织物结构对纺织结构电极阻抗性能的影响

袁会锦，张 辉，谢光银

(1.浙江纺织服装职业技术学院纺织学院，浙江 宁波 315211;2.西安工程大学纺织与材料学院，陕西 西安 710048)

随着全球人口老龄化进程的加快，各种心血管疾病成为老龄人的高发病，变成人类健康的头号杀手。由于这类疾病具有长期性、累积性、偶发性，使得常规的健康检查不能有效地预防这类疾病的发生。目前可行的方法之一是对疾病进行长期监护，即对心脑血管系统状况进行长期实时监护［1－3］，并将监护信息及时有效地传输到监护中心进行疾病预诊断。21世纪初，远程健康监测研究逐渐成为医疗监护的一个重要趋势，可以由患者在家庭环境中使用的穿戴式健康监测系统 (Wearable Health Monitoring Systems，WHMS)已经成为国内外研究人员关注的热点，可穿戴的生物电信号测量电极受到越来越多研究者的关注［4－6］。

为了通过可穿戴化产品实现人体心电信号监控，柔性心电电极成为研究重点，而纺织结构电极具有穿着舒适，能够适应长时间监测的需要，可以较好地集成于监护服装中等优点。近年来，纺织结构电极监测人体生物电信号受到越来越多的重视。各个研究小组探索采用纺织结构电极代替传统一次性电极，实施人体心电信号的测量，特别是长时间的监测［7］。

在纺织结构电极的设计中，除了电极的材料体系外，织物结构对纺织电极的性能有着重要的作用。在设计纺织结构电极时，需要考虑纤维的结构、纱线结构以及织物结构等结构因素［8］。为研究不同纺织结构对电极性能的影响，特别是对电极阻抗性能的影响，本文采用了镀银纱线作为原材料进行分析。采用镀银纱线是因为:第一，减少分析织物结构对电极阻抗影响时复杂的电镀材料体系对结构分析的影响;第二，在电极材料体系中，银－氯化银体系具有较低的极化阻抗，较低的平衡电势，较高的导电率，较好的生理兼容性及良好的电化学性能，是纺织结构电极最好材料体系之一［9］，采用镀银纱线进行结构优化设计分析后，可以结合前期的电镀工艺优化研究，对镀银结构体系进行氯化银修饰，而采用镀银材料不影响对织物结构的分析。本文采用模拟的方法分别对机织结构、针织结构以及刺绣结构进行基本元素模拟，同时研究了织物密度、纱线连续状态等影响因素，通过电化学阻抗谱的分析来探究织物结构对电极性能的影响，从而为进一步优化纺织结构电极提供一定的理论参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

原料:镀银涤纶导电纤维(银质量分数为18%)，线密度为30 tex×2，青岛亨通伟业特种织物科技有限公司生产;十字绣布(纯棉11CT中格)。

试剂:NaCl(≥99.5%)、去离子水。

仪器与设备:Model 1400A型阻抗仪、FA2204N型电子天平。

1.2 实验原理

在心电测试中，由于心电信号是一个低频交流信号［10］，其特征频率位于0.1～10 Hz之间，所以，在分析纺织结构心电电极时，必须对其低频阻抗特征，特别是0.1～10 Hz频率下的电化学性能进行分析。目前，最常用的电化学体系分析方法是采用电化学阻抗谱(EIS)，它是表征器件阻抗、容抗及感抗指标的重要手段［12］。这种方法也适用于纺织结构电极的研究［12－14］。本文中纺织结构电极的静态阻抗测试采用Model 1400A型阻抗仪，频率变化范围为0.1～10000 Hz，扫描电压为10 mV，对电极的距离为8 cm。将1对相同的试样对置于质量分数为0.9%的NaCl溶液里进行静态阻抗测试，如图1所示。

图1 静态阻抗测试示意图Fig.1 Experimental setup of static evaluation

试样对的阻抗测试等效电路如图2所示。图中:Ret为纺织结构电极的极化电阻，它反映电极材料的法拉第电流大小，即电极与电解质之间的电化学反应强度;Cdl为电极与电解质溶液之间的双电层电容(double layer capacitance);Re为电解质溶液的电阻［15］。ZAB、ZCD、ZAD分别为 AB、CD、AD 两端的阻抗，交流阻抗ZAD的计算式为

交流阻抗测试理论上是采用2个完全相同的试样对，由于氯化钠溶液的电阻很小可以被忽略，因此

图2 电极对的等效电阻Fig.2 Equivalent circuit of electrode pair

为了便于理论模型分析，本文假设镀银纱线直径是均匀的(实际生产中，根据厂家生产规格要求将纱线直径不匀率控制在5%之内)，可以得出下式:

式中:ρ为纺织结构电极材料的电阻率;L为纱线的有效长度;Set为纱线的横截面积;ξ为电容介电常数;Sdl为电极中纤维集合体的表面积;d与双电容中负离子(Cl－)半径相当。由此可以推导出公式:

当纺织结构电极采用同一种材料时，极化电阻Ret的电阻率ρ与纱线的横截面积Set为恒定值，所以电阻Ret只与纱线的有效长度L有关;由于纺织结构电极浸入氯化钠溶液中进行阻抗测试，d是相同的，所以Cdl只与电极的表面积Sdl有关。由式(3)～(5)可知:Cdl随着电极表面积的增大而增大;交流阻抗随着Cdl的增大而减小;电阻Re随着纱线有效长度的增大而增大，交流阻抗随着Ret的增大而增大;交流阻抗随着频率的增大而减小。所以，从理论上看，为了使得电极与皮肤之间的阻抗小以获得较清晰的心电电势测试信号，在心电频率一定的情况下，就必须设计出小的纱线极化电阻Ret与较大的双电层电容Cdl。在采用相同材料的情况下，纱线的极化电阻则由纱线长度决定，而双电层电容主要由纤维集合体的结构决定，即由制成的纺织结构电极的纺织结构决定。

2 结果与讨论

2.1 纱线曲屈状态对织物电极阻抗的影响

织物中经纬纱线由于成型而呈现三维弯曲形态，只是其弯曲的程度有所不同，所以，从理论上讲，所有织物结构都可以通过三维屈曲纱线的互相组合而模拟。为研究不同织物结构形成的复杂纱线屈曲状态对阻抗大小的影响，本文通过分析纱线的屈曲状态来模拟分析对不同织物结构的影响，将相同长度的镀银纱线成型在相同规格的十字绣布上，每种试样的纱线在十字绣布上的曲屈状态如图3所示。每种试样对的电化学阻抗谱如图4所示。

2.3.2 稳定性试验 取“2.2.2”项下供试品溶液（编号：S19）适量，分别于室温下放置0、2、4、8、16、24 h时按“2.1”项下试验条件进样测定，以丹皮酚峰的保留时间和峰面积为参照，记录各共有峰的相对保留时间和相对峰面积。结果，29个共有峰相对保留时间的RSD为0.01%～0.32%（n＝6），相对峰面积的RSD为0.47%～4.65%（n＝6），表明供试品溶液在室温下放置24 h内基本稳定。

图3 织物正面上的纱线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

图4 不同屈曲状态下单根纱线的电化学阻抗谱Fig.4 Electrochemical impedance spectra of yarn under different bending and interlocking states

从图4可看出，3种试样的交流阻抗随着频率的增加而减小，不同屈曲状态下单根纱线的电化学阻抗谱基本吻合。这是因为:相同长度下，单根银纱线不同弯曲状态时，织物的极化电阻是相同的，从式(4)可看出，它是由纱线的有效长度L决定的，而3根纱线的长度一致，同时，由等效电路图2可看出，整个电化学系统的阻抗是由极化电阻与双电层电容的容抗并联组成，极化电阻与信号的频率无关，由式(5)分析可知，容抗的大小随频率的增大而减小，所以，从图4看出，在低频区域，3条曲线重合，说明3根纱线的极化电阻相等，而随着频率的增大，容抗参与贡献导电，阻抗减小，在10000 Hz附近，曲线c的阻抗比其他2条曲线的阻抗要小一些，这是由于高屈曲状态下纱线形成的双电层电容相对于直线来说要大一些。

2.2 织物组织结构对电极阻抗性能的影响

从目前的研究来看，研究者［16－17］已经对纺织结构包括机织、针织、刺绣、提花、非织造等进行了分析，但是鲜有研究对这些结构从机制上进行全面地分析与比较。本文实验采用镀银纱线，制作3种不同的基础纺织结构试样，分别模拟机织平纹、针织、刺绣毛圈结构，如图5所示。每个试样纱线总长度都为80 cm，所占十字绣总面积相等，有效长度为65 cm。每种试样对的电化学阻抗谱如图6所示。

由图6可知:在低频(＜0.2 Hz)下，3种试样的阻抗逐渐接近。这是因为与图4一样，3种织物采用相同长度的镀银纱线，织物的极化电阻是相同的，因此当f→0时，3种织物结构的电极阻抗趋向相同;随着频率的增加，由于电容导电的贡献，4种电极的阻抗下降，在高频下，刺绣毛圈结构的阻抗最小。这与前面实验分析不同屈曲的纱线结构吻合非常好，刺绣线圈具有较多的纱线屈曲，所以表现出较低的阻抗，其次是针织线圈，阻抗最大的是具有直线结构的机织平纹组织，可以看出，相对于直线型纱线结构的织物组织，具有较高屈曲的纱线结构可以形成比较大的双电层电容。

图5 3种试样正面图Fig.5 Front of three kinds of fabric.(a)Woven plain fabric;(b)Knitting loop fabric;(c)Terry fabric

图6 不同织物组织试样对的电化学阻抗谱Fig.6 Electrochemical impedance spectra of fabric under different structures

2.3 织物密度对阻抗性能的影响

为研究织物密度对纺织结构电极阻抗的影响，将相同长度的镀银纱线以不同密度成型在相同规格的十字绣布上，其密度分别为 5行/4.5 cm、5行/2.7 cm、5行/1.0 cm，3种织物的电化学阻抗谱如图7所示。

从图7中可得出:3种织物的阻抗均随着频率的增大而减小;密度最小的织物其阻抗最小，密度居中的织物次之，密度最大的织物其阻抗最大。这是因为，在电解液中，电荷转移是通过离子运动进行的，电极反应的净速率完全由电活性物质从溶液到电极表面的物质传递速率来决定的［18］。密度比较小的织物，在相同时间内消耗电解质相同量的情况下，与其接触的液体面积较大，电容较大，因此，密度较小的织物其阻抗较小。

2.4 纱线连续状态对阻抗性能的影响

图7 不同密度织物的电化学阻抗谱Fig.7 Electrochemical impedance spectra of fabric under different densities

将总长度相同的银纱线分别分成3种连续状态，成型在相同规格的十字绣布上，如图8所示。其中图8(a)示出1根50 cm的银纱线，图8(b)示出5段、每段长10 cm的银纱线，图8(c)示出10段、每段长5 cm的银纱线。其电学模型如图9所示。3种纺织结构电极的电化学阻抗谱如图10所示。

图8 3种织物的示意图Fig.8 Schematic diagram of three kinds of fabrics

图9 3种织物的电学模型Fig.9 Electrical models of three kinds of fabrics

图10 不同纱线连续状态试样对的电化学阻抗谱Fig.10 Electrochemical impedance spectrum of yarn under different continuous states

由图10可看出:在低频区域，50 cm×1织物阻抗最大，10 cm×5织物阻抗次之，而5 cm×10织物阻抗最小。这是由于三者采用的纱线长度不一样，其极化电阻是不一样的;10 Hz时，三者的阻抗差别明显增大，10 cm×5织物的阻抗比50 cm×1织物降低了63%左右，而5 cm×10织物阻抗比50 cm×1织物降低了73%左右，随着频率的增加，由于容抗的贡献，3种电极的阻抗都随之减小;通过三者的电学模型分析，对于n个相等的电阻R并联时，R并=R/n，对于n个相等的电容 C并联时，C并=nC，所以 R50cm×1＞R10 cm×5＞ R5 cm×10，C50 cm×1＜ C10 cm×5＜ C5 cm×10;根据式(3)可知，交流阻抗随着电阻的减小而减小，随着电容的增大而减小。

2.5 纱线数量对电极阻抗性能的影响

图11 3种纺织结构电极的示意图Fig.11 Schematic diagrams of three textile－structured electrodes

图12 n根镀银纱线并联电学模型Fig.12 Electrical model of n silver yarns in parallel

图13 不同纱线数量试样对的电化学阻抗谱Fig.13 Electrochemical impedance spectrum of yarn under different numbers

从图13可看出:在低频区域，纱线根数n为5的织物电极阻抗最大，n为10时的织物电极阻抗次之，而当n为20时的织物电极阻抗最小。这说明并联纱线的根数越多，阻抗越低。这是因为对于n个相等的电阻R并联时，R并=R/n;对于n个相等的电容C并联时，C并=nC，因此，当 R5cm×5＞ R5cm×10＞ R5cm×20，C5cm×5＜C5cm×10＜C5cm×20，根据式(3)可知，交流阻抗随着电阻的减小而减小，随着电容的增大而减小，所以，5 cm×20织物的阻抗最小，5 cm×10织物次之，5 cm×5织物阻抗最大。而随着频率的增大，容抗参与贡献导电，三者的阻抗都随之减小，在10000 Hz附近，3种织物的阻抗差异不是很明显。

3 结论

纺织结构电极能够较好地集于服装中，是可穿戴医疗监护服装的重要组成部分。本文通过织物结构元素化模拟并结合电化学阻抗谱分析，为可穿戴医疗监护服装中纺织结构电极的设计提供以下理论参考。

1)相同长度的纱线在织物中的屈曲状态对电极阻抗性能影响极小，因此在设计纺织结构电极时主要通过设计面料单位面积内纱线长度来减小织物电极的阻抗。

2)在模拟机织平纹、针织线圈及刺绣毛圈织物的研究中，通过电化学阻抗谱分析可知，刺绣毛圈的阻抗最小，因此，在设计织物组织方面，应尽可能地增大纺织结构电极的有效接触面积，使其与电解液之间的电容增大，这样有利于降低电极的低频阻抗。

3)在织物密度对阻抗性能的影响对比探究中可得出，织物密度最小的电极其阻抗较小，而织物密度最大的电极其阻抗较大。当频率为10 Hz时，密度为5行/4.5 cm织物的阻抗比密度为5行/1.0 cm织物仅降低了19%左右，因此，仅从纺织结构方面可以看出，相同纱线长度的情况下，织物密度对电极阻抗性能的影响较小，也可能会在纺织结构电极与人体皮肤接触中产生影响。

4)纱线连续状态对电极阻抗性能的影响较大，从电化学阻抗谱并结合电路模型分析可知，在纱线总长度一定的情况下，纱线的并联连接方式对降低电极阻抗是有利的，因此，在设计织物结构时，连续成型的结构，诸如纬编针织结构就是不理想的结构。

5)在低频区域时，纱线并联数量对电极阻抗性能影响较大，从电化学阻抗谱并结合电路模型分析可知，在相同条件下，纱线数量越多，电极阻抗越小，但是，采用数量较多的纱线时，生产成本相对较高一些，因此，在设计织物结构时，应将理论结合生产实际，选择合适的数量。

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