является связующим звеном в носимой сенсорной одежде — рубашках, которые отслеживают частоту сердечных сокращений с помощью электродов ЭКГ, вплетенных в нагрудные ленты, носках с датчиками давления в подошве и перчатках с емкостным датчиком прикосновения на кончиках пальцев. В этих приложениях проводящая нить должна передавать сигналы от сенсорных элементов (которые сами могут быть структурами проводящей нити или жесткими электронными компонентами, прикрепленными к ткани) к обрабатывающей электронике, поддерживая низкое и стабильное сопротивление при механических и экологических нагрузках при использовании одежды. Нить с серебряным покрытием, устойчивая к сотням циклов стирки и миллионам циклов сгибания, является стандартной спецификацией для надежных носимых электронных межсоединений.

Текстильные нагревательные элементы

При резистивном нагреве текстиля используется тот же физический принцип, что и в обычном электрическом нагревателе: ток, протекающий через резистивный элемент, генерирует тепло в соответствии с P = I²R. Проводящая нить с соответствующим сопротивлением на единицу длины, сплетенная или связанная в текстиль с геометрией, которая равномерно распределяет тепло, создает гибкий текстильный нагревательный элемент. Приложения включают в себя перчатки и одежду с подогревом для работников на открытом воздухе в холодных условиях, чехлы для автомобильных сидений с подогревом, физиотерапевтические обертывания с подогревом и электрические одеяла. Требуемое сопротивление пряжи рассчитывается на основе необходимой плотности мощности (ватт на единицу площади нагреваемой ткани), напряжения питания и длины пути плетеной пряжи в контуре нагрева — правильный расчет на этапе проектирования предотвращает недостаточную или избыточную мощность нагревательных элементов в готовом изделии.

Электромагнитное экранирование

Проводящие ткани, сотканные из металлической пряжи с низким сопротивлением, отражают и поглощают электромагнитное излучение, обеспечивая защиту от радиочастотных помех (RFI) и электромагнитных импульсов (ЭМИ). В медицинских учреждениях используются экранированные шторы и обивка помещений, чтобы предотвратить воздействие электромагнитных помех на чувствительное оборудование; Военные и правительственные приложения требуют защиты от электромагнитных помех для чувствительного оборудования связи и обработки данных. Эффективность экранирования (SE) — это показатель производительности, измеряемый в децибелах, и он связан с поверхностным сопротивлением ткани: более низкое поверхностное сопротивление (меньшее сопротивление пряжи, более высокое содержание проводимости) обычно обеспечивает более высокую эффективность экранирования, хотя соотношение также зависит от геометрии конструкции ткани и интересующего диапазона частот.

Что нужно подтвердить при заказе проводящей пряжи

Спецификация заказа проводящей нити для конкретного применения должна включать сопротивление на единицу длины (Ом/м) с приемлемым допуском, тип и конструкцию проводящего материала (смесь нержавеющей стали, полиэстер с серебряным покрытием и т. д.), спецификацию базовой пряжи (тип волокна, линейная плотность в дтекс или денье) и требования к стойкости к стирке, если конечный продукт будет стираться. Для применений, критически важных для безопасности, уместно запросить у поставщика протоколы испытаний по соответствующим стандартам (EN 1149 для антистатических материалов, интеграция EN ISO 20471 для защитной одежды и т. д.). Для разработки носимой электроники определение стабильности сопротивления после определенного количества циклов стирки и гибких циклов, а также запрос данных испытаний, демонстрирующих эту стабильность, более полезно, чем просто начальное сопротивление, в качестве критерия качества.

Часто задаваемые вопросы

Сколько проводящей пряжи необходимо включить в ткань, чтобы добиться антистатических свойств?

Это зависит от необходимого поверхностного сопротивления готовой ткани и сопротивления токопроводящей нити. EN 1149-1 (наиболее распространенный стандарт антистатической ткани для защитной одежды) требует поверхностного сопротивления ниже 2,5 × 10⁹ Ом при испытаниях при контролируемой температуре и влажности. Для достижения этого обычно требуется расстояние между проводящими нитями в ткани примерно 5–10 мм, достаточно близкое, чтобы статические заряды, генерируемые на поверхности ткани, находились на коротком пути к проводящему элементу нити. Точное расстояние зависит от сопротивления пряжи: нити с более низким сопротивлением можно располагать дальше друг от друга и при этом достигать требуемого поверхностного сопротивления, тогда как нить с более высоким сопротивлением должна быть уложена более плотно. Производители тканей обычно используют проводящую нить с расстоянием, установленным посредством испытаний на поверхностное сопротивление, а не теоретических расчетов, поскольку практическая геометрия ткани — угол переплетения, укладка пряжи, контакт между волокнами — влияет на результат способами, которые трудно точно смоделировать.

Безопасна ли пряжа с серебряным покрытием для одежды, которая носится непосредственно на коже?

Серебро само по себе биосовместимо и используется в медицинских целях, включая перевязочные материалы для ран и имплантаты. При контакте с кожей нити с серебряным покрытием не вызывают никаких проблем с безопасностью. Антимикробные свойства серебра (ионы серебра разрушают мембраны бактериальных клеток) делают пряжу с серебряным покрытием весьма полезной в некоторых областях применения: в спортивной одежде и антибактериальных носках с серебряным покрытием используется пряжа с серебряным покрытием специально для этого свойства. Соответствующим фактором безопасности для одежды, контактирующей с кожей, является соответствие REACH (ограничение на использование определенных химических веществ в текстиле, продаваемом в ЕС) и сертификация OEKO-TEX, которые подтверждают отсутствие вредных остаточных химикатов в процессе производства пряжи. Авторитетные поставщики пряжи с серебряным покрытием предоставляют сертификат OEKO-TEX Standard 100 или эквивалентный для подтверждения безопасности при прямом контакте с кожей — запрос этой документации в рамках поиска спецификации подходит для любого текстильного применения с прямым контактом с телом.

Можно ли использовать проводящую пряжу в стандартных процессах вязания и ткачества?

Большинство конструкций проводящей пряжи предназначены для обработки на стандартных текстильных машинах с соответствующими настройками. Пряжа из смеси волокон нержавеющей стали круглого сечения ведет себя аналогично обычной синтетической пряже и может обрабатываться на кругловязальных машинах, планшетных вязальных машинах, рапирных или пневматических ткацких станках с небольшими модификациями или без них. Пряжа с серебряным покрытием в виде нитей также совместима со стандартным оборудованием. Проблемы возникают на этапе электрического соединения — когда проводящая нить в текстиле должна быть подключена к электронным компонентам или источникам питания — потому что стандартные текстильные соединители и процессы сшивания не предназначены для электрического соединения. Разработка надежных, моющихся электрических соединений между проводящей нитью в текстиле и электронным интерфейсом обычно является самой сложной проблемой проектирования при разработке носимой электроники, требующей специально разработанного соединительного оборудования или проводящих клеевых систем, а не обычного шитья или ультразвукового соединения.

Проводящая пряжа | Светоотражающая пряжа | Двусторонняя светоотражающая пряжа | Светящаяся пряжа | Функциональная пряжа | Свяжитесь с нами