袁會(huì)錦，張 輝，謝光銀

(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織學(xué)院，浙江 寧波 315211;2.西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048)

隨著全球人口老齡化進(jìn)程的加快，各種心血管疾病成為老齡人的高發(fā)病，變成人類健康的頭號(hào)殺手。由于這類疾病具有長(zhǎng)期性、累積性、偶發(fā)性，使得常規(guī)的健康檢查不能有效地預(yù)防這類疾病的發(fā)生。目前可行的方法之一是對(duì)疾病進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)，即對(duì)心腦血管系統(tǒng)狀況進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)［1－3］，并將監(jiān)護(hù)信息及時(shí)有效地傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心進(jìn)行疾病預(yù)診斷。21世紀(jì)初，遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)研究逐漸成為醫(yī)療監(jiān)護(hù)的一個(gè)重要趨勢(shì)，可以由患者在家庭環(huán)境中使用的穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (Wearable Health Monitoring Systems，WHMS)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)，可穿戴的生物電信號(hào)測(cè)量電極受到越來越多研究者的關(guān)注［4－6］。

為了通過可穿戴化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)人體心電信號(hào)監(jiān)控，柔性心電電極成為研究重點(diǎn)，而紡織結(jié)構(gòu)電極具有穿著舒適，能夠適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的需要，可以較好地集成于監(jiān)護(hù)服裝中等優(yōu)點(diǎn)。近年來，紡織結(jié)構(gòu)電極監(jiān)測(cè)人體生物電信號(hào)受到越來越多的重視。各個(gè)研究小組探索采用紡織結(jié)構(gòu)電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)一次性電極，實(shí)施人體心電信號(hào)的測(cè)量，特別是長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)［7］。

在紡織結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)中，除了電極的材料體系外，織物結(jié)構(gòu)對(duì)紡織電極的性能有著重要的作用。在設(shè)計(jì)紡織結(jié)構(gòu)電極時(shí)，需要考慮纖維的結(jié)構(gòu)、紗線結(jié)構(gòu)以及織物結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)因素［8］。為研究不同紡織結(jié)構(gòu)對(duì)電極性能的影響，特別是對(duì)電極阻抗性能的影響，本文采用了鍍銀紗線作為原材料進(jìn)行分析。采用鍍銀紗線是因?yàn)?第一，減少分析織物結(jié)構(gòu)對(duì)電極阻抗影響時(shí)復(fù)雜的電鍍材料體系對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響;第二，在電極材料體系中，銀－氯化銀體系具有較低的極化阻抗，較低的平衡電勢(shì)，較高的導(dǎo)電率，較好的生理兼容性及良好的電化學(xué)性能，是紡織結(jié)構(gòu)電極最好材料體系之一［9］，采用鍍銀紗線進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析后，可以結(jié)合前期的電鍍工藝優(yōu)化研究，對(duì)鍍銀結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行氯化銀修飾，而采用鍍銀材料不影響對(duì)織物結(jié)構(gòu)的分析。本文采用模擬的方法分別對(duì)機(jī)織結(jié)構(gòu)、針織結(jié)構(gòu)以及刺繡結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本元素模擬，同時(shí)研究了織物密度、紗線連續(xù)狀態(tài)等影響因素，通過電化學(xué)阻抗譜的分析來探究織物結(jié)構(gòu)對(duì)電極性能的影響，從而為進(jìn)一步優(yōu)化紡織結(jié)構(gòu)電極提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

原料:鍍銀滌綸導(dǎo)電纖維(銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%)，線密度為30 tex×2，青島亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司生產(chǎn);十字繡布(純棉11CT中格)。

試劑:NaCl(≥99.5%)、去離子水。

儀器與設(shè)備:Model 1400A型阻抗儀、FA2204N型電子天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在心電測(cè)試中，由于心電信號(hào)是一個(gè)低頻交流信號(hào)［10］，其特征頻率位于0.1～10 Hz之間，所以，在分析紡織結(jié)構(gòu)心電電極時(shí)，必須對(duì)其低頻阻抗特征，特別是0.1～10 Hz頻率下的電化學(xué)性能進(jìn)行分析。目前，最常用的電化學(xué)體系分析方法是采用電化學(xué)阻抗譜(EIS)，它是表征器件阻抗、容抗及感抗指標(biāo)的重要手段［12］。這種方法也適用于紡織結(jié)構(gòu)電極的研究［12－14］。本文中紡織結(jié)構(gòu)電極的靜態(tài)阻抗測(cè)試采用Model 1400A型阻抗儀，頻率變化范圍為0.1～10000 Hz，掃描電壓為10 mV，對(duì)電極的距離為8 cm。將1對(duì)相同的試樣對(duì)置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的NaCl溶液里進(jìn)行靜態(tài)阻抗測(cè)試，如圖1所示。

圖1 靜態(tài)阻抗測(cè)試示意圖Fig.1 Experimental setup of static evaluation

試樣對(duì)的阻抗測(cè)試等效電路如圖2所示。圖中:Ret為紡織結(jié)構(gòu)電極的極化電阻，它反映電極材料的法拉第電流大小，即電極與電解質(zhì)之間的電化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度;Cdl為電極與電解質(zhì)溶液之間的雙電層電容(double layer capacitance);Re為電解質(zhì)溶液的電阻［15］。ZAB、ZCD、ZAD分別為 AB、CD、AD 兩端的阻抗，交流阻抗ZAD的計(jì)算式為

交流阻抗測(cè)試?yán)碚撋鲜遣捎?個(gè)完全相同的試樣對(duì)，由于氯化鈉溶液的電阻很小可以被忽略，因此

圖2 電極對(duì)的等效電阻Fig.2 Equivalent circuit of electrode pair

為了便于理論模型分析，本文假設(shè)鍍銀紗線直徑是均勻的(實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)廠家生產(chǎn)規(guī)格要求將紗線直徑不勻率控制在5%之內(nèi))，可以得出下式:

式中:ρ為紡織結(jié)構(gòu)電極材料的電阻率;L為紗線的有效長(zhǎng)度;Set為紗線的橫截面積;ξ為電容介電常數(shù);Sdl為電極中纖維集合體的表面積;d與雙電容中負(fù)離子(Cl－)半徑相當(dāng)。由此可以推導(dǎo)出公式:

當(dāng)紡織結(jié)構(gòu)電極采用同一種材料時(shí)，極化電阻Ret的電阻率ρ與紗線的橫截面積Set為恒定值，所以電阻Ret只與紗線的有效長(zhǎng)度L有關(guān);由于紡織結(jié)構(gòu)電極浸入氯化鈉溶液中進(jìn)行阻抗測(cè)試，d是相同的，所以Cdl只與電極的表面積Sdl有關(guān)。由式(3)～(5)可知:Cdl隨著電極表面積的增大而增大;交流阻抗隨著Cdl的增大而減小;電阻Re隨著紗線有效長(zhǎng)度的增大而增大，交流阻抗隨著Ret的增大而增大;交流阻抗隨著頻率的增大而減小。所以，從理論上看，為了使得電極與皮膚之間的阻抗小以獲得較清晰的心電電勢(shì)測(cè)試信號(hào)，在心電頻率一定的情況下，就必須設(shè)計(jì)出小的紗線極化電阻Ret與較大的雙電層電容Cdl。在采用相同材料的情況下，紗線的極化電阻則由紗線長(zhǎng)度決定，而雙電層電容主要由纖維集合體的結(jié)構(gòu)決定，即由制成的紡織結(jié)構(gòu)電極的紡織結(jié)構(gòu)決定。

2 結(jié)果與討論

2.1 紗線曲屈狀態(tài)對(duì)織物電極阻抗的影響

織物中經(jīng)緯紗線由于成型而呈現(xiàn)三維彎曲形態(tài)，只是其彎曲的程度有所不同，所以，從理論上講，所有織物結(jié)構(gòu)都可以通過三維屈曲紗線的互相組合而模擬。為研究不同織物結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜紗線屈曲狀態(tài)對(duì)阻抗大小的影響，本文通過分析紗線的屈曲狀態(tài)來模擬分析對(duì)不同織物結(jié)構(gòu)的影響，將相同長(zhǎng)度的鍍銀紗線成型在相同規(guī)格的十字繡布上，每種試樣的紗線在十字繡布上的曲屈狀態(tài)如圖3所示。每種試樣對(duì)的電化學(xué)阻抗譜如圖4所示。

2.3.2 穩(wěn)定性試驗(yàn) 取“2.2.2”項(xiàng)下供試品溶液（編號(hào)：S19）適量，分別于室溫下放置0、2、4、8、16、24 h時(shí)按“2.1”項(xiàng)下試驗(yàn)條件進(jìn)樣測(cè)定，以丹皮酚峰的保留時(shí)間和峰面積為參照，記錄各共有峰的相對(duì)保留時(shí)間和相對(duì)峰面積。結(jié)果，29個(gè)共有峰相對(duì)保留時(shí)間的RSD為0.01%～0.32%（n＝6），相對(duì)峰面積的RSD為0.47%～4.65%（n＝6），表明供試品溶液在室溫下放置24 h內(nèi)基本穩(wěn)定。

圖3 織物正面上的紗線Fig.3 Yarn on front of fabric.(a)Yarn under fully extended state;(b)Yarn under bent state;(c)Yarn under bent and tangled state

圖4 不同屈曲狀態(tài)下單根紗線的電化學(xué)阻抗譜Fig.4 Electrochemical impedance spectra of yarn under different bending and interlocking states

從圖4可看出，3種試樣的交流阻抗隨著頻率的增加而減小，不同屈曲狀態(tài)下單根紗線的電化學(xué)阻抗譜基本吻合。這是因?yàn)?相同長(zhǎng)度下，單根銀紗線不同彎曲狀態(tài)時(shí)，織物的極化電阻是相同的，從式(4)可看出，它是由紗線的有效長(zhǎng)度L決定的，而3根紗線的長(zhǎng)度一致，同時(shí)，由等效電路圖2可看出，整個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗是由極化電阻與雙電層電容的容抗并聯(lián)組成，極化電阻與信號(hào)的頻率無關(guān)，由式(5)分析可知，容抗的大小隨頻率的增大而減小，所以，從圖4看出，在低頻區(qū)域，3條曲線重合，說明3根紗線的極化電阻相等，而隨著頻率的增大，容抗參與貢獻(xiàn)導(dǎo)電，阻抗減小，在10000 Hz附近，曲線c的阻抗比其他2條曲線的阻抗要小一些，這是由于高屈曲狀態(tài)下紗線形成的雙電層電容相對(duì)于直線來說要大一些。

2.2 織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)電極阻抗性能的影響

從目前的研究來看，研究者［16－17］已經(jīng)對(duì)紡織結(jié)構(gòu)包括機(jī)織、針織、刺繡、提花、非織造等進(jìn)行了分析，但是鮮有研究對(duì)這些結(jié)構(gòu)從機(jī)制上進(jìn)行全面地分析與比較。本文實(shí)驗(yàn)采用鍍銀紗線，制作3種不同的基礎(chǔ)紡織結(jié)構(gòu)試樣，分別模擬機(jī)織平紋、針織、刺繡毛圈結(jié)構(gòu)，如圖5所示。每個(gè)試樣紗線總長(zhǎng)度都為80 cm，所占十字繡總面積相等，有效長(zhǎng)度為65 cm。每種試樣對(duì)的電化學(xué)阻抗譜如圖6所示。

由圖6可知:在低頻(＜0.2 Hz)下，3種試樣的阻抗逐漸接近。這是因?yàn)榕c圖4一樣，3種織物采用相同長(zhǎng)度的鍍銀紗線，織物的極化電阻是相同的，因此當(dāng)f→0時(shí)，3種織物結(jié)構(gòu)的電極阻抗趨向相同;隨著頻率的增加，由于電容導(dǎo)電的貢獻(xiàn)，4種電極的阻抗下降，在高頻下，刺繡毛圈結(jié)構(gòu)的阻抗最小。這與前面實(shí)驗(yàn)分析不同屈曲的紗線結(jié)構(gòu)吻合非常好，刺繡線圈具有較多的紗線屈曲，所以表現(xiàn)出較低的阻抗，其次是針織線圈，阻抗最大的是具有直線結(jié)構(gòu)的機(jī)織平紋組織，可以看出，相對(duì)于直線型紗線結(jié)構(gòu)的織物組織，具有較高屈曲的紗線結(jié)構(gòu)可以形成比較大的雙電層電容。

圖5 3種試樣正面圖Fig.5 Front of three kinds of fabric.(a)Woven plain fabric;(b)Knitting loop fabric;(c)Terry fabric

圖6 不同織物組織試樣對(duì)的電化學(xué)阻抗譜Fig.6 Electrochemical impedance spectra of fabric under different structures

2.3 織物密度對(duì)阻抗性能的影響

為研究織物密度對(duì)紡織結(jié)構(gòu)電極阻抗的影響，將相同長(zhǎng)度的鍍銀紗線以不同密度成型在相同規(guī)格的十字繡布上，其密度分別為 5行/4.5 cm、5行/2.7 cm、5行/1.0 cm，3種織物的電化學(xué)阻抗譜如圖7所示。

從圖7中可得出:3種織物的阻抗均隨著頻率的增大而減小;密度最小的織物其阻抗最小，密度居中的織物次之，密度最大的織物其阻抗最大。這是因?yàn)?，在電解液中，電荷轉(zhuǎn)移是通過離子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的，電極反應(yīng)的凈速率完全由電活性物質(zhì)從溶液到電極表面的物質(zhì)傳遞速率來決定的［18］。密度比較小的織物，在相同時(shí)間內(nèi)消耗電解質(zhì)相同量的情況下，與其接觸的液體面積較大，電容較大，因此，密度較小的織物其阻抗較小。

2.4 紗線連續(xù)狀態(tài)對(duì)阻抗性能的影響

圖7 不同密度織物的電化學(xué)阻抗譜Fig.7 Electrochemical impedance spectra of fabric under different densities

將總長(zhǎng)度相同的銀紗線分別分成3種連續(xù)狀態(tài)，成型在相同規(guī)格的十字繡布上，如圖8所示。其中圖8(a)示出1根50 cm的銀紗線，圖8(b)示出5段、每段長(zhǎng)10 cm的銀紗線，圖8(c)示出10段、每段長(zhǎng)5 cm的銀紗線。其電學(xué)模型如圖9所示。3種紡織結(jié)構(gòu)電極的電化學(xué)阻抗譜如圖10所示。

圖8 3種織物的示意圖Fig.8 Schematic diagram of three kinds of fabrics

圖9 3種織物的電學(xué)模型Fig.9 Electrical models of three kinds of fabrics

圖10 不同紗線連續(xù)狀態(tài)試樣對(duì)的電化學(xué)阻抗譜Fig.10 Electrochemical impedance spectrum of yarn under different continuous states

由圖10可看出:在低頻區(qū)域，50 cm×1織物阻抗最大，10 cm×5織物阻抗次之，而5 cm×10織物阻抗最小。這是由于三者采用的紗線長(zhǎng)度不一樣，其極化電阻是不一樣的;10 Hz時(shí)，三者的阻抗差別明顯增大，10 cm×5織物的阻抗比50 cm×1織物降低了63%左右，而5 cm×10織物阻抗比50 cm×1織物降低了73%左右，隨著頻率的增加，由于容抗的貢獻(xiàn)，3種電極的阻抗都隨之減小;通過三者的電學(xué)模型分析，對(duì)于n個(gè)相等的電阻R并聯(lián)時(shí)，R并=R/n，對(duì)于n個(gè)相等的電容 C并聯(lián)時(shí)，C并=nC，所以 R50cm×1＞R10 cm×5＞ R5 cm×10，C50 cm×1＜ C10 cm×5＜ C5 cm×10;根據(jù)式(3)可知，交流阻抗隨著電阻的減小而減小，隨著電容的增大而減小。

2.5 紗線數(shù)量對(duì)電極阻抗性能的影響

圖11 3種紡織結(jié)構(gòu)電極的示意圖Fig.11 Schematic diagrams of three textile－structured electrodes

圖12 n根鍍銀紗線并聯(lián)電學(xué)模型Fig.12 Electrical model of n silver yarns in parallel

圖13 不同紗線數(shù)量試樣對(duì)的電化學(xué)阻抗譜Fig.13 Electrochemical impedance spectrum of yarn under different numbers

從圖13可看出:在低頻區(qū)域，紗線根數(shù)n為5的織物電極阻抗最大，n為10時(shí)的織物電極阻抗次之，而當(dāng)n為20時(shí)的織物電極阻抗最小。這說明并聯(lián)紗線的根數(shù)越多，阻抗越低。這是因?yàn)閷?duì)于n個(gè)相等的電阻R并聯(lián)時(shí)，R并=R/n;對(duì)于n個(gè)相等的電容C并聯(lián)時(shí)，C并=nC，因此，當(dāng) R5cm×5＞ R5cm×10＞ R5cm×20，C5cm×5＜C5cm×10＜C5cm×20，根據(jù)式(3)可知，交流阻抗隨著電阻的減小而減小，隨著電容的增大而減小，所以，5 cm×20織物的阻抗最小，5 cm×10織物次之，5 cm×5織物阻抗最大。而隨著頻率的增大，容抗參與貢獻(xiàn)導(dǎo)電，三者的阻抗都隨之減小，在10000 Hz附近，3種織物的阻抗差異不是很明顯。

3 結(jié)論

紡織結(jié)構(gòu)電極能夠較好地集于服裝中，是可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)服裝的重要組成部分。本文通過織物結(jié)構(gòu)元素化模擬并結(jié)合電化學(xué)阻抗譜分析，為可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)服裝中紡織結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)提供以下理論參考。

1)相同長(zhǎng)度的紗線在織物中的屈曲狀態(tài)對(duì)電極阻抗性能影響極小，因此在設(shè)計(jì)紡織結(jié)構(gòu)電極時(shí)主要通過設(shè)計(jì)面料單位面積內(nèi)紗線長(zhǎng)度來減小織物電極的阻抗。

2)在模擬機(jī)織平紋、針織線圈及刺繡毛圈織物的研究中，通過電化學(xué)阻抗譜分析可知，刺繡毛圈的阻抗最小，因此，在設(shè)計(jì)織物組織方面，應(yīng)盡可能地增大紡織結(jié)構(gòu)電極的有效接觸面積，使其與電解液之間的電容增大，這樣有利于降低電極的低頻阻抗。

3)在織物密度對(duì)阻抗性能的影響對(duì)比探究中可得出，織物密度最小的電極其阻抗較小，而織物密度最大的電極其阻抗較大。當(dāng)頻率為10 Hz時(shí)，密度為5行/4.5 cm織物的阻抗比密度為5行/1.0 cm織物僅降低了19%左右，因此，僅從紡織結(jié)構(gòu)方面可以看出，相同紗線長(zhǎng)度的情況下，織物密度對(duì)電極阻抗性能的影響較小，也可能會(huì)在紡織結(jié)構(gòu)電極與人體皮膚接觸中產(chǎn)生影響。

4)紗線連續(xù)狀態(tài)對(duì)電極阻抗性能的影響較大，從電化學(xué)阻抗譜并結(jié)合電路模型分析可知，在紗線總長(zhǎng)度一定的情況下，紗線的并聯(lián)連接方式對(duì)降低電極阻抗是有利的，因此，在設(shè)計(jì)織物結(jié)構(gòu)時(shí)，連續(xù)成型的結(jié)構(gòu)，諸如緯編針織結(jié)構(gòu)就是不理想的結(jié)構(gòu)。

5)在低頻區(qū)域時(shí)，紗線并聯(lián)數(shù)量對(duì)電極阻抗性能影響較大，從電化學(xué)阻抗譜并結(jié)合電路模型分析可知，在相同條件下，紗線數(shù)量越多，電極阻抗越小，但是，采用數(shù)量較多的紗線時(shí)，生產(chǎn)成本相對(duì)較高一些，因此，在設(shè)計(jì)織物結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將理論結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，選擇合適的數(shù)量。

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