面向人體上肢運動監(jiān)測的聚吡咯涂層機織物機電性能評價.pdf

1、肢體運動測試在康復醫(yī)學、體育運動等領域有著重要的應用。目前，臨床上用來測試肢體運動的裝置基本上都是以加速計、柔性電測角計、攝像機組成的運動捕捉系統(tǒng)。雖然這樣的系統(tǒng)能夠準確測量人體的動作，但它的便攜性和隱蔽性差，不方便使用。同時，這些組件為剛性或無彈性材料，如被固定在服裝上會影響人們穿著的舒適性。鑒于這些問題，可穿戴的肢體運動測試系統(tǒng)受到廣泛關注，特別是以柔性導電織物為傳感元件的應變傳感器系統(tǒng)。目前，由于針織物大變形的特性，織物應變傳感器

2、所用的織物結構大部分都是針織物。然而，由于針織物的易卷邊性以及易脫散性，會使得針織結構的織物傳感器在使用過程中的信號穩(wěn)定性相對較差。而機織結構比針織結構穩(wěn)定，以致它們傳輸信號更加穩(wěn)定。
　　本文為了兼顧良好的變形和信號的準確性，以彈力機織物——棉氨平紋機織物作為基質材料，以吡咯單體作為原材料，通過原位聚合法制備了聚吡咯導電機織物，研究其電阻性能、機電性能、電阻抗性能，以及該織物應用于上肢運動狀態(tài)監(jiān)測的實測性能，并論證了這類導電機織

3、物的電阻變化機理。具體來說，研究了以下內(nèi)容：
　?。?）采用原位化學聚合工藝制備聚吡咯導電機織物，并表征其電阻特性及電阻穩(wěn)定性。結果證實，聚吡咯導電織物的電阻在大氣環(huán)境中隨暴露時間增加而增加，但聚吡咯與織物具有很好的附著強度，耐洗滌性能好。
　　將聚吡咯導電織物置于大氣環(huán)境中，33天內(nèi)每隔48小時對電阻進行測試，測試結果表明，33天后織物的電阻增加了40％左右。參考GB/T3921-2008《紡織品色牢度耐皂洗色牢度》和GB

4、/T12490-2014《紡織品色牢度試驗耐家庭和商業(yè)洗滌色牢度》兩個標準設計了聚吡咯導電織物電阻耐洗性測試方案。測試結果表明，聚吡咯與織物具有很好的附著強度，經(jīng)過4h洗滌后沒有發(fā)現(xiàn)聚吡咯明顯脫落。但是洗滌過程中溶劑與聚吡咯發(fā)生脫摻雜反應，使得織物在洗滌之后電阻增加。
　?。?）針對應變敏感材料的基本屬性，對聚吡咯導電機織物在單軸拉伸下的機電性能及電阻抗性能進行測試及表征。結果表明，電阻隨織物在一定范圍的拉伸應變呈反比例變化，且拉

5、伸應變速度增加將引起應變敏感性降低及滯后性誤差增加，沒有明顯的感抗效應，動態(tài)響應重復性好。
　　采用織物反復拉伸儀對聚吡咯導電機織物在1mm/s的速度下進行反復拉伸，安捷倫39470數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)采集織物的電阻。通過測試發(fā)現(xiàn)，聚吡咯導電機織物（無論長絲織物還是短纖紗織物）的電阻在拉伸過程中減小，而在回復過程中增大。
　　改變拉伸儀的拉伸速度，測試不同拉伸速度下的機電性質。測試結果表明：聚吡咯導電機織物在10%應變率、拉伸速度

6、為1mm/s的條件下應變敏感性達到3.711，拉伸過程中的重復性誤差為8.7%，滯后性誤差為9.5%，線性相關系數(shù)達到0.9741。并且，隨著拉伸速度的增加，應變敏感性降低，拉伸過程中的重復性誤差降低，滯后性誤差增加，線性相關系數(shù)無明顯變化。
　　采用電化學工作站對聚吡咯導電機織在單軸拉伸下的阻抗特性進行測試，其在整個拉伸回復過程中呈現(xiàn)純電阻的性質，幾乎不受掃描頻率以及機械拉伸頻率的影響，保證了信號的準確性。
　　（3）針對

7、化學聚合聚吡咯導電機織物的拉伸、彎曲變形模式，采用組裝法逐步論證了聚吡咯導電機織物的電阻變化機理。結果表明聚吡咯導電機織物的電阻主要源自經(jīng)、緯紗線的接觸電阻。
　　為了得到聚吡咯導電機織物電阻的拉伸變化機理，對影響聚吡咯導電機織物電阻拉伸變化的三種可能因素，即紗線電阻、經(jīng)/緯紗線交織的接觸電阻和相鄰平行排列紗線之間的接觸,設計實驗逐一論證分析，結果表明以上三種因素都會影響導電織物的電阻變化，但經(jīng)/緯紗交織的接觸電阻主導聚吡咯導電機

8、織物電阻的拉伸變化。
　?。?）探究聚吡咯導電機織物作為傳感元件監(jiān)測上肢運動狀態(tài)的可行性及測試方法。結果顯示聚吡咯導電機織物可作為核心傳感元件監(jiān)測上肢功能運動狀態(tài)，測試時采用縫制方式裝配導電織物。
　　以聚吡咯導電機織物作為核心傳感元件，無線藍牙數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計了一個上肢運動測試傳感系統(tǒng)，對上肢的準靜態(tài)以及動態(tài)運動進行了測試，并驗證不同裝配方式對監(jiān)測結果的影響。測試結果表明，該測試方法能夠很好的反映手臂的彎曲角

9、度，手臂彎曲角度與電阻變化幾乎成線性變化，其中R2=0.95，且能夠很好地反映上肢的動態(tài)運動，如上肢的運動趨勢、運動頻率，包括彎曲運動以及旋轉運動。重復性驗證表明，導電織物與服裝縫合集成的過程中會影響測試的可重復性，在同一縫合方式下，不同時間對上肢運動的測試結果幾乎沒有變化，但是隨著縫合次數(shù)的增加會使得敏感性降低。
　　綜上所述，本文研究證明，聚吡咯彈力導電機織物作為應變傳感器測試人體功能運動是可行的。但是，化學聚合聚吡咯導電織物