紡織結構電極的耐用性研究

文/翟震宇 季榮 孫剛 朱錦華 石東亮

自從1993年由美國麻省理工學院媒體實驗室提出“智能服飾”的概念后，各國都開發了各種不同的智能心電監護服飾，主要是心電監護服、心電帶，該類產品大多數都采取了紡織結構電極作為信號傳感器，實現了傳感器和服飾產品的整合，并取得了較為理想的效果。這其中，紡織結構電極的耐用性成為影響該類智能服飾產品的關鍵考量因素。

目前已有較多的文獻和資料是關于不同類型紡織結構電極的性能比較的，例如Tomas Bystricky等人對使用針織和刺繡兩種不同結構織物電極獲得的心電信號進行了比較，王慧玲等以棉針織物為基體材料，選用280D鍍銀導電縫紉線經縫制法制備電子織物，作為心電信號采集傳感器，并對該類織物進行了拉伸性、耐磨性和耐水洗性等性能測試，戴明等人采用聚吡咯織物電極作為心電輸入電極，并對織物電極和傳統濕電極與皮膚間的接觸阻抗進行測試和比較。然而，紡織結構電極作為心電監護智能服飾的核心部件，在使用過程中必然要經歷出汗、洗滌、晾曬、摩擦等過程，現有文獻中模擬正常使用條件下對紡織結構電極耐用性進行全面研究的并不多見。本文將采用單因素分析法，對不同類型紡織結構電極在出汗、洗滌、晾曬、摩擦等過程中的電學性能變化進行測試和比較，從而對其耐用性進行研究。

1 試驗部分

1.1 用于制作紡織結構電極的試驗材料

從市場上購買的鍍銀導電面料1#～4#，經X射線熒光光譜儀（XRF）測試，纖維表面鍍層中含銀量均大于99%，其結構參數見表1。

表1 導電面料的結構參數

TPU熱熔膠膜：厚度0.15mm，熔融溫度范圍約在110℃～125℃。針織泡泡空氣層面料，幅寬155cm，厚度2.2mm，克重310g/m。醫療電極專用按扣，公扣直徑3.9mm，母扣4.0mm。手工壓扣機及合適的壓扣模具。直徑38mm的裁樣器。電熨斗或平板壓燙機，溫度設定為130℃～140℃。

1.2 其他材料與儀器

試劑：NaCl(分析純，國藥試劑) 、去離子水、合適的容器、開孔壓板、海綿、導線、絕緣膠布等。1260A高精度寬頻阻抗分析儀（英國 Solartron）。TM4000Plus掃描電鏡（日本日立）。心電信號采集盒（寧波愛邦智能科技有限公司）。

1.3 制作紡織結構電極

用裁樣器切割鍍銀導電面料、TPU熱熔膠膜和針織泡泡空氣層面料各1塊，將三者依次重疊構成組合試樣，然后用達到預設溫度的電熨斗或平板壓燙機將組合試樣壓燙一定時間，使中間的TPU薄膜熔化將三者粘合成一個整體。

在組合試樣中心剪1個圓形小孔，用專用按扣的公扣穿過該小孔，套上母扣，再用手工壓扣機將專用按扣固定在組合試樣上，一個紡織結構電極制作完成，具體如圖1所示。兩個電極組成電極對，安放于服裝或服飾中的合適部位，即可用于采集心電信號。

圖1 紡織結構電極的結構示意圖及實樣

1.4 紡織復合電極的性能評價

1.4.1 阻抗測試

目前紡織結構電極的電學性能評價尚無明確的標準，已開展的大量研究主要參考ANSI/AAMI EC 12:2000標準，國內的YY/T 0196—2005《一次性使用心電電極》也是在采用該標準的基礎上制定的。YY/T 0196—2005僅規定對10Hz、不超過100μA（峰—峰）的外加電流下進行交流阻抗測試，對直流偏置電壓的要求是經過1min穩定期之后，一對電極中間隔著導電膠的偏置電壓不超過100mV。

心電信號(ECG)作為心臟電活動在人體體表的表現，信號一般比較微弱，幅度在0.1mV～3mV，正常的ECG 信號頻率范圍為0. 5Hz～150Hz，其能量集中在低頻段。結合YY/T 0196—2005的規定，兼顧研究紡織復合電極在高頻區的阻抗性能，本研究確定頻率掃描范圍為1Hz～1MHz，在電極對上施加的偏置電壓為100mV，采用1260A高精度寬頻阻抗分析儀進行阻抗測試。

測試容器中先放入合適厚度、密度的海綿，然后逐漸加入濃度為0.9% NaCl溶液，讓海綿充分吸水，使氯化鈉液面和海綿上表面相平。將一對相同的紡織結構電極對置于海綿上表面，對電極的中心距離為8 cm，氯化鈉液體不能沒過電極工作面，連接阻抗分析儀進行電極對的靜態阻抗測試，見圖2。

圖2 電極阻抗測試示意圖

1.4.2 耐用性測試

結合心電監護服飾的日常使用條件，本研究對按1.3制作的紡織結構電極，進行了磨損、汗漬、水洗處理、光照處理，測試方法均采用已正式發布的國家標準，以模擬紡織結構電極的日常使用情況，然后測試這些紡織結構電極的阻抗變化情況。

1.4.2.1 磨損處理

按GB/T 21196.2—2007執行，每種電極準備4對樣品，分別在馬丁代爾耐磨試驗儀上分別摩擦2000次、5000次、10000次、20000次。

1.4.2.2 汗漬處理

按GB/T 3922—2013配制堿性人工汗液，每種電極分別準備3對樣品，在人工汗液中浸泡3天、7天、14天，然后在自來水中漂洗干凈，自然晾干，備用。14 天（336小時）相當于大汗淋漓情況下每天佩戴1小時，大約一年時間。

1.4.2.3 水洗處理

按GB/T 3921—2008方法A執行，每種電極分別準備3對樣品，分別洗滌10次、30次、60次，每次洗滌后自然晾干，完成后進行下一次水洗。

1.4.2.4 光照處理

按GB/T 8427—2019方法3執行，每種電極分別準備4對樣品，分別暴曬6h、24h、30h、48h。

2 結果與討論

2.1 紡織結構電極的耐磨損性比較

按1.4.1和1.4.2.1進行測試，為簡化起見，僅記錄頻率為10（

n

=0～6）時對應的阻抗值，得到的結果見表2。因阻抗降低有利于心電信號收集、傳導，因此僅比較阻抗增大的情況，用Δ表示樣品在處理前后的阻抗變化率，求其最大值，公式如公式（1）：

表2 紡織結構電極經磨損處理后的阻抗變化

其中：

X

——經處理后的阻抗值，Ω；

X

——阻抗原始值，Ω。

從表2整體數據來看，無論是針織物結構電極還是機織物結構電極，相同磨損條件下，在低頻時（10Hz、1Hz）的阻抗數據明顯增大，以1#樣品為例，具體結果見圖3。

圖3 1#樣品經磨損處理后的阻抗變化

由表2數據還可以發現，在相同的處理條件下，2#、4#樣品為機織面料，其制作成的電極阻抗變化率基本接近，1#、3#樣品為針織面料，1#樣品制作成的電極阻抗變化較大，3#樣品制作成的電極阻抗僅略有變化，不同針織物結構電極的耐磨損性能存在明顯的差異，可以認為機織物結構電極在磨損條件下的阻抗穩定性要優于針織物結構電極，分析這可能與針織物在磨損受力條件下的變形較大有關。

2.2 紡織結構電極的耐汗漬性比較

為獲得人體表面微弱的心電信號，紡織結構電極必須與人體皮膚直接接觸，部分時間、部分場合下就不可避免地與人體汗液相接觸，尤其是運動場景下的使用。

按1.4.1和1.4.2.2測試得到的結果見表3。

表3 紡織結構電極經汗漬處理后的阻抗變化

由表3數據可以發現，在相同的處理條件下，4#樣品經14天汗漬處理后，阻抗最大增加值（Δ）達到7445.1%，遠超其他樣品的試驗數據；2#和4#樣品經其他汗漬條件處理，其制作成的電極阻抗變化率差異不大，1#和3#樣品同為針織面料，1#樣品制作成的電極阻抗變化較大，3#樣品制作成的電極阻抗僅略有變化，說明不同的針織物結構電極的耐汗漬性能存在明顯的差異。

為分析4#樣品經14天汗漬處理后阻抗顯著增大的原因，用掃描電鏡觀察各樣品經人工汗液14天浸漬后的表面形態，具體見表4。

表4 紡織結構電極原樣和經14天汗漬處理后的表面形態

從表4可以發現，1#～3#樣品的表面鍍銀層變化不大，4#樣品經14天汗漬處理后，表面鍍銀層發生嚴重損壞，說明4#樣品的鍍銀層的耐汗漬性能明顯劣于其他樣品，這是導致4#樣品阻抗顯著增大的主要原因，屬于比較極端的情況，和導電織物所采用的織造方式關系不大。在鍍銀層未出現顯著損壞的前提下，總體上機織物結構電極在汗漬處理條件下的阻抗穩定性仍要優于針織物結構電極。

2.3 紡織結構電極的耐水洗性比較

智能心電監護服飾其設計用途一般是多次重復使用，需要進行洗滌，這就對紡織結構電極的耐水洗性能提出了要求。按1.4.1 和1.4.2.3測試得到的結果見表5。

表5 紡織結構電極經水洗處理后的阻抗變化

由表5數據可以發現，在相同的水洗處理條件下，1#～4#樣品制作成的電極阻抗和未經處理前均有較大幅度增長，但增長幅度存在很大差異。1#樣品制作成的電極阻抗最大增加991.0%，3#樣品制作成的電極阻抗最大增加100.4%，1#和3#樣品同為針織面料，其制作成的電極阻抗變化率的差異較大，要遠高于2#和4#樣品，可以認為機織物結構電極在水洗條件下的阻抗穩定性要優于針織物結構電極。

2.4 紡織結構電極的耐光照性比較

暴曬條件采用GB/T 8427—2019中的通常條件，按1.4.1和1.4.2.4測試得到的結果見表6。

表6 紡織結構電極經光照處理后的阻抗變化

由表6數據可以發現，1#～4#樣品制作成的電極阻抗和未經處理前相比變化很小，波動幅度相較于耐磨、汗漬和水洗處理，相差1～3個數量級，說明無論是針織物結構電極和機織物結構電極，光照對其阻抗影響都很小。大部分樣品的阻抗甚至略有降低，可能和樣品的鍍銀工藝有關，樣品中殘留的微量銀鹽，例如硝酸銀、氯化銀在光照條件下會分解出單質銀，增加了樣品的導電性。

2.5 針織物結構電極和機織物結構電極的綜合耐用性比較

1#～4#織物制成的結構電極，其原始樣品的阻抗值比較接近，結合2.1～2.4的數據，對二者的綜合性能進行比較，可以認為機織物結構電極的耐用性總體優于針織物結構電極，具體見表7。

表7 針織物結構電極和機織物結構電極的綜合耐用性比較

3 結論

本文采用單因素分析法，對針織物結構電極和機織物結構電極的耐用性進行比較后，得出以下結論：

（1）機織物結構電極的耐用性總體優于針織物結構電極。

（2）水洗處理對紡織結構電極的阻抗影響最大；其次是耐磨和汗漬，而在長期浸漬狀態下，鍍銀層的耐汗漬性能會起到決定性作用；光照處理對其阻抗幾乎沒有影響，甚至有微小的降低。