DE102022104390A1

DE102022104390A1 - Verfahren zum elektrischen Kontaktieren, Kontaktierungsgarn und Verwendung des Kontaktierungsgarns

Info

Publication number: DE102022104390A1
Application number: DE102022104390.8A
Authority: DE
Inventors: Valérie Bartsch; Sarah Kim; Simon König; Rolf Neupert
Original assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Current assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2023-08-24

Abstract

Das erfindungsgemäße Kontaktierungsgarn zum elektrischen Kontaktieren einer zu kontaktierenden Stelle in einem textilen Flächengebilde weist zumindest eine elektrisch leitfähige Faser und zumindest ein aus einem, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Klebstoff hergestelltes Element auf, das zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung des Kontaktierungsgarns angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum elektrischen Kontaktieren umfasst ein Bereitstellen des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns und ein mittels textilem Fügen Anbringen des Kontaktierungsgarns an der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes. Der Klebstoff im Kontaktierungsgarn wird anschließend zumindest an der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes nach dem Anbringen aktiviert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer zu kontaktierenden Stelle in einem textilen Flächengebilde, ein Kontaktierungsgarn zum elektrischen Kontaktieren sowie eine Verwendung des Kontaktierungsgarns.
In dem Bereich der sogenannten Smart Textiles, bei denen Textilien mit elektronischen Baugruppen, wie beispielsweise Sensoren, Aktuatoren, Beleuchtung, Sendern und/oder Empfängern, ausgestattet sind, werden bisher zumeist aus der Elektronikindustrie bekannte Kontaktierungsverfahren verwendet. Zum Beispiel kann ein elektrisches Kontaktieren durch Kleben, Löten, Schweißen oder Krimpen erreicht werden.
In der DE 10 2015 007 157 A1 wird ein flächiges Kontaktierungsband beschrieben, welches mit Hilfe eines Schmelzklebevlieses an die gewünschte flächige Stelle geklebt wird. Auch in der DE 10 2019 101 375 A1 wird eine flächige elektrische Kontaktierung und mechanische Verbindung zwischen einem textilen Schaltungsträger und einem elektrischen oder elektronischen Bauteile unter Verwendung eines Schmelzklebetextils vorgeschlagen.
Diese leitfähigen Kontaktierungsbänder weisen elektrisch leitfähige Garne auf, die den elektrischen Kontakt ausbilden, wenn die Kontaktierungsbänder aufgeklebt sind. Dabei ist jedoch der Kontaktierungswiderstand von der mechanischen Spannung des im Kontaktierungsband angeordneten leitfähigen Garns abhängig. Eine Relaxation der mechanischen Spannung des Garns kann somit zu einer Erhöhung des elektrischen Kontaktwiderstands führen, wohingegen eine Erhöhung der mechanischen Spannung umgekehrt zu einer Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstands führen kann.
Bei einer Kontaktierung mithilfe von Schmelzklebevliesen, welche aus thermoplastischen, nicht leitfähigen Vliesen bestehen, wird in der DE 10 2015 007 157 A1 ein leitfähiges Textil oder eine leitfähige Paste aufgetragen. Durch das Einbringen von Wärme wird anschließend eine leitfähige Klebeverbindung hergestellt. Weil dabei die elektrische und mechanische Verbindung ausschließlich über eine Klebeverbindung erfolgt, kann es zu einer mechanischen Delamination, also einer Ablösung Klebeverbindung von der zu kontaktierenden Stelle der schichtweise aufgebauten Verbindung, kommen. In diesem Fall ändert sich ebenfalls der Kontaktwiderstand der elektrischen Verbindung. Darüber hinaus sind die Klebevliese nur für großflächige Kontaktierungen geeignet. Eine punktuelle Kontaktierung ist mit diesen Klebevliesen hingegen nicht möglich.
In der DE 10 2019 126 607 A1 wird ein Garn zum rein mechanischen Verbinden von textilbewehrten Strukturmodulen beschrieben. Das Garn weist thermoplastische Fasern auf, die thermisch aktiviert werden können. Zusammen mit Trägerfasern, die zum Lastabtrag geeignet sind, wird aus den thermoplastischen Fasern und den Trägerfasern ein Hybridgarn ausgebildet.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Ansätze zum elektrischen Kontaktieren erfüllen nicht die Anforderungen hinsichtlich der Belastbarkeit, der Flexibilität und der Zuverlässigkeit für eine elektrische Kontaktierung für Textilien, in denen elektrische Baugruppen integriert sind (Smart Textiles). Auf diesem Gebiet kann es zu hohen mechanischen Belastungen an den elektrischen Kontaktstellen kommen. Die herkömmlichen aus der Elektronik bekannten Kontaktierungsverfahren, wie Löten, Krimpen oder Schweißen, sind nur dazu geeignet, starre Kontaktierungsstellen auszubilden, die jedoch unter einer starken und häufig auftretenden Biegebelastung brechen können. Zudem sind Kontaktierungsstellen, die alleinig durch ein Klebeverfahren geschaffen werden, meist dünn und spröde. Diese Klebeverbindungen können den zum Teil hohen Belastungen auf dem Gebiet der Textilien nicht standhalten.
Bei textilen Kontaktierungsverfahren, wie Stricken oder Nähen, kann sich zwar die Verbindungsnaht mit dem Stoff mitbewegen. Dies kann jedoch zu starken Schwankungen der mechanischen Spannung des zum textilen Kontaktieren verwendeten Garns führen. Durch eine mechanische Spannungsrelaxation des dielektrisch oder elektrisch leitfähigen Garns kann sich der Kontaktwiderstand mit der Zeit erhöhen oder die Kontaktierung insgesamt unsicher werden. Darüber hinaus bieten die textilen Kontaktierungsverfahren nur eine geringe Beständigkeit und Scheuerfestigkeit.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, dass es ermöglicht, eine zuverlässige, lang anhaltende und flexible elektrische Kontaktierung für in einem Textil integrierte elektronische Baugruppen auszubilden.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer zu kontaktierenden Stelle in einem textilen Flächengebilde nach Anspruch 1 gelöst:
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst Folgendes: Bereitstellen eines Kontaktierungsgarns, das zumindest eine elektrisch leitfähige Faser und ein aus einem schmelzfähigen Klebstoff hergestelltes Element aufweist, das zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung der elektrisch leitfähigen Faser angeordnet ist; Anbringen des Kontaktierungsgarns mittels textilen Fügens zumindest an der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes; und Aktivieren des Klebstoffs zumindest an der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes nach dem Anbringen des Kontaktierungsgarns.
Hierdurch wird es möglich, eine elektrische Verbindung zu schaffen, die einen gewissen Grad an Flexibilität aufweist, d.h. nicht mechanisch starr ist. Außerdem ist es hierdurch ermöglicht, eine dauerhafte Verbindung zu schaffen, deren Übergangswiderstand auch unter hoher und häufig auftretender mechanischer Belastung unverändert und sicher bleibt. Durch die Verwendung des Kontaktierungsgarns kann so eine elektrische, flexible und zuverlässige Kontaktierung ausgebildet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann an der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes eine formschlüssige, kraftschlüssige und stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dem Bereitstellen, gegebenenfalls durch das Herstellen des Kontaktierungsgarns, und der Beschaffenheit des Kontaktierungsgarns. Das Kontaktierungsgarn enthält zumindest eine elektrisch leitfähige Faser, wobei ein bei Raumtemperatur fester, durch Erwärmung schmelzbarer Klebstoff zumindest teilweise entlang eine Längsrichtung des Kontaktierungsgarns angeordnet ist. Der schmelzfähige Klebstoff ist vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, zum Beispiel ein thermoplastisches Polymer, wie Polyurethan (PU), Polyethylen (PE), Polybutylenterephthalat (PBT), oder Polyamid (PA). Insbesondere ist der schmelzfähige Klebstoff elektrisch leitfähig. Dies ist insbesondere für die Qualität der elektrischen Verbindung zwischen der zu kontaktierenden Stelle und dem Kontaktierungsgarn von Vorteil. Die mindestens eine elektrisch leitfähige Faser ist vorzugsweise aus Metall, wie beispielsweise Kupfer, Silber, Gold oder Edelstahl, oder einem metallisierten Kunststoff, wie beispielsweise versilbertes oder vergoldetes Polyamid, hergestellt. Der Klebstoff kann beispielsweise durch den Eintrag von Wärme aktiviert (d.h. verflüssigt) werden. So wird es ermöglicht, das Kontaktierungsgarn an die zu kontaktierende Stelle durch textiles Fügen anzubringen, wodurch die elektrisch leitfähige Faser des Kontaktierungsgarns mit der zu kontaktierenden Stelle mechanisch in Kontakt steht und damit eine elektrische Verbindung zwischen der zu kontaktierenden Stelle und dem Kontaktierungsgarn ausgebildet wird, die anschließend durch das Aktivieren des Klebstoffs zumindest an der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes fixiert wird. Wenn der Klebstoff elektrisch leitfähig ist, wird durch das Aktivieren des Klebstoffs zumindest an der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes zwischen der elektrisch leitfähigen Faser des Kontaktierungsgarns und der zu kontaktierenden Stelle des textilen Flächengebildes ausgebildete elektrische Verbindung verbessert. Der elektrisch leitfähige Klebstoff kann dann als eine Art nicht metallisches Lot angesehen werden, das durch Erwärmung über eine Schmelztemperatur hinaus in eine flüssige, breiige, zähflüssige, gegebenenfalls auch kriechfähige Konsistenz überführbar ist. Die Schmelztemperatur liegt vorzugsweise über der Gebrauchstemperatur des Textils, d.h. z.B. über 80°C. Die mindestens eine elektrisch leitfähige Faser ist vorzugsweise aus einem formstabilen, leitfähigen Kunststoff, einer metallisierten Kunststofffaser oder einer metallischen Faser hergestellt. Er kann extrinsisch oder intrinsisch elektrisch leitfähig sein. Beispielsweise kann die elektrisch leitfähige Faser aus einem Polymer, in welchen elektrisch leitende Füllstoffe wie Ruß, Kohlenstoff, Nanoröhren oder metallischen Partikeln, metallischen Nanopartikeln und/oder Nanoröhrchen eingebracht wurden (ein solcher Kunststoff ist extrinsisch leitfähig). Die elektrisch leitfähige Faser kann beispielsweise auch aus versilbertem Polyamid (PA) hergestellt sein. Ein intrinsisch leitfähiger Kunststoff kann zum Beispiel Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT), dotiertes Polyacetylen (PAC), Polyanilin (PAni), Polyparaphenylen (PPP) oder dotiertes Polythiophen (PT) sein.
Ein elektrisch leitfähiges Material weist beispielsweise eine Leitfähigkeit von mindestens 5 S/m, vorzugsweise von mindestens 7,5 S/m, bevorzugt von mindestens 8 S/m, besonders bevorzugt von mindestens 10·S/m auf.
Vorzugsweise wird beim Anbringen des Kontaktierungsgarns an dem textilen Flächengebilde eine Naht erzeugt, die das Kontaktierungsgarn enthält. Durch die Naht können zu kontaktierende Stellen gezielt mit dem Kontaktierungsgarn verbunden werden. Die Nahtverbindung kann eine flexible, stabile und belastbare mechanische Verbindung zwischen dem Kontaktierungsgarn und der zu kontaktierenden Stelle erzeugen. Darüber hinaus kann die Naht vor dem Aktvieren des Klebstoffs einfach aufgetrennt werden, so dass der Kontaktierungspfad vor dem Aktivieren weiterhin veränderbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist sowohl eine flächige, als auch eine linienhafte oder auch eine nur punktuelle Kontaktierung möglich.
Insbesondere wird beim Erzeugen der Naht das Kontaktierungsgarn als Ober- und/oder Unterfaden verwendet, wodurch Kontaktierungsstellen, die auf einer Oberseite und/oder auf einer Unterseite des textilen Flächengebildes angeordnet sind, gezielt kontaktiert werden können.
Es wird bevorzugt, das Aktivieren des Klebstoffs durch Erwärmung des Klebstoffs durchzuführen. Das Erwärmen kann das gesamte textile Flächengebilde oder auch einzelne Stellen des textilen Flächengebildes umfassen. Bevorzugt wird jedoch, dass zumindest die zu kontaktierende Stelle lokal erwärmt wird.
Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung durch einen der nachfolgenden Prozesse: Erwärmung des gesamten Textils, lokales oder flächiges Aufbringen von Heißluft; lokales oder flächiges Bestrahlen mit Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung; lokales oder flächiges Bestrahlen mit Laserlicht; lokale oder flächige dielektrische Erwärmung; Ultraschalleinwirkung mittels Sonotrode; lokales oder flächiges Thermopressen, z.B. mit einem Stempel, dessen Temperatur die Schmelztemperatur des Kontaktierungsgarns übersteigt.
Insbesondere umfasst das Verfahren ferner ein Aushärten des Klebstoffs nach dem Aktivieren. Das Aushärten kann beispielsweise durch ein aktives Abkühlen des Klebstoffs oder durch ein passives Abkühlenlassen erreicht werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Bereitstellen des Kontaktierungsgarns ein Herstellen des Kontaktierungsgarns, wobei das Herstellen folgende Schritte enthält:

- Herstellen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern; und
- Beschichten der Fasern mit dem Klebstoff.

Zusätzlich oder alternativ umfasst das Herstellen des Kontaktierungsgarns folgende Schritte:

- Herstellen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern; und
- Herstellen einer Vielzahl von Fasern aus dem Klebstoff.

Vorzugsweise sind die elektrisch leitfähigen Fasern nicht mit dem Klebstoff beschichtet.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Herstellen des Kontaktierungsgarn folgende Schritte:

- Herstellen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern; und
- Herstellen einer Vielzahl von Mehrkomponentenfasern, deren Mantel den Klebstoff enthält;
- Herstellen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern.

Die Mehrkomponentenfasern sind vorzugsweise Bikomponentenfasern, deren Mantel den Klebstoff enthält.
Insbesondere umfasst das Herstellen des Kontaktierungsgarns ein Kombinieren der zuvor genannten Fasern zu einem Kontaktierungsgarn. Das Kombinieren kann beispielsweise ein Umwinden, Umzwirnen, verdrillen, oder Verspinnen umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kontaktierungsgarn an der zu kontaktierenden Stelle beim Aktivieren auf eine Temperatur zwischen 60°C und 270°C erhitzt, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 105°C und 220°C, weiter bevorzugt auf eine Temperatur 105° und 190°C sowie besonders bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 120°C und 160°C. In diesem Temperaturbereich kann der Klebstoff aktiviert werden, ohne dass die elektrisch leitfähigen Fasern erweichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem mit dem Kontaktierungsgarn zum elektrischen Kontaktieren der zu kontaktierenden Stelle nach Anspruch 12 gelöst:
Das erfindungsgemäße Kontaktierungsgarn weist zumindest eine elektrisch leitfähige Faser und zumindest ein aus einem, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Klebstoff hergestelltes Element auf, das zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung des Kontaktierungsgarns angeordnet ist.
Sämtliche Merkmale und Vorteile, die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere bezüglich des Herstellens des Kontaktierungsgarns, beschrieben wurden, sind ebenso auf das erfindungsgemäße Kontaktierungsgarn anwendbar.
Vorzugsweise ist das aus einem, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Klebstoff bestehende Element des Kontaktierungsgarns wie folgt ausgestaltet:

- als eine Beschichtung der mindestens einen elektrisch leitfähigen Faser, wobei die Beschichtung zumindest teilweise entlang der Längsrichtung des Kontaktierungsgarns angeordnet ist; und/oder
- als eine Vielzahl von Fasern aus dem elektrisch leitfähigen Kunststoff; und/oder
- als eine aus dem Klebstoff hergestellte Ummantelung einer Vielzahl von Mehrkomponentenfasern, wobei die Ummantelung zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung des Kontaktierungsgarns angeordnet ist.

Die Mehrkomponentenfasern sind vorzugsweise Bikomponentenfasern, deren Mantel den Klebstoff enthält.
Es wird bevorzugt, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige Faser eine Schmelztemperatur höher als die des Klebstoffs aufweist. Dies ermöglicht es den Klebstoff zu aktivieren, ohne dass die elektrisch leitfähige Faser forminstabil wird. Der elektrisch leitfähige Kunststoff kann alternativ auch ein intrinsisch leitfähiger Kunststoff sein. Der elektrisch leitfähige Klebstoff kann eine thermoplastische Primärmatrix mit elektrisch leitfähigen Füllstoffen enthalten.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Verwendung des Kontaktierungsgarns gemäß der obigen Art als elektrischer Leiter und/oder als Sensor gelöst, nachdem eine elektrische Kontaktstelle in einem textilen Flächengebilde mit dem Verfahren gemäß der obigen Art ausgebildet wurde.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Weiterbildungen oder Details der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen. Es zeigen:

1a eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns;
1b eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns;
1c eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns;
2a, 2b einen Querschnitt einer zu konvertierenden Stelle eines textilen Flächengebildes vor und nach dem aktivieren des Klebstoffs;
3a, 3b einen Querschnitt der zu kontaktierenden Stelle eines textilen Flächengebildes vor und nach dem Aktivieren des Klebstoffs;
4a, 4b einen Querschnitt eines weiteren Beispiels einer zu kontaktierenden Stelle in einem textilen Flächengebilde vor und nach dem Aktivieren des Klebstoffs;
5a eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels, bei welchem ein textiler Sensor in einem textilen Flächengebilde kontaktiert wird;
5b eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei welchem ein in ein textiles Flächengebilde eingewobener Draht kontaktiert wird.

1a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns 3. Das Kontaktierungsgarn 3 weist eine Vielzahl von Fasern 18 auf, die miteinander verzwirnt sind. In 1a weist das Kontaktierungsgarn 3 acht Fasern 18 auf, die miteinander verzwirnt sind. Die Fasern 18 können aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 hergestellt sein. In diesem Beispiel sind alle Fasern 18 des Kontaktierungsgarns 3 elektrisch leitfähige Fasern 4. Entlang der Längsrichtung L des Kontaktierungsgarns 3 können die Fasern mit einem elektrisch leitfähigen, bei Zimmertemperatur festen Klebstoff 11 zumindest teilweise beschichtet sein. In 1a weist jede der elektrisch leitfähigen Fasern 4 einen Beschichtung 14 aus elektrisch leitfähigem Klebstoff 11 auf. Die Anzahl der elektrisch leitfähigen Fasern 4, die mit einer Beschichtung 14 versehen sind kann variiert werden, wodurch es möglich ist, die Menge des elektrisch leitfähigen Klebstoffs zu dosieren. Beispielsweise kann von den elektrisch leitfähigen Fasern 4 nur die Hälfte, ein Viertel, ein Achtel oder ein sonstiger Bruchteil der Fasern mit einer Beschichtung 14 versehen sein.
In 1b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns 3 abgebildet. In diesem Beispiel weist das Kontaktierungsgarn 3 acht Fasern 18 auf, wobei vier der acht Fasern 18 elektrisch leitfähige Fasern 4 sind. Die übrigen vier Fasern 9 sind in diesem Beispiel aus dem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 hergestellt oder mit einem solchen versehen. Es ergibt sich in diesem Beispiel somit ein Verhältnis von elektrisch leitfähigen Fasern 4 zu aus dem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 hergestellten Fasern 9 von 1:1 (50 %). Dieses Verhältnis zwischen den beiden Typen von Fasern 18 kann je nach Anforderung an die Klebstoffmenge und die Leitfähigkeit verändert werden.
In 1c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns 3 gezeigt. In diesem Beispiel weist das Kontaktierungsgarn 3 ebenfalls acht Fasern 18 auf. Von den acht Fasern 18 sind vier Fasern 4 elektrisch leitfähig ausgestaltet. Außerdem weist das Kontaktierungsgarn 3 aus 1c vier Mehrkomponentenfasern 10 auf. Die Mehrkomponentenfasern10 weisen eine Ummantelung 19 aus einem elektrisch leifähigen Klebstoff 11 auf. In diesem Beispiel handelt es sich somit bei den Mehrkomponentenfasern um Bikomponentenfasern. Auch hier ist die Anzahl der Fasern und somit das Verhältnis von elektrisch leifähigen Fasern 4 zu Mehrkomponentenfaser 10 veränderbar. Darüber hinaus kann die Anzahl der Mehrkomponentenfasern 10 verändert werden, die mit einer Ummantelung 19 aus elektrisch leitfähigem Klebstoff 11 versehen sind. Alternativ sind, wie im Beispiel aus 1a, nicht die Mehrkomponentenfasern 10 mit dem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 beschichtet, sondern die elektrisch leitfähigen Fasern 4. Ferner ist es möglich, sowohl zumindest einen Teil der Mehrkomponentenfasern 10 als auch zumindest einen Teil der elektrisch leitfähigen Fasern 4 mit einer Beschichtung oder Ummantelung aus elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 zu versehen.
2a zeigt einen Querschnitt einer zu kontaktierenden Stelle 2 in einem textilen Flächengebilde 1 vor dem Aktivieren VS3 des Klebstoffs 11. In diesem Beispiel ist die zu kontaktierende Stelle 2 ein Draht 12. Der Draht 12 verläuft an einer Oberseite 16 des textilen Flächengebildes 1. Das Kontaktierungsgarn 3 ist bereits an dem textilen Flächengebilde 1 angenäht (Verfahrensschritt VS2), wobei das Kontaktierungsgarn 3 als Oberfaden 7 in der beim Anbringen VS2 entstandenen Naht 6 verwendet wird. Das Kontaktierungsgarn 3 kann auch als Unterfaden 8 oder als Ober- und Unterfaden 7, 8 der beim Anbringen VS2 entstehenden Naht 6 verwendet werden, beispielsweise wenn der zu kontaktierende Draht 12 an einer Unterseite 17 des Flächengebildes 1 angeordnet ist. Im rechten oberen Bereich von 2a ist der dazugehörige Querschnitt Q des Kontaktierungsgarns 3 schematisch dargestellt. Das in diesem Beispiel verwendete Kontaktierungsgarn 3 weist sieben elektrisch leitfähige Fasern 4 auf, die eine Beschichtung 14 aus elektrisch leitfähigem Klebstoff 11 enthalten.
In 2b ist das Beispiel aus 2a nach dem Aktivieren VS3 des Klebstoffs 11 abgebildet. Der elektrisch leitfähige Klebstoff 11 hat sich nun in einem Zwischenraum 15 zwischen dem Kontaktierungsgarn 3 und dem zu kontaktierenden Draht 12 angesammelt. Es ist nun eine elektrische Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Fasern 4 des Kontaktierungsgarns 3 und dem Draht 12 ausgebildet. Im rechten oberen Bereich von 2b ist der dazugehörige Querschnitt Q des Kontaktierungsgarns 3 abgebildet. Der elektrisch leitfähige Klebstoff 11 aus der Beschichtung 14 der einzelnen elektrisch leitfähigen Fasern 4 ist mit einer Wärmebehandlung aktiviert worden, so dass der Klebstoff 11 zumindest während des Aktivierens VS3 verflüssig wurde. Nach dem Aktivieren VS3 des Klebstoffs 11 härtet der Klebstoff 11 aus. Dies kann beispielsweise durch ein aktives oder auch passives Abkühlen VS4, z.B. durch Auflegen oder Aufdrücken eines kühlen Gegenstandes auf die Stelle mit dem geschmolzenen Klebstoff 11 unterstützt werden. In 2b ist der Zwischenraum 15 zwischen dem elektrischen Draht 12 und dem Kontaktierungsgarn 3 mit ausgehärtetem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 gefüllt.
In 3a ist ein Querschnitt der zu kontaktierenden Stelle 2 eines textilen Flächengebildes 1 vor dem Aktivieren VS3 des Klebstoffs 11 abgebildet. Das Kontaktierungsgarn 3 ist in diesem Beispiel wieder als Oberfaden 7 beim Anbringen VS2 des Kontaktierungsgarns 3 verwendet worden. Der Oberfaden 7 und der Unterfaden 8 bilden zusammen die Naht 6. Das Kontaktierungsgarn 3 weist sieben Fasern 18 auf, von denen drei Fasern 9 aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 hergestellt sind. Die vier weiteren Fasern sind elektrisch leitfähige Fasern 4. Im rechten oberen Bereich von 3a ist der dazugehörige Querschnitt Q des Kontaktierungsgarns 3 abgebildet.
In 3b zeigt das Beispiel aus 3a nach dem Aktivieren VS3 und Aushärten VS4 des Klebstoffs 11. Die Fasern 9, die aus dem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 hergestellt sind, wurden durch das Aktivieren VS3 verflüssigt, so dass der Klebstoff 11 in den Zwischenraum 15 zwischen Kontaktierungsgarn 3 und dem Draht 12 geflossen und ausgehärtet ist. Im rechten oberen Bereich von 3b ist der dazugehörige Querschnitt Q des Kontaktierungsgarns 3 abgebildet.
In 4a ist ein weiterer Querschnitt einer zu kontaktierenden Stelle 2 in einem textilen Flächengebilde 1 vor dem Aktivieren VS3 des Klebstoffs 11 abgebildet. In diesem Beispiel weist das Kontaktierungsgarn 3 vier elektrisch leitfähige Fasern 4 auf. Zusätzlich weist das Kontaktierungsgarn 3 drei Mehrkomponentenfasern 10 auf, die eine Ummantelung 19 aus elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 enthalten. Im rechten oberen Bereich von 4a ist der dazugehörige Querschnitt Q des Kontaktierungsgarns 3 abgebildet.
In 4b ist der Querschnitt aus 4a abgebildet, nachdem der Klebstoff 11 aktiviert wurde und ausgehärtet ist (Verfahrensschritte VS3 und VS4). Der elektrisch leitfähige Klebstoff 11 aus der Ummantelung 19 der Mehrkomponentenfasern 10 ist in den Zwischenraum 15 zwischen Kontaktierungsgarn 3 und Draht 12 geflossen und ausgehärtet. Im rechten oberen Bereich von 4b ist der dazugehörige Querschnitt Q des Kontaktierungsgarns 3 abgebildet.
Bei allen vorbeschriebenen Beispielen kann das Kontaktierungsgarn 3 außer den genannten vier auch jede andere Anzahl elektrisch leitfähiger Fasern 4 aufweisen.
In 5a ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht, bei welchem ein textiler Sensor 13 in einem textilen Flächengebilde 1 eingearbeitet ist, beispielsweise durch Einweben oder Annähen. Der textile Sensor 13 weist zwei zu kontaktierende Stellen 2 auf. In 5a werden die zu kontaktierenden Stellen 2 des Sensors 13 zunächst mechanisch mit dem Kontaktierungsgarn 3 in Kontakt gebracht, indem mit dem Kontaktierungsgarn 3 eine Naht 6 an dem textilen Flächengebilde 1 angebracht wird (Verfahrensschritt VS2). Nach dem Anbringen VS2 des Kontaktierungsgarns 3 an der zu kontaktierenden Stelle 2 wird der im Kontaktierungsgarn 3 enthaltene Klebstoff 11 zumindest an der zu kontaktierenden Stelle 2 z.B. thermisch aktiviert (Verfahrensschritt VS3). Durch das Aktivieren VS3 wird die zu kontaktierende Stelle 2 des Sensors 13 elektrisch kontaktiert.
In 5b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel abgebildet. Die zu kontaktierende Stelle 2 in 5b ist ein Draht 12, der in das textile Flächengebilde 1 eingewebt ist. In diesem Beispiel wird der Draht 12 durch eine Naht 6, die das Kontaktierungsgarn 3 aufweist, zunächst mechanisch angebracht (Verfahrensschritt VS2). Die Naht 6 kreuzt den zu kontaktierenden Draht 12. Nach dem Anbringen VS2 des Kontaktierungsgarns 3 durch das Herstellen der Naht 6 ist nun der elektrisch leitfähige Klebstoff 11, der Bestandteil des Kontaktierungsgarns 3 ist an der zu kontaktierenden Stelle 2 vorhanden. Der elektrisch leitfähige Klebstoff 11 kann anschließend aktiviert werden, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen der elektrisch leifähigen Faser 4 des Kontaktierungsgarns 3 und dem elektrisch leitfähigen Draht 12 ausgebildet wird.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen wird das Aktivieren des Klebstoffs des Kontaktierungsgarns 3 durch Erwärmung und zumindest bereichsweises Schmelzen und Wiedererstarren des Klebstoffs bewirkt, der in dem Kontaktierungsgarn 3 enthalten ist oder aus dem Kontaktierungsgarn 3 besteht. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die Aktivierung des Klebstoffs durch anderweitige Einflussnahmen, z.B. durch lokales Aufbringen flüchtiger Lösungsmittel oder dergleichen erfolgt.
Das insoweit beschriebene Verfahren und das Kontaktierungsgarn 3 zum Kontaktieren einer zu kontaktierenden Stelle 2 in einem textilen Flächengebilde 1 arbeitet wie folgt:
Das Kontaktierungsgarn 3 wird auf das textile Flächengebilde 1 genäht. Das textile Flächengebilde 1 kann beispielsweise ein Gestrick, ein Gewirk, ein Gewebe, ein Filz, ein Vlies, ein Tufting, ein Geflecht, ein Netz oder auch ein Bobinet sein, in welchem elektrische und/oder elektronische Bauteile integriert sind, wie Leiterbahnen, zum Beispiel als Drähte, Litze oder gedruckte Leiterbahnen oder elektrisch leitfähige Garne, Sensoren, Light-Emitting-Dioden (LED), aktive und passive Radio-Frequency-Identification (RFID) Transponder, Sendern und/oder Empfängern. Es ist außerdem möglich, dass mehrschichtige textile Flächengebilde 1 verwendet werden, bei welchen auf mehreren textilen Ebenen unterschiedliche elektronische Bauteile integriert sein können. Z.B. kann das textile Flächengebilde 1 Teil eines Bekleidungsprodukts sein, wie beispielsweise einer Feuerwehrjacke, einer Polizeijacke, einer Sportjacke oder dergleichen. Darüber hinaus kann das textile Flächengebilde 1 in medizinischen Produkten eingesetzt werden, beispielsweise als Teil eines Pflasters mit integrierter Sensorik (z.B. einem Feuchtigkeitssensor) oder als Teil eines Kompressionsstrumpfes mit integrierter Sensorik (z.B. mit integrierten Dehnmessstreifen). Bei allen vorgeschriebenen Ausführungsformen kann das Kontaktierungsgarn 3 als ein Garn, ein Faden, ein gezwirnter Faden, ein Zwirn, oder Flechtgebilde ausgebildet sein, welches zumindest eine elektrisch leitfähige Faser 4 und ein aus elektrisch leitfähigem Klebstoff 11 hergestelltes Element 5 aufweist. Das Kontaktierungsgarn 3 wird an dem textilen Flächengebilde 1 angenäht und der Klebstoff 11 in dem Kontaktierungsgarn 3 wird zumindest an der zu kontaktierenden Stelle 2 verflüssigt und anschließend ausgehärtet, so dass die Stelle 2 durch das Kontaktierungsgarn 3 elektrisch kontaktiert ist. Das Kontaktierungsgarn 3 kann nun als elektrischer Leiter verwendet werden, der an der elektrischen Kontaktstelle 2 angeschlossen ist. So kann nun die ausgebildete Kontaktstelle 2 über das Kontaktierungsgarn 3 mit elektrischen Spannungen und/oder Strömen beaufschlagt werden, beispielsweise um einen textilen Sensor 13 oder Transponder mit Betriebsspannung zu versorgen. Es ist auch möglich elektrische Spannungen und/oder Ströme über ein oder mehrere Kontaktierungsgarne 3 nach dem kontaktieren der elektrischen Stellen 2 abzugreifen, beispielsweise um Sensorsignale auszuwerten.
Das erfindungsgemäße Kontaktierungsgarn 3 zum elektrischen Kontaktieren einer zu kontaktierenden Stelle 2 in einem textilen Flächengebilde 1 weist zumindest eine elektrisch leitfähige Faser 4 und zumindest ein aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff 11 hergestelltes Element auf, das zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung L des Kontaktierungsgarns angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum elektrischen Kontaktieren umfasst ein Bereitstellen VS1 des erfindungsgemäßen Kontaktierungsgarns 3 und ein mittels textilem Fügen Anbringen VS2 des Kontaktierungsgarns an der zu kontaktierenden Stelle 2 des textilen Flächengebildes 1. Der Klebstoff 11 im Kontaktierungsgarn 3 wird anschließend zumindest an der zu kontaktierenden Stelle 2 des textilen Flächengebildes 1 nach dem Anbringen VS2 aktiviert (Verfahrensschritt VS3).
Bezugszeichenliste

1: textiles Flächengebilde
2: zu kontaktierende Stelle
3: Kontaktierungsgarn
4: elektrisch leitfähige Faser
5: aus einem, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Klebstoff hergestelltes Element des Kontaktierungsgarns
6: Naht
7: Oberfaden einer Naht
8: Unterfaden einer Naht
9: aus einem, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Klebstoff hergestellte Faser
10: Mehrkomponentenfaser (Bikomponentenfaser)
11: elektrisch leitfähiger Klebstoff
12: Draht
13: Textilsensor
14: Beschichtung einer elektrisch leitfähigen Faser
15: Zwischenraum zwischen Kontaktierungsgarn und Draht
16: Oberseite des textilen Flächengebildes
17: Unterseite des textilen Flächengebildes
18: Vielzahl von Fasern des Kontaktierungsgarns
19: Ummantelung einer Mehrkomponentenfaser
L: Längsrichtung des Kontaktierungsgarns
Q: Querschnitt des Kontaktierungsgarns
VS1: Herstellen eines Kontaktierungsgarns
VS2: Anbringen des Kontaktierungsgarns mittels textilem Fügen (Annähen)
VS3: Aktivieren des Klebstoffs (Erwärmung)
VS4: Abkühlen des Klebstoffs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015007157 A1 [0003, 0005]
DE 102019101375 A1 [0003]
DE 102019126607 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer zu kontaktierenden Stelle (2) in einem textilen Flächengebilde (1), umfassend: - Bereitstellen (VS1) eines Kontaktierungsgarns (3), das zumindest eine elektrisch leitfähige Faser (4) und ein aus einem, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Klebstoff (11) hergestelltes Element (5) aufweist, das zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung (L) des Kontaktierungsgarns (3) angeordnet ist; - Anbringen (VS2) des Kontaktierungsgarns (3) mittels textilem Fügen zumindest an der zu kontaktierenden Stelle (2) des textilen Flächengebildes (1); und - Aktivieren (VS3) des Klebstoffs (11) zumindest an der zu kontaktierenden Stelle (2) des textilen Flächengebildes (1) nach dem Anbringen (VS2) des Kontaktierungsgarns (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anbringen (VS2) des Kontaktierungsgarns (3) an dem textilen Flächengebilde (1) eine Naht (6) erzeugt wird, die das Kontaktierungsgarn (3) enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen der Naht (6) das Kontaktierungsgarn (3) als Oberfaden (7) und/oder Unterfaden (8) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivieren (VS3) des Klebstoffs (11) durch Erwärmung des Klebstoffs (11) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung durch einen der nachfolgenden Prozesse erfolgt: - Aufbringen von Heißluft; - Bestrahlung mit Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung; - Bestrahlung mit Laserlicht; - dielektrische Erwärmung; - Ultraschallschweißen; oder - Thermopressen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Aushärten (VS4) des Klebstoffs (11) nach dem Aktivieren (VS3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen (VS1) des Kontaktierungsgarns (3) ein Herstellen des Kontaktierungsgarns (3) umfasst, wobei das Herstellen folgende Schritte enthält: - Herstellen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern (4); - Beschichten der Fasern (4) mit dem Klebstoff (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen (VS1) des Kontaktierungsgarns (3) ein Herstellen des Kontaktierungsgarns (3) umfasst, wobei das Herstellen folgende Schritte enthält: - Herstellen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern (4); - Herstellen einer Vielzahl von Fasern (9) aus dem Klebstoff (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen (VS1) des Kontaktierungsgarns (3) ein Herstellen des Kontaktierungsgarns (3) umfasst, wobei das Herstellen folgende Schritte enthält: - Herstellen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern (4). - Herstellen einer Vielzahl von Mehrkomponentenfasern (10), deren Mantel den Klebstoff (11) enthält;
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen des Kontaktierungsgarns (3) ferner folgenden Schritt umfasst: - Kombinieren der Fasern (4, 9, 10) zu einem Kontaktierungsgarn (3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungsgarn (3) an der zu kontaktierenden Stelle (2) beim Aktivieren (VS3) auf eine Temperatur zwischen 60°C und 270°C erhitzt wird.
Kontaktierungsgarn (3) zum elektrischen Kontaktieren einer zu kontaktierenden Stelle (2) in einem textilen Flächengebilde (1), das zumindest eine elektrisch leitfähige Faser (4) und zumindest ein aus einem, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Klebstoff (11) hergestelltes Element (5) aufweist, das zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung (L) des Kontaktierungsgarns(3) angeordnet ist.
Kontaktierungsgarn (3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aus einem Klebstoff (11) hergestellte Element (5) wie folgt ausgestaltet ist: - als eine Beschichtung (14) der mindestens einen elektrisch leitfähigen Faser (4), die zumindest teilweise entlang der Längsrichtung (L) des Kontaktierungsgarns (3) angeordnet ist; und/oder - als eine Vielzahl von Fasern (9) aus dem Klebstoff (11); und/oder - als eine aus dem Klebstoff (11) hergestellte Ummantelung einer Vielzahl von Mehrkomponentenfasern (10), wobei die Ummantelung (19) zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung (L) des Kontaktierungsgarns (3) angeordnet ist.
Kontaktierungsgarn nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige Faser (4) eine Schmelztemperatur höher als die des Klebstoffs (11) aufweist, wobei der Klebstoff (11) eine thermoplastische Polymermatrix mit elektrisch leitfähigen Füllstoffen enthält.
Verwendung des Kontaktierungsgarns (3) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 als elektrischer Leiter nachdem eine elektrische Kontaktstelle (2) in einem textilen Flächengebilde (1) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet wurde.