織物結構對紡織結構電極阻抗性能的影響

袁會錦，張 輝，謝光銀

(1.浙江紡織服裝職業技術學院紡織學院，浙江 寧波 315211;2.西安工程大學紡織與材料學院，陜西 西安 710048)

隨著全球人口老齡化進程的加快，各種心血管疾病成為老齡人的高發病，變成人類健康的頭號殺手。由于這類疾病具有長期性、累積性、偶發性，使得常規的健康檢查不能有效地預防這類疾病的發生。目前可行的方法之一是對疾病進行長期監護，即對心腦血管系統狀況進行長期實時監護［1－3］，并將監護信息及時有效地傳輸到監護中心進行疾病預診斷。21世紀初，遠程健康監測研究逐漸成為醫療監護的一個重要趨勢，可以由患者在家庭環境中使用的穿戴式健康監測系統 (Wearable Health Monitoring Systems，WHMS)已經成為國內外研究人員關注的熱點，可穿戴的生物電信號測量電極受到越來越多研究者的關注［4－6］。

為了通過可穿戴化產品實現人體心電信號監控，柔性心電電極成為研究重點，而紡織結構電極具有穿著舒適，能夠適應長時間監測的需要，可以較好地集成于監護服裝中等優點。近年來，紡織結構電極監測人體生物電信號受到越來越多的重視。各個研究小組探索采用紡織結構電極代替傳統一次性電極，實施人體心電信號的測量，特別是長時間的監測［7］。

在紡織結構電極的設計中，除了電極的材料體系外，織物結構對紡織電極的性能有著重要的作用。在設計紡織結構電極時，需要考慮纖維的結構、紗線結構以及織物結構等結構因素［8］。為研究不同紡織結構對電極性能的影響，特別是對電極阻抗性能的影響，本文采用了鍍銀紗線作為原材料進行分析。采用鍍銀紗線是因為:第一，減少分析織物結構對電極阻抗影響時復雜的電鍍材料體系對結構分析的影響;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，較高的導電率，較好的生理兼容性及良好的電化學性能，是紡織結構電極最好材料體系之一［9］，采用鍍銀紗線進行結構優化設計分析后，可以結合前期的電鍍工藝優化研究，對鍍銀結構體系進行氯化銀修飾，而采用鍍銀材料不影響對織物結構的分析。本文采用模擬的方法分別對機織結構、針織結構以及刺繡結構進行基本元素模擬，同時研究了織物密度、紗線連續狀態等影響因素，通過電化學阻抗譜的分析來探究織物結構對電極性能的影響，從而為進一步優化紡織結構電極提供一定的理論參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

原料:鍍銀滌綸導電纖維(銀質量分數為18%)，線密度為30 tex×2，青島亨通偉業特種織物科技有限公司生產;十字繡布(純棉11CT中格)。

試劑:NaCl(≥99.5%)、去離子水。

儀器與設備:Model 1400A型阻抗儀、FA2204N型電子天平。

1.2 實驗原理

在心電測試中，由于心電信號是一個低頻交流信號［10］，其特征頻率位于0.1～10 Hz之間，所以，在分析紡織結構心電電極時，必須對其低頻阻抗特征，特別是0.1～10 Hz頻率下的電化學性能進行分析。目前，最常用的電化學體系分析方法是采用電化學阻抗譜(EIS)，它是表征器件阻抗、容抗及感抗指標的重要手段［12］。這種方法也適用于紡織結構電極的研究［12－14］。本文中紡織結構電極的靜態阻抗測試采用Model 1400A型阻抗儀，頻率變化范圍為0.1～10000 Hz，掃描電壓為10 mV，對電極的距離為8 cm。將1對相同的試樣對置于質量分數為0.9%的NaCl溶液里進行靜態阻抗測試，如圖1所示。

圖1 靜態阻抗測試示意圖Fig.1 Experimental setup of static evaluation

試樣對的阻抗測試等效電路如圖2所示。圖中:Ret為紡織結構電極的極化電阻，它反映電極材料的法拉第電流大小，即電極與電解質之間的電化學反應強度;Cdl為電極與電解質溶液之間的雙電層電容(double layer capacitance);Re為電解質溶液的電阻［15］。ZAB、ZCD、ZAD分別為 AB、CD、AD 兩端的阻抗，交流阻抗ZAD的計算式為

交流阻抗測試理論上是采用2個完全相同的試樣對，由于氯化鈉溶液的電阻很小可以被忽略，因此

圖2 電極對的等效電阻Fig.2 Equivalent circuit of electrode pair

為了便于理論模型分析，本文假設鍍銀紗線直徑是均勻的(實際生產中，根據廠家生產規格要求將紗線直徑不勻率控制在5%之內)，可以得出下式:

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

當紡織結構電極采用同一種材料時，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只與紗線的有效長度L有關;由于紡織結構電極浸入氯化鈉溶液中進行阻抗測試，d是相同的，所以Cdl只與電極的表面積Sdl有關。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測試信號，在心電頻率一定的情況下，就必須設計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度決定，而雙電層電容主要由纖維集合體的結構決定，即由制成的紡織結構電極的紡織結構決定。

2 結果與討論

2.1 紗線曲屈狀態對織物電極阻抗的影響

織物中經緯紗線由于成型而呈現三維彎曲形態，只是其彎曲的程度有所不同，所以，從理論上講，所有織物結構都可以通過三維屈曲紗線的互相組合而模擬。為研究不同織物結構形成的復雜紗線屈曲狀態對阻抗大小的影響，本文通過分析紗線的屈曲狀態來模擬分析對不同織物結構的影響，將相同長度的鍍銀紗線成型在相同規格的十字繡布上，每種試樣的紗線在十字繡布上的曲屈狀態如圖3所示。每種試樣對的電化學阻抗譜如圖4所示。

2.3.2 穩定性試驗 取“2.2.2”項下供試品溶液（編號：S19）適量，分別于室溫下放置0、2、4、8、16、24 h時按“2.1”項下試驗條件進樣測定，以丹皮酚峰的保留時間和峰面積為參照，記錄各共有峰的相對保留時間和相對峰面積。結果，29個共有峰相對保留時間的RSD為0.01%～0.32%（n＝6），相對峰面積的RSD為0.47%～4.65%（n＝6），表明供試品溶液在室溫下放置24 h內基本穩定。

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 不同屈曲狀態下單根紗線的電化學阻抗譜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，不同屈曲狀態下單根紗線的電化學阻抗譜基本吻合。這是因為:相同長度下，單根銀紗線不同彎曲狀態時，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度L決定的，而3根紗線的長度一致，同時，由等效電路圖2可看出，整個電化學系統的阻抗是由極化電阻與雙電層電容的容抗并聯組成，極化電阻與信號的頻率無關，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，容抗參與貢獻導電，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下紗線形成的雙電層電容相對于直線來說要大一些。

2.2 織物組織結構對電極阻抗性能的影響

從目前的研究來看，研究者［16－17］已經對紡織結構包括機織、針織、刺繡、提花、非織造等進行了分析，但是鮮有研究對這些結構從機制上進行全面地分析與比較。本文實驗采用鍍銀紗線，制作3種不同的基礎紡織結構試樣，分別模擬機織平紋、針織、刺繡毛圈結構，如圖5所示。每個試樣紗線總長度都為80 cm，所占十字繡總面積相等，有效長度為65 cm。每種試樣對的電化學阻抗譜如圖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。這是因為與圖4一樣，3種織物采用相同長度的鍍銀紗線，織物的極化電阻是相同的，因此當f→0時，3種織物結構的電極阻抗趨向相同;隨著頻率的增加，由于電容導電的貢獻，4種電極的阻抗下降，在高頻下，刺繡毛圈結構的阻抗最小。這與前面實驗分析不同屈曲的紗線結構吻合非常好，刺繡線圈具有較多的紗線屈曲，所以表現出較低的阻抗，其次是針織線圈，阻抗最大的是具有直線結構的機織平紋組織，可以看出，相對于直線型紗線結構的織物組織，具有較高屈曲的紗線結構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的電化學阻抗譜Fig.6 Electrochemical impedance spectra of fabric under different structures

2.3 織物密度對阻抗性能的影響

為研究織物密度對紡織結構電極阻抗的影響，將相同長度的鍍銀紗線以不同密度成型在相同規格的十字繡布上，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。這是因為，在電解液中，電荷轉移是通過離子運動進行的，電極反應的凈速率完全由電活性物質從溶液到電極表面的物質傳遞速率來決定的［18］。密度比較小的織物，在相同時間內消耗電解質相同量的情況下，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 紗線連續狀態對阻抗性能的影響

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

將總長度相同的銀紗線分別分成3種連續狀態，成型在相同規格的十字繡布上，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10 cm的銀紗線，圖8(c)示出10段、每段長5 cm的銀紗線。其電學模型如圖9所示。3種紡織結構電極的電化學阻抗譜如圖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種織物的電學模型Fig.9 Electrical models of three kinds of fabrics

圖10 不同紗線連續狀態試樣對的電化學阻抗譜Fig.10 Electrochemical impedance spectrum of yarn under different continuous states

由圖10可看出:在低頻區域，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度不一樣，其極化電阻是不一樣的;10 Hz時，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，3種電極的阻抗都隨之減小;通過三者的電學模型分析，對于n個相等的電阻R并聯時，R并=R/n，對于n個相等的電容 C并聯時，C并=nC，所以 R50cm×1＞R10 cm×5＞ R5 cm×10，C50 cm×1＜ C10 cm×5＜ C5 cm×10;根據式(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 紗線數量對電極阻抗性能的影響

圖11 3種紡織結構電極的示意圖Fig.11 Schematic diagrams of three textile－structured electrodes

圖12 n根鍍銀紗線并聯電學模型Fig.12 Electrical model of n silver yarns in parallel

圖13 不同紗線數量試樣對的電化學阻抗譜Fig.13 Electrochemical impedance spectrum of yarn under different numbers

從圖13可看出:在低頻區域，紗線根數n為5的織物電極阻抗最大，n為10時的織物電極阻抗次之，而當n為20時的織物電極阻抗最小。這說明并聯紗線的根數越多，阻抗越低。這是因為對于n個相等的電阻R并聯時，R并=R/n;對于n個相等的電容C并聯時，C并=nC，因此，當 R5cm×5＞ R5cm×10＞ R5cm×20，C5cm×5＜C5cm×10＜C5cm×20，根據式(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，容抗參與貢獻導電，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 結論

紡織結構電極能夠較好地集于服裝中，是可穿戴醫療監護服裝的重要組成部分。本文通過織物結構元素化模擬并結合電化學阻抗譜分析，為可穿戴醫療監護服裝中紡織結構電極的設計提供以下理論參考。

1)相同長度的紗線在織物中的屈曲狀態對電極阻抗性能影響極小，因此在設計紡織結構電極時主要通過設計面料單位面積內紗線長度來減小織物電極的阻抗。

2)在模擬機織平紋、針織線圈及刺繡毛圈織物的研究中，通過電化學阻抗譜分析可知，刺繡毛圈的阻抗最小，因此，在設計織物組織方面，應盡可能地增大紡織結構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)在織物密度對阻抗性能的影響對比探究中可得出，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。當頻率為10 Hz時，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，僅從紡織結構方面可以看出，相同紗線長度的情況下，織物密度對電極阻抗性能的影響較小，也可能會在紡織結構電極與人體皮膚接觸中產生影響。

4)紗線連續狀態對電極阻抗性能的影響較大，從電化學阻抗譜并結合電路模型分析可知，在紗線總長度一定的情況下，紗線的并聯連接方式對降低電極阻抗是有利的，因此，在設計織物結構時，連續成型的結構，諸如緯編針織結構就是不理想的結構。

5)在低頻區域時，紗線并聯數量對電極阻抗性能影響較大，從電化學阻抗譜并結合電路模型分析可知，在相同條件下，紗線數量越多，電極阻抗越小，但是，采用數量較多的紗線時，生產成本相對較高一些，因此，在設計織物結構時，應將理論結合生產實際，選擇合適的數量。

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