紡織結(jié)構(gòu)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(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室提出“智能服飾”的概念后，各國(guó)都開發(fā)了各種不同的智能心電監(jiān)護(hù)服飾，主要是心電監(jiān)護(hù)服、心電帶，該類產(chǎn)品大多數(shù)都采取了紡織結(jié)構(gòu)電極作為信號(hào)傳感器，實(shí)現(xiàn)了傳感器和服飾產(chǎn)品的整合，并取得了較為理想的效果。這其中，紡織結(jié)構(gòu)電極的耐用性成為影響該類智能服飾產(chǎn)品的關(guān)鍵考量因素。

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

1 試驗(yàn)部分

1.1 用于制作紡織結(jié)構(gòu)電極的試驗(yàn)材料

從市場(chǎng)上購(gòu)買的鍍銀導(dǎo)電面料1#～4#，經(jīng)X射線熒光光譜儀（XRF）測(cè)試，纖維表面鍍層中含銀量均大于99%，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)電面料的結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(yī)療電極專用按扣，公扣直徑3.9mm，母扣4.0mm。手工壓扣機(jī)及合適的壓扣模具。直徑38mm的裁樣器。電熨斗或平板壓燙機(jī)，溫度設(shè)定為130℃～140℃。

1.2 其他材料與儀器

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

1.3 制作紡織結(jié)構(gòu)電極

用裁樣器切割鍍銀導(dǎo)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(gòu)成組合試樣，然后用達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的電熨斗或平板壓燙機(jī)將組合試樣壓燙一定時(shí)間，使中間的TPU薄膜熔化將三者粘合成一個(gè)整體。

在組合試樣中心剪1個(gè)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(jī)將專用按扣固定在組合試樣上，一個(gè)紡織結(jié)構(gòu)電極制作完成，具體如圖1所示。兩個(gè)電極組成電極對(duì)，安放于服裝或服飾中的合適部位，即可用于采集心電信號(hào)。

圖1 紡織結(jié)構(gòu)電極的結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)樣

1.4 紡織復(fù)合電極的性能評(píng)價(jià)

1.4.1 阻抗測(cè)試

目前紡織結(jié)構(gòu)電極的電學(xué)性能評(píng)價(jià)尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)，已開展的大量研究主要參考ANSI/AAMI EC 12:2000標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的YY/T 0196—2005《一次性使用心電電極》也是在采用該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的。YY/T 0196—2005僅規(guī)定對(duì)10Hz、不超過100μA（峰—峰）的外加電流下進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，對(duì)直流偏置電壓的要求是經(jīng)過1min穩(wěn)定期之后，一對(duì)電極中間隔著導(dǎo)電膠的偏置電壓不超過100mV。

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

測(cè)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(duì)相同的紡織結(jié)構(gòu)電極對(duì)置于海綿上表面，對(duì)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(jìn)行電極對(duì)的靜態(tài)阻抗測(cè)試，見圖2。

圖2 電極阻抗測(cè)試示意圖

1.4.2 耐用性測(cè)試

結(jié)合心電監(jiān)護(hù)服飾的日常使用條件，本研究對(duì)按1.3制作的紡織結(jié)構(gòu)電極，進(jìn)行了磨損、汗?jié)n、水洗處理、光照處理，測(cè)試方法均采用已正式發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以模擬紡織結(jié)構(gòu)電極的日常使用情況，然后測(cè)試這些紡織結(jié)構(gòu)電極的阻抗變化情況。

1.4.2.1 磨損處理

按GB/T 21196.2—2007執(zhí)行，每種電極準(zhǔn)備4對(duì)樣品，分別在馬丁代爾耐磨試驗(yàn)儀上分別摩擦2000次、5000次、10000次、20000次。

1.4.2.2 汗?jié)n處理

按GB/T 3922—2013配制堿性人工汗液，每種電極分別準(zhǔn)備3對(duì)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(shí)）相當(dāng)于大汗淋漓情況下每天佩戴1小時(shí)，大約一年時(shí)間。

1.4.2.3 水洗處理

按GB/T 3921—2008方法A執(zhí)行，每種電極分別準(zhǔn)備3對(duì)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(jìn)行下一次水洗。

1.4.2.4 光照處理

按GB/T 8427—2019方法3執(zhí)行，每種電極分別準(zhǔn)備4對(duì)樣品，分別暴曬6h、24h、30h、48h。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡織結(jié)構(gòu)電極的耐磨損性比較

按1.4.1和1.4.2.1進(jìn)行測(cè)試，為簡(jiǎn)化起見，僅記錄頻率為10（

n

=0～6）時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗值，得到的結(jié)果見表2。因阻抗降低有利于心電信號(hào)收集、傳導(dǎo)，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(jié)構(gòu)電極經(jīng)磨損處理后的阻抗變化

其中：

X

——經(jīng)處理后的阻抗值，Ω；

X

——阻抗原始值，Ω。

從表2整體數(shù)據(jù)來看，無論是針織物結(jié)構(gòu)電極還是機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極，相同磨損條件下，在低頻時(shí)（10Hz、1Hz）的阻抗數(shù)據(jù)明顯增大，以1#樣品為例，具體結(jié)果見圖3。

圖3 1#樣品經(jīng)磨損處理后的阻抗變化

由表2數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，在相同的處理?xiàng)l件下，2#、4#樣品為機(jī)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(jié)構(gòu)電極的耐磨損性能存在明顯的差異，可以認(rèn)為機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極在磨損條件下的阻抗穩(wěn)定性要優(yōu)于針織物結(jié)構(gòu)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(guān)。

2.2 紡織結(jié)構(gòu)電極的耐汗?jié)n性比較

為獲得人體表面微弱的心電信號(hào)，紡織結(jié)構(gòu)電極必須與人體皮膚直接接觸，部分時(shí)間、部分場(chǎng)合下就不可避免地與人體汗液相接觸，尤其是運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的使用。

按1.4.1和1.4.2.2測(cè)試得到的結(jié)果見表3。

表3 紡織結(jié)構(gòu)電極經(jīng)汗?jié)n處理后的阻抗變化

由表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的處理?xiàng)l件下，4#樣品經(jīng)14天汗?jié)n處理后，阻抗最大增加值（Δ）達(dá)到7445.1%，遠(yuǎn)超其他樣品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；2#和4#樣品經(jīng)其他汗?jié)n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(jié)構(gòu)電極的耐汗?jié)n性能存在明顯的差異。

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

表4 紡織結(jié)構(gòu)電極原樣和經(jīng)14天汗?jié)n處理后的表面形態(tài)

從表4可以發(fā)現(xiàn)，1#～3#樣品的表面鍍銀層變化不大，4#樣品經(jīng)14天汗?jié)n處理后，表面鍍銀層發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，說明4#樣品的鍍銀層的耐汗?jié)n性能明顯劣于其他樣品，這是導(dǎo)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(dǎo)電織物所采用的織造方式關(guān)系不大。在鍍銀層未出現(xiàn)顯著損壞的前提下，總體上機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極在汗?jié)n處理?xiàng)l件下的阻抗穩(wěn)定性仍要優(yōu)于針織物結(jié)構(gòu)電極。

2.3 紡織結(jié)構(gòu)電極的耐水洗性比較

智能心電監(jiān)護(hù)服飾其設(shè)計(jì)用途一般是多次重復(fù)使用，需要進(jìn)行洗滌，這就對(duì)紡織結(jié)構(gòu)電極的耐水洗性能提出了要求。按1.4.1 和1.4.2.3測(cè)試得到的結(jié)果見表5。

表5 紡織結(jié)構(gòu)電極經(jīng)水洗處理后的阻抗變化

由表5數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的水洗處理?xiàng)l件下，1#～4#樣品制作成的電極阻抗和未經(jīng)處理前均有較大幅度增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)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(yuǎn)高于2#和4#樣品，可以認(rèn)為機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極在水洗條件下的阻抗穩(wěn)定性要優(yōu)于針織物結(jié)構(gòu)電極。

2.4 紡織結(jié)構(gòu)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(cè)試得到的結(jié)果見表6。

表6 紡織結(jié)構(gòu)電極經(jīng)光照處理后的阻抗變化

由表6數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，1#～4#樣品制作成的電極阻抗和未經(jīng)處理前相比變化很小，波動(dòng)幅度相較于耐磨、汗?jié)n和水洗處理，相差1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，說明無論是針織物結(jié)構(gòu)電極和機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極，光照對(duì)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(guān)，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(huì)分解出單質(zhì)銀，增加了樣品的導(dǎo)電性。

2.5 針織物結(jié)構(gòu)電極和機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極的綜合耐用性比較

1#～4#織物制成的結(jié)構(gòu)電極，其原始樣品的阻抗值比較接近，結(jié)合2.1～2.4的數(shù)據(jù)，對(duì)二者的綜合性能進(jìn)行比較，可以認(rèn)為機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極的耐用性總體優(yōu)于針織物結(jié)構(gòu)電極，具體見表7。

表7 針織物結(jié)構(gòu)電極和機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極的綜合耐用性比較

3 結(jié)論

本文采用單因素分析法，對(duì)針織物結(jié)構(gòu)電極和機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極的耐用性進(jìn)行比較后，得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)織物結(jié)構(gòu)電極的耐用性總體優(yōu)于針織物結(jié)構(gòu)電極。

（2）水洗處理對(duì)紡織結(jié)構(gòu)電極的阻抗影響最大；其次是耐磨和汗?jié)n，而在長(zhǎng)期浸漬狀態(tài)下，鍍銀層的耐汗?jié)n性能會(huì)起到?jīng)Q定性作用；光照處理對(duì)其阻抗幾乎沒有影響，甚至有微小的降低。