CN110403751B - 柔性热变色交互的可穿戴热疗垫及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，包括自下而上依次堆叠的导热层、发热层和热色交互显示热绝缘层，所述导热层包括柔性基底，所述柔性基底上设置有金属导热通道，所述发热层包括柔性基底、柔性发热电阻和电极层，所述柔性发热电阻和电极层设置在所述柔性基底上，所述电极层设置在柔性发热电阻两侧，所述热色交互显示热绝缘层包括热色显示层和热绝缘层，所述热色显示层设置在所述热绝缘层上。本发明会对温度有更好的调节作用，通过上下层导热和绝热层的结构优化，使得下层导热层到达人体皮肤的热量更高且温度分布更均匀，提高了器件的热转化效率，更节省能耗。

Description

柔性热变色交互的可穿戴热疗垫及制备方法
技术领域
本发明涉及热疗垫及制备，具体涉及一种柔性热变色交互的可穿戴热疗垫及制备方法。
背景技术
随着柔性电子和物联网技术的快速发展，可穿戴设备已经引起了人们极大的关注。其中，薄膜加热器作为可穿戴器件之一，其主要利用电阻焦耳热进行加热，可广泛的应用于热疗垫，热值不变色显示器，传感器和微通道芯片等应用中。而作为薄膜加热器之一的热疗垫作为物理疗法之一，是目前整形外科等最商业化的治疗工具之一，其广泛的用于风湿性关节炎的康复，较少慢性炎症，降低关节硬度，改善血液循环，缓解肥胖引起疼痛等。
目前采用的热疗垫基本采用纺织纤维和导电线或导电带，存在体积较大，加热面积较大，佩戴不方便的问题，同时存在热度不均匀的问题；另外一种尚处于研究阶段的热疗垫多采用纳米级导电预渗透网络结合柔性基地，虽然可以做到柔性化和小型化，但是一方面仍处于研究阶段，另一方面仍然存在热量分散不均匀的问题。
另一方面，目前热疗垫只能打开和关闭两种模式，并且存在缺少温度显示的问题，这使得用户对于热疗垫的温度缺少及时的估计。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种柔性热变色交互的可穿戴热疗垫及制备方法，解决热量分散不均，不便佩戴的问题。
技术方案：本发明所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，包括自下而上依次堆叠的导热层、发热层和热色交互显示热绝缘层，所述导热层包括柔性基底，所述柔性基底上设置有金属导热通道，所述发热层包括柔性基底、柔性发热电阻和电极层，所述柔性发热电阻和电极层设置在所述柔性基底上，所述电极层设置在柔性发热电阻两侧，所述热色交互显示热绝缘层包括热色显示层和热绝缘层，所述热色显示层设置在所述热绝缘层上。
所述柔性基底为PDMS材料。
所述金属导热通道包括斑点状圆形Cu箔和铜柱，所述铜柱与斑点状圆形Cu箔连接。
所述柔性发热电阻为液态金属GaIn/MXene柔性电阻。
所述电极层采用柔性导电铜箔制成。
所述热色显示层采用热致变色材料制成。
所述热绝缘层采用玻璃纤维/PDMS复合柔性热绝缘材料制成。
本发明所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫的制备方法，包括以下步骤：
(a)利用具有梳齿结构的模具，通过浇筑制得具有穿孔结构的柔性弹性薄膜，之后，在孔中插入导热细铜柱，用于连接上下表面的斑点状圆形结构，然后将具有穿孔结构的柔性弹性薄膜一面转移到玻璃表面上，另一面利用掩模版和溅射制备斑点状圆形结构，然后在另一面利用相同的方式制备相同的斑点状圆形结构，最终形成哑铃状斑点通道结构导热层；
(b)利用模具制备具有凹陷结构柔性薄膜，在柔性薄膜凹陷处刷涂液态金属GaIn/MXene柔性电阻，在柔性薄膜两端利用掩模版溅射制备超高导电率的柔性薄铜层作为电极层，最终制备发热层；
(c)利用丝网印刷工艺电致变色油墨因印刷在电绝缘层，制备热色交互显示热绝缘层；
(d)将导热层上表面，发热层上下表面和热色交互显示热绝缘层的下表面四周涂抹粘性胶，将导热层，发热层和热色交互显示热绝缘层按照从下到上的顺序叠加，轻轻按压，待粘性胶完全固话后最终制备得到柔性热变色交互的可穿戴热疗垫。
其中，所述步骤(c)具体为：使用磁搅拌和恒温干燥制备复合柔性热绝缘层；分三次分别将不同温度变色显示的油墨通过丝网印刷印刷到复合柔性热绝缘层上制备得热致变色显示列；利用相同的丝网印刷和具有特定结构的掩模版将白色染料，大红色染料，黄色染料和玫瑰红色染料分三次印刷在复合柔性热绝缘层上制备得热致变色油墨未变色对比列和热致变色油墨已变色对比列。
工作原理：在通电情况下，根据焦耳热定律，发热层的发热量为
Figure BDA0002136503500000021
其中电压U为电极层两端电压，R为液态金属GaIn/MXene组成的柔性电阻的电阻值，约为10欧姆左右；下层的导热层靠近人体皮肤，负责将发热层产生的热量传递给人体皮肤，为了进一步增加导热率，同时又兼具拉伸性和弯曲性，本发明的导热层采用具有哑铃状斑点通道结构的Cu/PDMS复合材料，其中Cu主要起导热作用，PDMS表面的斑点状圆形结构增加热传导面积，导热更高效，而PDMS主要起柔性基底的作用；当发热层产生的热量传递到上层的热色交互显示-热绝缘层时，热色显示交互层中的热致变色油墨会根据温度变色，其中当温度达到30度左右时，热致变色显示列底端部分由黄色变为白色，当温度达到45度左右时，热致变色显示列中间部分由大红色变为白色，当温度达到60度左右时，热致变色显示列顶端部分由白色变为玫瑰红色。热绝缘层会阻隔热量从热贴片的顶端散处，从而使得大部分热量全都经过下层的导热层传递到人体皮肤上，提高热转换效率。
有益效果：本发明会对温度有更好的调节作用，通过上下层导热和绝热层的结构优化，使得下层导热层到达人体皮肤的热量更高且温度分布更均匀，提高了器件的热转化效率，更节省能耗；采用柔性基底和微纳米材料，可以根据特殊的病灶部位制备特定形状和特定尺寸的柔性热变色交互可穿戴热疗垫，更加灵活。
附图说明
图1为柔性热变色交互可穿戴热疗垫的结构示意图；
图2为导热层上表面的结构图案；
图3为导热层的横截面示意图；
图4为发热层旋转180度将柔性电阻层和电极层面朝上之后的示意图；
图5为发热层的横截面示意图；
图6为热色显示热绝缘层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，由三层结构叠合而成，自下而上包括导热层3,发热层2和热色交互显示热绝缘层1。
如图2-3所示，导热层3采用哑铃状斑点通道结构的Cu/PDMS复合材料，兼具弯曲性，高拉伸性和高导热率，导热层的PDMS柔性基地31的厚度为200微米，主要起到弯曲性，高拉伸性的作用并作为导热Cu的基底材料。导热层表面的斑点状圆形Cu箔，其采用掩模溅射制备而成，图3中，中间深色部分为金属导热通道32，细铜柱连接导热层上下表面的斑点状圆形Cu箔，使得热量能够通过铜柱高效的从导热层的上表面传递到导热层的表面，从而达到局部热疗的作用；导热层表面的斑点状圆形Cu箔增加热传导面积，使导热更高效。
如图4-5所示，发热电阻21采用液态金属GaIn/MXene柔性电阻，其兼具拉伸性，弯曲性和低电阻性，电阻约为10欧姆，根据焦耳定律在5V的低压供电下，发热功率达到
Figure BDA0002136503500000041
电极层22采用柔性导电铜箔，采用溅射工艺制备而成，其导电率约为5.7×107S/m,即电阻处于微欧姆以下，使得电压两端施加的电压全部作用于液态金属GaIn/MXene柔性电阻上，使得电能的利用率很高。该发热电阻和电极层分别通过刷图和掩模溅射工艺固定在凹陷结构柔性薄膜，如图5所示，该凹陷结构为长方体凹槽，用于承载液态金属GaIn/MXene柔性发热电阻，柔性薄膜长度方向的两端凸起部分通过掩模溅射工艺溅射一层柔性铜箔电极，其中具有凹陷结构的柔性薄膜的厚度为500微米，长方体凹槽的厚度为350微米。
如图6所示，热色交互显示热绝缘层1包括热色显示层和热绝缘层11，其中，热色显示层采用热致变色油墨材料通过丝网印刷工艺印刷在热绝缘层上，热色显示层具有三列长方形几何结构，从左至右第一列为热致变色油墨未变色对比列，热致变色显示列和热致变色油墨已变色列。对于热致变色显示列，从下到上依次为30度热变色油墨，45度热变色油墨，60度热变色油墨；当温度达到30度左右时，热致变色显示列底端30度热变色油墨由黄色变为白色，当温度达到45度左右时，热致变色显示列中间45度热变色油墨由大红色变为白色，当温度达到60度左右时，热致变色显示列顶端60度热变色油墨由白色变为玫瑰红色，以此实现对三种特殊温度的热变色显示。热绝缘层采用玻璃纤维/PDMS复合柔性热绝缘材料，厚度为400微米，其中，玻璃纤维均匀的分散在柔性基地PDMS中，形成良好的热绝缘材料，同时又具有高拉伸性和弯曲性。
在通电情况下，发热层柔性电阻发热，产生热量；热量经由下层的导热层传递给人体皮肤，为了进一步增加导热率，同时又兼具拉伸性和弯曲性，导热层采用具有哑铃状斑点通道结构的Cu/PDMS复合材料，其中Cu主要起导热作用，PDMS表面的斑点状圆形结构增加热传导面积，导热更高效，而PDMS主要起柔性基底的作用；另一方面，当发热层产生的热量传递到上层的热色交互显示热绝缘层时，热色显示交互层中的热致变色油墨会根据温度变色，其中热致变色显示列底端30度热变色油墨由黄色变为白色，当温度达到45度左右时，热致变色显示列中间45度热变色油墨由大红色变为白色，当温度达到60度左右时，热致变色显示列顶端60度热变色油墨由白色变为玫瑰红色，以此实现对三种特殊温度的热变色显示。除此之外，热绝缘层会阻隔热量从热贴片的顶端散处，从而使得大部分热量全都经过下层的导热层传递到人体皮肤上，提高热转换效率。
可穿戴热疗垫的其中一种能够制备方法，包括以下步骤：
(1)导热层的制备
采用3D打印制备具有二维梳齿排列结构的模具，将双组份的商用PDMS产品混合搅拌均匀后，浇筑到二维梳齿排列结构的模具中，之后，真空恒温固化，真空条件下去除多余气泡，等完全固化后，将PDMS基底从真空干燥炉中取出，从模具上剖离，在PDMS基底的孔中插入导热洗铜柱，用于连接上下表面的斑点状圆形结构，之后将具有穿孔结构的柔性弹性薄膜一面转移到玻璃表面上，另一面覆盖一层掩模版，其中掩模版为镂空结构为圆形，每个圆形的圆心对准一个穿孔结构，圆形直径为2mm，穿孔结构圆柱直径为1mm，之后，采用溅射工艺溅射一层铜箔，形成斑点状圆形结构，然后在另一面利用相同的方式制备相同的斑点状圆形结构，最终制备成具有哑铃状斑点通道结构的导热层。
(2)发热层的制备
采用3D打印制备内部具有长方体凸起的模具，其中模具凸起高度为350微米，模具的深度为500微米，将双组份的商用PDMS产品混合搅拌均匀后，浇筑到模具中，之后，真空恒温固化，真空条件下去除多余气泡，等完全固化后，将PDMS基底从真空干燥炉中取出，从模具上剖离，制备具有长方体凹槽结构的PDMS柔性基底。将预先配置后的液态金属GaIn/MXene柔性电阻刷涂柔性薄膜长方体凹槽处，使得其余四周凸起持平，其中GaIn的热熔化温度为60度。之后，采用掩模版溅射制备超高导电率的柔性薄铜层作为电极层，最终制备而成发热层。
(3)热色交互显示-热绝缘层的制备
热绝缘层制备：将1组分玻璃纤维和2组分的PDMS产品混合，搅拌均匀后真空恒温固化制备而成热绝缘层，其中热绝缘层的厚度为400微米。
热色交互显示层制备：分三次分别将不同温度变色显示的油墨通过丝网印刷印刷到复合柔性热绝缘层上制备得热致变色显示列，其中，丝网印刷网版的规格为80网目。之后，采用相同的工艺将白色染料，大红色染料，黄色染料和玫瑰红色染料分三次印刷在复合柔性热绝缘层上制备得热致变色油墨未变色对比列和热致变色油墨已变色对比列，最终制备而成热色交互显示-热绝缘层。
(4)柔性热变色交互可穿戴热疗垫的叠合组装制备
将导热层上表面，发热层上下表面和热色交互显示-热绝缘层的下表面四周涂抹粘性胶，将导热层，发热层，热色交互显示-热绝缘层按照从下到上的顺序叠加，轻轻按压，待粘性胶完全固话后最终制备到所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫。其中，发热层的长方体凹槽结构的一面与导热层贴合。

Claims (9)

1.一种柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，其特征在于，包括自下而上依次堆叠的导热层(3)、发热层(2)和热色交互显示热绝缘层(1)，所述导热层(3)包括柔性基底(31)，所述柔性基底(31)上设置有金属导热通道(32)，所述发热层包括柔性基底(31)、柔性发热电阻(21)和电极层(22)，所述柔性发热电阻(21)和电极层(22)设置在所述柔性基底(31)上，所述电极层(22)设置在柔性发热电阻(21)两侧，所述热色交互显示热绝缘层(1)包括热色显示层和热绝缘层(11)，所述热色显示层设置在所述热绝缘层上。
2.根据权利要求1所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，其特征在于，所述柔性基底(31)为PDMS材料。
3.根据权利要求1所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，其特征在于，所述金属导热通道(32)包括斑点状圆形Cu箔和铜柱，所述铜柱与斑点状圆形Cu箔连接。
4.根据权利要求1所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，其特征在于，所述柔性发热电阻(21)为液态金属GaIn/MXene柔性电阻。
5.根据权利要求1所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，其特征在于，所述电极层(22)采用柔性导电铜箔制成。
6.根据权利要求1所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，其特征在于，所述热色显示层采用热致变色材料制成。
7.根据权利要求1所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫，其特征在于，所述热绝缘层(11)采用玻璃纤维/PDMS复合柔性热绝缘材料制成。
8.如权利要求1所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)利用具有梳齿结构的模具，通过浇筑制得具有穿孔结构的柔性弹性薄膜，之后，在孔中插入导热细铜柱，用于连接上下表面的斑点状圆形结构，然后将具有穿孔结构的柔性弹性薄膜一面转移到玻璃表面上，另一面利用掩模版和溅射制备斑点状圆形结构，然后在另一面利用相同的方式制备相同的斑点状圆形结构，最终形成哑铃状斑点通道结构导热层；
(b)利用模具制备具有凹陷结构柔性薄膜，在柔性薄膜凹陷处刷涂液态金属GaIn/MXene柔性电阻，在柔性薄膜两端利用掩模版溅射制备超高导电率的柔性薄铜层作为电极层，最终制备发热层；
(c)利用丝网印刷工艺电致变色油墨因印刷在电绝缘层，制备热色交互显示热绝缘层；
(d)将导热层上表面，发热层上下表面和热色交互显示热绝缘层的下表面四周涂抹粘性胶，将导热层，发热层和热色交互显示热绝缘层按照从下到上的顺序叠加，轻轻按压，待粘性胶完全固话后最终制备得到柔性热变色交互的可穿戴热疗垫。
9.根据权利要求8所述的柔性热变色交互的可穿戴热疗垫的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)具体为：使用磁搅拌和恒温干燥制备复合柔性热绝缘层；分三次分别将不同温度变色显示的油墨通过丝网印刷印刷到复合柔性热绝缘层上制备得热致变色显示列；利用相同的丝网印刷和具有特定结构的掩模版将白色染料，大红色染料，黄色染料和玫瑰红色染料分三次印刷在复合柔性热绝缘层上制备得热致变色油墨未变色对比列和热致变色油墨已变色对比列。
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