柔性炭黑/聚合物生物电势电极的极化行为与性能稳定性研究
生物电监测可以高效地帮助判断心脏、大脑、肌肉等组织器官的健康状况，是可穿戴领域的重要研究方向。生物电势电极在生物电采集过程中起着至关重要的作用。目前使用最为广泛的是银/氯化银凝胶电极，因为其具有低而稳定的极化电位以及较低的阻抗。但是银/氯化银凝胶电极为一次性电极，且电极性能会随着凝胶失水大幅度降低。为了替代银/氯化银凝胶电极，研究者们探索了多种干式电极材料。然而，目前已报道的生物电势电极仍然面临许多问题与挑战： 1.制备工艺复杂。为了实现干式电极材料的柔性化，需要通过复杂的加工方法构造低维、曲型等电极结构满足生物电势电极低阻抗、低电阻率的需求。 2.极化电位不稳定。目前所报道的生物电势电极大虽然能在短时间内测得优异的信号，但由于其极化电位普遍不稳定，长时间测量易产生信号衰变。 针对以上问题与挑战，本课题以炭黑为导电填料，针对炭黑/聚合物复合物生物电势电极极化行为及其对性能稳定性的影响展开研究，开展的工作主要包括以下四个方面： 1.研究了金、铂、碳、银氯化银凝胶电极等市售电极的极化行为与生物电测试稳定性。研究了极化电位、电阻率以及界面阻抗对生物电信号测量的影响作用。 2.使用聚偏氟乙烯（PVDF）为聚合物基底、炭黑（CB）为导电填料，用物理混合方法制备了CB/PVDF柔性复合薄膜电极。其电阻率低至0.3Ω·cm并具有稳定的极化电位。研究了CB/PVDF柔性复合电极的生物电采集能力，测得的心电信号强度约为0.3mV，达到市售银/氯化银干电极材料的性能指标。 3.使用氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）为聚合物基底、炭黑为导电填料，延用上一章的方法，制备了CB/SEBS弹性薄膜电极。通过调控CB的含量，优化了电极的综合性能。该电极具有低而稳定的极化电位、低至1.53Ω·cm的电阻率、良好的拉伸循环性，并且可以贴附于皮肤表面，其所测得的生物电信号强度优于市售银/氯化银凝胶电极，稳定性达到市售湿电极水平。基于CB/SEBS弹性复合电极制备了生物电监测手环，成功实现手指肌电信号的采集。 4.利用湿法纺丝制备了CB/SEBS弹性纤维电极。通过调控纺丝液浓度和CB含量，优化了电极的综合性能。1000次拉伸循环后电极电阻变化率维持在6%，所测得的心电信号强度保持在0.9mV，优于市售银/氯化银凝胶电极，稳定性达到市售湿电极水平。将其与织物编织得到生物电监测腕带，并与心电采集模块、Arduino开发板、蓝牙模块、移动电源等集成构建了可穿戴生物电监测系统，实现了心电信号的实时监测。
生物电势电极;柔性炭黑;聚合物;制备工艺;极化行为;稳定性
东华大学
硕士
材料物理与化学
侯成义
2021
中文
TB347
2021-11-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）