一种柔性可穿戴光疗仪及其制备方法
技术领域
本申请涉及医疗保健仪器技术领域,更具体地说,它涉及一种柔性可穿戴光疗仪及其制备方法。
背景技术
现在光医学中,使用的光治疗仪器包括红光治疗仪、红外治疗仪、紫外治疗仪等光治疗仪,比如,红光光波照射人体将出现光化学反应,会产生重要的生物效应及治疗效果,因在细胞中线粒体对红光光波的吸收最大,在红光光波照射后,线粒体的过氧化氢酶活性增加,可以增加细胞的新陈代谢,使糖元含量增加,蛋白合成增加和三磷酸腺苷分解增加,从而加强细胞的新生,促进伤口和溃疡的愈合,同时也增加白血球的吞噬作用,提高机体的免疫功能,因而在临床上可用于治疗皮肤科、外科、内科、妇科、烧伤科、耳鼻喉科等的诸多疾病。
这些光治疗仪器的光源无论是点状发光源还是面状发光源,大部分都是固定在硬基板上,发射光源不能弯曲,由于光的直线传播特性,光疗仪发出的光照射皮肤时,不同角度部分的皮肤接收到的光功率密度是不同的,特别是在病变治疗区域内皮肤角度变化较大时,照射光斑不能同时垂直照射不同角度位置的皮肤,导致病灶区的皮肤得到的光功率密度差异很大,影响治疗效果,与此同时,现有的光治疗仪器内部设有LED光源、电路板或电池等,若光疗仪器表面出现污渍,光疗仪不能进行清洗。
针对上述中的相关技术,发明人认为,光疗仪在使用时,弯曲度不佳且不可拉伸,与皮肤的贴合度低,舒适度差,且不能水洗。
发明内容
为了改善光疗仪的拉伸效果,提高光疗仪使用时的舒适度和贴肤效果,并使光疗仪可水洗,本申请提供一种柔性可穿戴光疗仪及其制备方法。
第一方面,本申请提供一种柔性可穿戴光疗仪,采用如下的技术方案:
一种柔性可穿戴光疗仪,包括防水柔性基底、位于防水柔性基底靠近人体肌肤一侧的多个导电涂层;
所述多个导电涂层远离防水柔性基底的一侧设置有防水层,防水层和防水柔性基底之间设置有反射层和粘结增强层,反射层的一侧与防水柔性基底相互连接,反射层远离防水柔性基底的一侧与粘结增强层相互连接,粘结增强层远离反射层的一侧与防水层靠近导电涂层的一侧相互连接;
所述多个导电涂层贯穿反射层和粘结增强层,且间隔设置,导电涂层靠近防水层的一侧上对应设置有光源层,光源层贯穿防水层;
所述防水层远离导电涂层的一侧上设置有高触变硅胶层,高触变硅胶层与光源层位置一一对应;
所述防水柔性基底为TPU薄膜、硅胶薄膜、PMMA薄膜、PDMS薄膜或防水面料中的一种;所述高触变硅胶层组分为高触变硅胶材料,防水层的组分为硅胶或水性聚氨酯,粘结增强层组分为硅胶表面活化剂。
通过采用上述技术方案,由于采用TPU薄膜、硅胶薄膜、PMMA薄膜、PDMS薄膜或防水面料作为防水柔性基底,能提供一层防水且耐拉伸的保护层,将位于防水柔性基底内的导电涂层、粘结增强层、光源层等保护起来,防止水分进入内部,使光疗仪失去作用;在最接近人体皮肤的一层使用高触变硅胶材料形成高触变硅胶层,因高触变硅胶材料具有回弹性好、防水性高和拉伸强度大等特点,与人体接触时,具有较好的按压回弹性,从而使光疗仪使用时,舒适度高,贴肤效果好,还具有较好的耐水效果,防止水分渗入,导致光疗仪不能继续使用;再使用硅胶或水性聚氨酯作为防水层,与高触变硅胶材料和粘结增强层相互连接,硅胶和水性聚氨酯都具有较好的耐水效果和拉伸性能,在光疗仪使用时,当高触变硅胶材料被按压时,会出现防水层与人体皮肤接触的情况,使用硅胶或水性聚氨酯作为防水层,能改善光疗仪与人体皮肤接触时的舒适性,改善贴肤效果,再使用硅胶表面活化剂粘结防水层和反射层,硅胶表面活性剂能改善防水层中硅胶或水性聚氨酯的惰性,使防水层中硅胶或水性聚氨酯的粘接力增强,且硅胶表面活化剂与防水层中的硅胶或水性聚氨酯的相容性高,能使防水层和反射层连接紧密,增加光疗仪的耐水性;通过使用TPU薄膜、硅胶薄膜、PMMA薄膜等作为防水柔性基底,使用高触变硅胶材料作为与人体接触的高触变硅胶层,再使用硅胶或水性聚氨酯作为防水层,将防水层与反射层通过硅胶表面活化剂连接紧密,从而使制成的光疗仪具有柔韧性和拉伸效果好,贴肤感强,舒适度高,且耐水性高,能水洗的效果。
优选的,所述高触变硅胶材料包括以下重量份的组分:40-50份乙烯基硅油、25-50份甲基苯基乙烯基硅树脂、2-15份苯基含氢硅树脂、0.01-0.03份铂催化剂、0.3-1份硅烷偶联剂、1-5份改性碳酸钙、1-5份3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯、0.01-0.03份1-乙炔基环己醇、0.5-3份端含氢硅油。
通过采用上述技术方案,以改性碳酸钙作为触变材料,1-乙炔基环己醇为抑制剂,含氢硅油为含氢交联剂,在催化作用下,乙烯基与苯基含氢硅树脂中的硅键合反应而交联,改性碳酸钙表面的羟基通过氢键连接在一起,形成三维的二氧化硅网络,液体被包裹在二氧化硅网络结构中,从而提升高触变硅胶材料的粘度,使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷表面改性石墨烯,因为3-氨基丙基三乙氧基硅烷的结构与高触变硅胶分子结构相似,与高触变硅胶的相容性更好,相互作用更强,能限制高触变硅胶分子链运动,显著增强了高触变硅胶的强度,改善高触变硅胶的拉伸强度、断裂伸长率、压缩回复性能和压缩形变性能。
优选的,所述改性碳酸钙的制备方法如下:将200-300重量份超细碳酸钙在80-90℃下干燥30-40min,用300-400份无水乙醇分散,在80-90℃下水浴加热并搅拌,加入超细碳酸钙质量1-1.2%的油酸、超细碳酸钙质量0.5-1%的3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和超细碳酸钙质量1-2%的%硬脂酸钠,搅拌20-30min,趁热过滤、洗涤、烘干。
通过采用上述技术方案,因为油酸含有疏水性的烃基,使用油酸能将碳酸钙表面由亲水性变成疏水性,增强其与防水层中硅胶或水性聚氨酯的界面作用;3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷本身具有两种基团,一种基团可以与碳酸钙粒子结合,另一种基团可以与防水层中的硅胶或水性聚氨酯结合,从而在粘结界面处形成强力较高的化学键,改善粘结强度,且3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷能与碳酸钙表面的氢氧根离子形成氢键,便于碳酸钙表面羟基的连接,油酸和硬脂酸钠、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷接枝到碳酸钙表面,能使碳酸钙表面呈疏水性,且油酸改性碳酸钙的粒径小于未改性的碳酸钙,粒径减小,改性碳酸钙的团聚降低,与高触变硅胶材料的相容性好,分散程度高。
优选的,所述硅胶表面活化剂为418A型硅胶表面活化剂或TL-770硅胶表面活化剂中。
通过采用上述技术方案,当防水层使用硅胶时,使用418A型硅胶表面活化剂或TL-770硅胶表面活化剂,根据相似相容性,能与防水层中硅胶粘结紧密,增加防水层和反射层的粘结强度,从而增加防水、耐水效果,使光疗仪能达到耐水性的效果。
优选的,所述水性聚氨酯由以下方法制成:以重量份计,将1.2-1.6份聚二甲基硅氧烷、3.4-3.8份聚甲基乙烯基硅氧烷、11.6-12份聚四氢呋喃醚二醇和6.4-6.8份异佛尔酮二异氰酸酯混合,通入氮气,搅拌并升温至80-85℃,反应2-2.5h,降温至60℃,加入1-2份二羟甲基丙酸、0.5-0.7份一缩二乙二醇、0.1-0.3份丙酮和0.01-0.02份有机铋催化剂,在65-85℃下反应2-4h,得到预聚体;降温至室温,加入0.7-1份三乙胺,中和5-10min,加入0.2-0.3份质量分数为10%的乙二胺,混合均匀,制得水性聚氨酯。
通过采用上述技术方案,将聚二甲基硅氧烷和聚甲基乙烯基硅氧烷作为侧链引入到水性聚氨酯主链上,由于聚二甲基硅氧烷和聚甲基乙烯基硅氧烷仅有一端连接在水性聚氨酯链上,分子链受束缚较小,则其仍具有较大的分子活动自由度,因而聚二甲基硅氧烷能在防水层中较容易的向防水层的表面迁移富集,防水层内部和底部分布较少,从而改善防水层的耐水效果;疏水性的聚二甲基硅氧烷由于其表面能低,在成膜过程中会向胶膜和空气界面处迁移富集,另一方面,聚二甲基硅氧烷相比嵌段改性水性聚氨酯具有更大的链活动自由度,且侧链聚二甲基硅氧烷越长,则胶膜疏水性越好。
高触变硅胶层中的3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯,由于相互交联的还原氧化石墨烯纳米片位于高触变硅胶层中,与防水层中的水性聚氨酯形成的膜接触,石墨烯和位于防水层表面的聚二甲基硅氧烷和聚甲基乙烯基硅氧烷复合,从而增加高触变硅胶层和防水层的粘结密度,改善防水层和高触变硅胶层的耐水性。
优选地,所述光源层为贴片式发光二极管芯片,贴片式发光二极管芯片的输出光波长为600-780nm,且辐射功率密度为1-200mW/cm2。
通过采用上述技术方案,该波段的光波对人体穿透深,疗效更好。
第二方面,本申请提供一种柔性可穿戴光疗仪的制备方法,采用如下的技术方案:
一种柔性可穿戴光疗仪的制备方法,包括以下步骤:
S1、使用酒精或表面活性剂清洁防水柔性基底;
S2、根据电路设计需求,在防水柔性基底表面印刷可拉伸导电银浆,在130-150℃下固化20-30min,形成导电涂层;
S3、采用磁控溅射或蒸镀方式,在导电涂层周围溅射高反射材料,形成反射层;
S4、在反射层上喷涂硅胶表面活化剂,固化,成粘结增强层;
S5、根据电路设计需求,在导电涂层上放置贴片式发光二极管芯片,形成光源层;
S6、在导电涂层和粘结增强层的上表面涂覆硅胶或水性聚氨酯,固化,形成防水层;
S7、在贴片式发光二极管上滴上高触变硅胶材料,在60-80℃下固化,形成高触变硅胶层。
通过采用上述技术方案,先将使用酒精或表面活性剂对防水柔性基底进行清洁,再在防水柔性基底上印刷导电银浆,干燥后,采用蒸镀或磁控溅射在防水柔性基底上和导电涂层四周形成反射层,通过使用硅胶表面活化剂粘结反射层和位于导电涂层上的防水层,最后在防水层上滴加高触变硅胶材料,制备方法简单,易于操作,制成的柔性可穿戴光疗仪耐拉伸性好,与人体贴合度高,耐水性好,可水洗。
优选的,S1步骤中,表面活性剂为α-烯基磺酸钠、N-油酰基-N-甲基牛磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种的组合物。
通过采用上述技术方案,使用α-烯基磺酸钠、N-油酰基-N-甲基牛磺酸钠或十二烷基笨磺酸钠对防水柔性基底进行清洁,去污力优越,发泡力强,洗后灰分沉积量小,不易板结。
优选的,S4步骤中,固化温度为60-80℃,固化时间为20-30min。
通过采用上述技术方案,S4中硅胶表面活化剂固化速度快,固化后膜层拉伸性能好,粘结强度高。
优选的,S6步骤中,水性聚氨酯固化条件:先在50-60℃下鼓风干燥20-24h,再在50-60℃下真空干燥20-24h。
通过采用上述技术方案,将水性聚氨酯先进行鼓风干燥,再进行真空干燥,使干燥彻底完全,并提高水性聚氨酯固化后的表面平滑度。
综上所述,本申请具有以下有益效果:
1、由于本申请采用TPU薄膜、硅胶薄膜等作为防水柔性基底,硅胶或水性聚氨酯作为防水层,高触变硅胶材料作为与人体皮肤接触的高触变硅胶层,由于TPU薄膜、硅胶薄膜、PDMS薄膜等材料具有防水、耐拉伸、柔韧性好等特点,高触变硅胶材料具有回弹性好,拉伸强度大,耐水性高的优点,硅胶和水性聚氨酯的柔韧性优异,防水性好,作为保护层的防水柔性基底和高触变硅胶层、防水层同时具有防水、耐拉伸效果,使制成的柔性可穿戴光疗仪耐拉伸,舒适度好,与肌肤贴合度高,贴肤效果好,耐水性好,可水洗。
2、本申请中优选采用改性碳酸钙、3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯、乙烯基硅油、苯基含氢硅树脂等作为制备高触变硅胶的原料,经改性的碳酸钙表面具有氢键,改性碳酸钙表面的羟基通过氢键连接在一起,形成三维的二氧化硅网络,液体被包裹在二氧化硅网络结构内,从而提高了高触变硅胶材料的粘度,从而改善了高触变硅胶层与防水层之间的粘结强度和防水性,3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯的掺入,能限制高触变硅胶分子链的运动,增强拉伸强度、断裂伸长率和压缩回复性能,改善光疗仪与人体的贴合度,提高舒适度。
3、本申请中优选采用油酸、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和硬脂酸钠对碳酸钙进行改性,具有疏水效果的油酸能包裹在碳酸钙表面,使碳酸钙具有较好的疏水性,3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷不仅能与碳酸钙粒子结合,还能与防水层中硅胶或水性聚氨酯结合,从而在粘结出形成较高的化学键,改善粘结强度,从而提高高触变硅胶层与防水层之间的防水性。
4、本申请通过将含有水解基的硅氧烷接枝到水性聚氨酯上,水性聚氨酯与高触变硅胶层中的高触变硅胶材料、粘结增强层中的硅胶表面活化剂形成化学交联,能增强水性聚氨酯与高触变硅胶材料和硅胶表面活性剂的粘合力,从而提高光疗仪的耐水洗。
5、本申请中3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯能与表面接枝聚硅氧烷的水性聚氨酯形成配合作用,位于高触变硅胶层中的改性石墨烯和位于防水层表面的聚有机硅氧烷复合,从而增加高触变硅胶层和防水层的粘结密度,改善防水层和高触变硅胶层之间的耐水性。
附图说明
图1是本申请提供的柔性可穿戴光疗仪的结构示意图。
图中:1、防水柔性基底;2、导电涂层;3、反射层;4、粘结增强层;5、防水层;6、光源层;7、高触变硅胶层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯的制备例1
制备例1中氧化石墨烯选自昂星新型碳材料常州有限公司,型号为NGO1531,3-氨基丙基三乙氧基硅烷选自武汉华翔科洁生物技术有限公司,型号为KH-550,浓度80%的水合肼溶液选自济南凯骏化工有限公司。
制备例1:将5g氧化石墨烯和300mL由浓度为99.7%的无水乙醇和去离子水按照1:1混合形成的溶液混合,超声分散3h,加入1.5g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷,室温下搅拌30h,用无水乙醇和去离子水洗涤至中性后,加入5g浓度为80%的水合肼溶液,在100℃下还原24h,真空干燥,氧化石墨烯的浓度为2.5mg/mL,灰分<1%,硫含量<0.15%,氧含量为56%,碳含量为42%。
改性碳酸钙的制备例1-4
制备例1-3中超细碳酸钙选自宝兴县宏华碳酸钙厂,目数为2250目;油酸选自济南腾博化工有限公司,型号为TB;3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷选自南京荣安化工科技有限公司,产品牌号为RA-570;硬脂酸钠选自山东隆汇化工有限公司,目数为325目。
制备例1:将200g超细碳酸钙在80℃下干燥40min,用300g无水乙醇分散,在80℃下水浴加热并搅拌,加入超细碳酸钙质量1%的油酸、超细碳酸钙质量0.5%的3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和超细碳酸钙质量1%的%硬脂酸钠,搅拌20min,趁热过滤、洗涤、烘干。
制备例2:将250g超细碳酸钙在85℃下干燥35min,用350g无水乙醇分散,在85℃下水浴加热并搅拌,加入超细碳酸钙质量1.1%的油酸、超细碳酸钙质量0.8%的3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和超细碳酸钙质量1.5%的%硬脂酸钠,搅拌25min,趁热过滤、洗涤、烘干。
制备例3:将300g超细碳酸钙在90℃下干燥30min,用400g无水乙醇分散,在90℃下水浴加热并搅拌,加入超细碳酸钙质量1.2%的油酸、超细碳酸钙质量1%的3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和超细碳酸钙质量2%的%硬脂酸钠,搅拌30min,趁热过滤、洗涤、烘干。
制备例4:与制备例1的区别在于,未添加油酸和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
高触变硅胶材料的制备例1-6
苯基含氢硅树脂选自广州鑫厚化工科技有限公司,型号为AM305;端含氢硅油选自上海矽高新材料有限公司,型号为MDH007;甲基苯基乙烯基硅树脂选自安徽艾约塔硅油有限公司,型号为IOTA208,铂催化剂选自宇瑞(上海)化学有限公司,型号为PC11-16,正辛基三甲氧基硅烷选自南京能德新材料技术有限公司,型号为SCA-K08M。
制备例1:按照表1中的原料配比,将40g乙烯基硅油、25g甲基苯基乙烯基硅树脂、2g苯基含氢硅树脂、1g改性碳酸钙和1g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯,搅拌30min,加入0.01g铂催化剂和0.3g硅烷偶联剂,加热至150℃,在90kPa的真空度下蒸馏4h,加入0.01g 1-乙炔基环己醇和0.5g端含氢硅油,混合均匀;改性碳酸钙选自改性碳酸钙的制备例1,乙烯基硅油的粘度为10000mPa.s,乙烯基含量为0.8%,硅烷偶联剂为正辛基三甲氧基硅烷,3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯的制备例1。
制备例2:按照表1中的原料配比,将45g乙烯基硅油、35g甲基苯基乙烯基硅树脂、8g苯基含氢硅树脂、3g改性碳酸钙和3g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯,搅拌35min,加入0.02g铂催化剂和0.6g硅烷偶联剂,加热至180℃,在95kPa的真空度下蒸馏3h,加入0.02g 1-乙炔基环己醇和2g端含氢硅油,混合均匀;改性碳酸钙选自改性碳酸钙的制备例2,乙烯基硅油的粘度为40000mPa.s,乙烯基含量为1.6%,硅烷偶联剂为正辛基三甲氧基硅烷,3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯的制备例1。
制备例3:按照表1中的原料配比,将50g乙烯基硅油、50g甲基苯基乙烯基硅树脂、15g苯基含氢硅树脂、5g改性碳酸钙和5g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯,搅拌40min,加入0.03g铂催化剂和1g硅烷偶联剂,加热至200℃,在99kPa的真空度下蒸馏2h,加入0.03g1-乙炔基环己醇和3g端含氢硅油,混合均匀;改性碳酸钙选自改性碳酸钙的制备例3,乙烯基硅油的粘度为60000mPa.s,乙烯基含量为2.4%,硅烷偶联剂为正辛基三甲氧基硅烷,3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯的制备例1。
表1制备例1-3中高触变硅胶材料的原料配比
制备例4:与制备例1的区别在于,改性碳酸钙使用2250目的未改性超细碳酸钙替代。
制备例5:与制备例1的区别在于,未添加3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯。
制备例6:与制备例1的区别在于,改性碳酸钙由制备例4制成。
水性聚氨酯的制备例1-5
制备例1-3中聚二甲基硅氧烷上海迈瑞尔化学技术有限公司,型号为GEL-DMS-A31;聚甲基乙烯基硅氧烷选自杭州金石化工有限公司、有机铋催化剂选自上海德音化学有限公司,型号为DY-20。
制备例1:将1.6g聚二甲基硅氧烷、3.4g聚甲基乙烯基硅氧烷、11.6g聚四氢呋喃醚二醇和6.4g异佛尔酮二异氰酸酯混合,通入氮气,搅拌并升温至80℃,反应2.5h,降温至60℃,加入1g二羟甲基丙酸、0.5g一缩二乙二醇、0.1g丙酮和0.01g有机铋催化剂,在65℃下反应4h,得到预聚体;降温至室温,加入0.7g三乙胺,中和5min,加入0.2g质量分数为10%的乙二胺,混合均匀,制得水性聚氨酯,聚甲基乙烯基硅氧烷的重均分子量为675000,数均分子量580000。
制备例2:将1.4g聚二甲基硅氧烷、3.6g聚甲基乙烯基硅氧烷、11.8g聚四氢呋喃醚二醇和6.6g异佛尔酮二异氰酸酯混合,通入氮气,搅拌并升温至83℃,反应2.2h,降温至60℃,加入1.5g二羟甲基丙酸、0.6g一缩二乙二醇、0.2g丙酮和0.015g有机铋催化剂,在75℃下反应3h,得到预聚体;降温至室温,加入0.8g三乙胺,中和8min,加入0.25g质量分数为10%的乙二胺,混合均匀,制得水性聚氨酯。
制备例3:将1.2g聚二甲基硅氧烷、3.8g聚甲基乙烯基硅氧烷、12g聚四氢呋喃醚二醇和6.8g异佛尔酮二异氰酸酯混合,通入氮气,搅拌并升温至85℃,反应2h,降温至60℃,加入2g二羟甲基丙酸、0.7g一缩二乙二醇、0.3g丙酮和0.02g有机铋催化剂,在85℃下反应2h,得到预聚体;降温至室温,加入1g三乙胺,中和10min,加入0.3g质量分数为10%的乙二胺,混合均匀,制得水性聚氨酯。
制备例4:与制备例1的区别在于,未添加聚二甲基硅氧烷。
制备例5:与制备例1的区别在于,未添加聚甲基乙烯基硅氧烷。
实施例
以下实施例和对比例中α-烯基磺酸钠选自中轻集团,型号为诶AOS/92;硅胶选自北京顶业工贸有限公司,型号为DY6230;可拉伸导电银浆选自东洋纺聚酯,型号为DW-250H-5;418A型硅胶表面活化剂选自台州易粘科技有限公司,TL-770表面活化剂选自常州市泰尔力图工业材料有限公司,N-油酰基-N-甲基牛磺酸钠选自湖北万得化工有限公司,TPU薄膜选自深圳市时美薄膜有限公司,型号为M141;硅胶薄膜选自杭州包尔得新材料科技有限公司,型号为BDD-100;PTFE复合面料选自昆山市英杰纺织品进出口有限公司,纺织面料涂覆PE制成的复合面料选自绍兴永宏轻纺制品有限公司,型号为YH-0180;纺织面料附图PVC制成的复合面料选自吴江市大牛纺织品有限公司,型号为DH-018;纺织面料涂覆PA制成的复合面料选自义乌市亿泰纺织品有限公司,型号为YT3001,PMMA薄膜选自福建省安元光学科技有限公司,型号为A200;PDMS薄膜选自杭州包尔得新材料科技有限公司,型号为KYN。
实施例1:一种柔性可穿戴光疗仪,如图1所示,包括防水柔性基底1、位于防水柔性基底1靠近人体肌肤一侧上的多个导电涂层2、位于导电涂层2远离防水柔性基底1一侧的光源层6,导电涂层2间隔设置。
参见图1,多个导电涂层2远离防水柔性基底1的一侧上连接有防水层5,导电涂层2和防水层5之间连接有反射层3和粘结增强层4,反射层3的一侧与防水柔性基底1靠近导电涂层2的一侧相互连接,粘结增强层4的一侧与防水层5靠近导电涂层2的一侧相互连接,反射层3远离防水柔性基底1的一侧与粘结增强层4远离防水层5的一侧相互接触,多个导电涂层2贯穿反射层3和粘结增强层4,反射层3得到厚度为10um。
参见图1,光源层6贯穿防水层5,光源层6为贴片式发光二极管芯片,防水层5远离导电涂层2的一侧上连接有高触变硅胶层7,高触变硅胶层7与光源层6位置一一对应,光源层6贯穿防水层5的一端被包裹在高触变硅胶层7层内,高触变硅胶层7的纵截面呈半圆形。
防水柔性基底1、粘结增强层4、防水层5和高触变硅胶层7所用组分如表1所示,柔性基底1为防水面料,防水面料为TPU薄膜,粘结增强层4的厚度为15um,反射层3的厚度为200nm,防水层5为硅胶,光源层6为贴片式发光二极管芯片。
该柔性可穿戴光疗仪的制备方法包括以下步骤:
S1、使用表面活性剂清洁PTFE复合面料,表面活性剂为α-烯基磺酸钠,α-烯基磺酸钠中游离油含量≤3%,硫酸盐含量≤5%,游离碱(以氢氧化钠计)含量≤1%;
S2、根据电路设计需求,在PTFE复合面料表面印刷可拉伸导电银浆,在130℃下固化30min,形成导电涂层2;可拉伸导电银浆的固含量为80wt%,电阻为3.5×10-5Ω.cm,铅笔硬度为2h;S3、采用磁控溅射的方式,在导电涂层2周围溅射高反射材料,形成反射层3,反射材料由质量比为18:1的SiN:SiO2组成,溅射气体为高纯氩,真空度为6×10-4Pa,工作压力为0.5Pa,靶基距为70mm,氩气流量为20sccm,反射材料的溅射功率为38W,溅射电压为0.3KV,电流为0.1A,溅射速率为64nm/min;
S4、在反射层3上喷涂硅胶表面活化剂,固化,成粘结增强层4,硅胶表面活化剂为418A型硅胶表面化剂,固化温度为60℃,固化时间为30min;
S5、根据电路设计需求,在导电涂层2上放置贴片式发光二极管芯片,形成光源层6,贴片式发光二极管芯片的输出光波长为600nm,且辐射功率密度为1mW/cm2;
S6、在导电涂层2和粘结增强层4的上表面涂覆硅胶,固化,形成防水层5;
S7、在贴片式发光二极管上滴上高触变硅胶材料,在60℃下固化,形成高触变硅胶层7,高触变硅胶选自济南有清新材料有限公司,型号为HY,牌号为0908。
实施例2:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水柔性基底1为TPU薄膜,反射材料由18:3的SiN:SiO2组成,高触变硅胶材料由高触变硅胶材料的制备例1制成,该柔性可穿戴光疗仪的制备方法,包括以下步骤:
S1、使用表面活性剂清洁硅胶薄膜,表面活性剂为N-油酰基-N-甲基牛磺酸钠;
S2、根据电路设计需求,在硅胶薄膜表面印刷可拉伸导电银浆,在140℃下固化25min,形成导电涂层2;可拉伸导电银浆的固含量为80wt%,电阻为3.5×10-5Ω.cm,铅笔硬度为2h;
S3、采用磁控溅射的方式,在导电涂层2周围溅射高反射材料,形成反射层3,溅射气体为高纯氩,真空度为6.2×10-4Pa,工作压力为0.8Pa,靶基距为80mm,氩气流量为25sccm,反射材料的溅射功率为42W,溅射电压为0.4KV,电流为0.15A,溅射速率为66nm/min;
S4、在反射层3上喷涂硅胶表面活化剂,固化,成粘结增强层4,硅胶表面活化剂为TL-770硅胶表面活化剂,固化温度为70℃,固化时间为25min;
S5、根据电路设计需求,在导电涂层2上放置贴片式发光二极管芯片,形成光源层6,贴片式发光二极管芯片的输出光波长为700nm,且辐射功率密度为100mW/cm2;
S6、在导电涂层2和粘结增强层4的上表面涂覆硅胶,固化,形成防水层5;
S7、在贴片式发光二极管上滴上高触变硅胶材料,在70℃下固化,形成高触变硅胶层7,高触变硅胶材料由制备例1制成。
实施例3:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水柔性基底1为TPU薄膜,反射材料由18:5的SiN:SiO2组成,高触变硅胶材料由高触变硅胶材料的制备例2制成,该柔性可穿戴光疗仪的制备方法,包括以下步骤:
S1、使用表面活性剂清洁TPU薄膜,表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠;
S2、根据电路设计需求,在TPU薄膜表面印刷可拉伸导电银浆,在150℃下固化20min,形成导电涂层2;可拉伸导电银浆的固含量为80wt%,电阻为3.5×10-5Ω.cm,铅笔硬度为2h;
S3、采用真空蒸镀的方式,在导电涂层2周围蒸镀高反射材料,形成反射层3,蒸镀时,氧气分压为0.01Pa,氩气分压为5Pa,反射材料的沉积速率为5nm/s;
S4、在反射层3上喷涂硅胶表面活化剂,固化,成粘结增强层4,硅胶表面活化剂为418A型硅胶表面活化剂,固化温度为70℃,固化时间为25min;
S5、根据电路设计需求,在导电涂层2上放置贴片式发光二极管芯片,形成光源层6,贴片式发光二极管芯片的输出光波长为700nm,且辐射功率密度为100mW/cm2;
S6、在导电涂层2和粘结增强层4的上表面涂覆硅胶,固化,形成防水层5;
S7、在贴片式发光二极管上滴上高触变硅胶材料,在70℃下固化,形成高触变硅胶层7,高触变硅胶材料由制备例2制成。
表1各实施例中柔性可穿戴光疗仪各层中组分
实施例4:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,高触变硅胶层7由制备例3制备的高触变硅胶材料在50℃下鼓风干燥24h后,再在50℃下真空干燥24h形成。
实施例5:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,高触变硅胶层7由制备例4制备的高触变硅胶材料在50℃下鼓风干燥24h后,再在50℃下真空干燥24h形成。
实施例6:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,高触变硅胶层7由制备例5制备的高触变硅胶材料在50℃下鼓风干燥24h后,再在50℃下真空干燥24h形成。
实施例7:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,高触变硅胶层7由制备例6制备的高触变硅胶材料在50℃下鼓风干燥24h后,再在50℃下真空干燥24h形成。
实施例8:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水层5由水性聚氨酯在65℃下固化20h形成,水性聚氨酯选自上海润道贸易有限公司,型号为D-60A。
实施例9:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水层5由制备例1制成的水性聚氨酯在50℃下鼓风干燥24h后,再在50℃下真空干燥24h形成。
实施例10:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,粘结增强层4的组分为TL-770硅胶表面活化剂,防水层5由制备例2制成的水性聚氨酯在55℃下鼓风干燥22h后,再在55℃下真空干燥22h形成。
实施例11:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水层5由制备例3制成的水性聚氨酯在60℃下鼓风干燥20h后,再在60℃下真空干燥20h形成。
实施例12:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水层5由制备例4制成的水性聚氨酯在50℃下鼓风干燥24h后,再在50℃下真空干燥24h形成。
实施例13:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水层5由制备例5制成的水性聚氨酯在50℃下鼓风干燥24h后,再在50℃下真空干燥24h形成。
实施例14-20:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,防水柔性基底1所用原料如表1所示。
对比例
对比例1:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,柔性柔性基底1为涤纶面料。
对比例2:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,未设置防水层5,高触变硅胶层7的下表面与粘结增强层4相互接触。
对比例3:一种柔性可穿戴光疗仪,与实施例1的区别在于,未设置粘结增强层4,反射层3的上表面与防水层5的下表面相互接触。
对比例4:一种光疗仪器的制备方法,包括:S101:提供柔性基底1;S102:在柔性基底1表面形成LED光源;S103:在LED光源四周和柔性基底1上形成第一布拉格反射结构,以第一布拉格反射结构反射LED光源发射的光中所需波段的光、透射LED光源发射的光中其他波段的光;S104:在LED光源和第一布拉格反射结构顶部形成多个第二布拉格反射结构,以通过第二布拉格反射机构投射LED光源发射的光中所需波段的光、反射LED光源发射的光中其他波段的光;S105:在多个第二布拉格反射结构顶部形成透明混光层。
性能检测试验
一、高触变硅胶材料的性能检测
按照制备例1-7中的方法制备高触变硅胶材料,并按照以下方法检测高触变硅胶材料的性能,检测结果记录于表2中。
1、拉伸强度和断裂伸长率:按照GB/T502-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》进行检测;
2、硬度:GB/T531.1-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分:邵氏硬度计法》进行检测;
3、粘结强度:将由水性聚氨酯的制备例1制成的水性聚氨酯在50℃下鼓风干燥24h,再在50℃下真空干燥24h,形成水性聚氨酯膜,在水性聚氨酯膜上涂刷高触变硅胶材料,固化后,按照GB/T6328-1986《胶粘剂剪切冲击强度试验方法》检测高触变硅胶材料与水性聚氨酯的粘结强度,记为F1;以同样的方法检测高触变硅胶材料与硅胶膜的粘结强度,记为F2;
4、将高触变硅胶材料固化在硅胶膜和由水性聚氨酯的制备例1制成的水性聚氨酯膜上按照GB/T6328-1986《胶粘剂剪切冲击强度试验方法》进行检测;
5、与水的接触角:将高触变硅胶材料在60℃下固化完全后,裁成40nm×40mm的规格,平铺在接触角测定仪(上海中晨JC-2000D)样品台上,测试其表面水接触角,测试温度为25℃;6、压缩变形率:使用B型橡胶永久压缩变形仪器(型号为2015422111018)在压缩比为50%,压缩环境为70℃,压缩24h,压缩前测量试样厚度(H0),松开压缩力后5min检测测量试样厚度(H1),压缩形变仪器上板与下板质检的距离为Hn,按照下式计算压缩形变率:D=[(H0-H1)/(H0-Hn)]×100%,橡胶永久压缩变形器选自扬州市道纯试验机械厂。
表2高触变硅胶材料性能检测结果
结合制备例1-6和表2,可以看出,制备例1-3制备的高触变硅胶材料的拉伸强度和断裂伸长率大,回弹性好,防水性高,与水性聚氨酯和硅胶膜的粘结强度大,从而使制成的柔软可穿戴光疗仪的可拉伸效果好,耐水性高。
制备例4因制备高触变硅胶材料时,使用未改性碳酸钙替代改性碳酸钙,高触变硅胶材料的拉伸强度和断裂伸长率与实施例1-3相比,有所降低,且硬度减小,与水性聚氨酯、硅胶膜的粘结强度下降,疏水效果减弱,压缩变形率增大,说明制备高触变硅胶材料时,掺入由油酸、硬脂酸钠和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷改性制得碳酸钙,能增大高触变硅胶材料的压缩回弹性和拉伸性能,并改善高触变硅胶材料的疏水效果,从而提高柔性可穿戴光疗仪的柔韧性和可拉伸性,并提高光疗仪的耐水性。
制备例5因制备高触变硅胶材料时,未添加3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯,由表2中结果可以看出,高触变硅胶材料的拉伸强度、断裂伸长率和硬度下降,而压缩变形率增大,说明添加3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯,能促进石墨烯与硅胶材料的相容性,增强高触变硅胶材料的强度,从而提高其力学性能,使其具有良好的压缩回弹性。
制备例6因制备高触变硅胶材料时,使用的改性碳酸钙内未添加油酸和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,由检测结果可知,高触变硅胶材料的拉伸强度、断裂伸长率、压缩变形率等于制备例1-3相差不大,但与水的接触角明显降低,说明使用油酸和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对碳酸钙进行改性,并将改性碳酸钙掺入高触变硅胶材料中,能有效改善高触变硅胶材料的耐水效果。
二、水性聚氨酯的性能检测
按照水性聚氨酯的制备例1-5中的方法制备水性聚氨酯,并按照以下方法检测水性聚氨酯的性能,将检测结果记录于表3中。
1、与水的接触角:将水性聚氨酯的制备例1-5制成的水性聚氨酯在50℃下鼓风干燥24h,再在50℃下真空干燥24h,裁成40nm×40mm的规格,平铺在接触角测定仪(上海中晨JC-2000D)样品台上,测试其表面水接触角,测试温度为25℃;
2、力学性能:将水性聚氨酯的制备例1-5制成的水性聚氨酯,在50℃下鼓风干燥24h,再在50℃下真空干燥24h,裁成40nm×40mm的规格,按照GB/T1040.3-2006《塑料拉伸性能的测试薄膜和薄片的试验条件》,采用电子拉伸试验机测试,拉伸速率为350mm/min,每个制备例制成的水性聚氨酯测试3次取平均值,测试温度25℃;
3、粘度:在25℃下采用旋转粘度计(上海昌吉NDJ-1D)检测。
表3水性聚氨酯的性能检测结果
结合水性聚氨酯的制备例1-5和表3,可以看出,由制备例1-3制成的水性聚氨酯,拉伸强度大,断裂伸长率高,力学性能好,从而使制成的柔性可穿戴光疗仪具有较好的拉伸效果和柔韧性,穿戴舒适,同时使柔性可穿戴光疗仪具有耐水性。
三、柔性可穿戴光疗仪耐水性检测
1、耐水性:按照实施例1-18和对比例1-4中的方法制备柔性可穿戴光疗仪,并按照IPX试验(防水等级测试)进行检测,其中IPX8的检测条件为:使用浸入深度防水测试仪中(上海煜南仪器有限公司,型号为IK-WGT-200),控制进气压力为15kPa(对应水深为1.5m),保压60min后,取出,晾干,查看柔性可穿戴光疗仪是否能够使用,能够使用则满足IPX8级防水,将检测结果记录于表4中;
2、舒适性:随机选取240名志愿者,分成24组,每组10人,24组志愿者对应使用实施例1-20和对比例1-4制备的柔性可穿戴光疗仪,对柔性可穿戴光疗仪的穿戴效果进行评分,其中评分标准如下:贴肤效果好,柔软舒适:90-100分;贴肤效果良好,较为柔软:70-90分;贴肤效果一般,柔软度一般:50-60分,每组检测结果如平均值,将检测结果记录仪表4中。
表4实施例和对比例制备的柔性可穿戴光疗仪防水检测
结合实施例1-19和对比例1-4,并结合表4,可以看出,实施例1中使用市售的高触变硅胶材料制成高触变硅胶层7,并使用TPU薄膜作为防水柔性基底1,柔性可穿戴光疗仪符合IPX4防水要求,但穿戴舒适度不高;而实施例2-4中,使用高触变硅胶材料的制备例1-3制成的高触变硅胶材料,形成高触变硅胶层7,由检测结果可以看出,柔性可穿戴光疗仪耐水效果好,在1.5米深的水中浸泡60min后依然可以使用,符合IPX8防水要求,且穿戴舒适度高,贴肤感好,柔软舒适。
实施例5因制备高触变硅胶材料时使用未改性碳酸钙,由检测结果可知,柔性可穿戴光疗仪符合IPX5防水要求,耐水效果与实施例2-4相比有所下降。
实施例6因制备高触变硅胶材料时未使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯,由检测结果可知,光疗仪的防水等级仍为IPX8,防水效果好,说明3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性石墨烯对光疗仪的耐水性无较大影响。
实施例7因制备高触变硅胶材料时的改性碳酸钙中未使用油酸和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,由表4中数据可知,光疗仪的防水等级为IPX5,与实施例2-3相比,耐水性下降,说明使用油酸和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对碳酸钙进行改性,并掺入高触变硅胶材料中,能有效改善高触变硅胶材料的耐水性。
实施例8使用市售水性聚氨酯,与高触变硅胶材料的制备例1制成的高触变硅胶材料配合使用,市售水性聚氨酯作为放水层4,柔性差,舒适度和贴肤效果不好,防水效果差,耐水性下降。
实施例9-11中使用水性聚氨酯的制备例1-3制备的水性聚氨酯作为防水层5,与高触变硅胶材料的制备例1制成的高触变硅胶材料相互配合,防水效果达到8级,耐水性好,且柔软舒适,贴肤效果好。
实施例12和实施例13分别因水性聚氨酯中未添加聚二甲基硅氧烷和聚甲基乙烯基硅氧烷,由表4中结果可知,实施例12和实施例12制备的柔性可穿戴光疗仪的防水等级均下降至6级,耐水效果下降,说明使用聚二甲基硅氧烷和聚甲基乙烯基硅氧烷接枝到水性聚氨酯上,能显著提高水性聚氨酯的粘度和耐水性。
实施例14-实施例18中使用不同的复合面料作为防水柔性基底1,PTFE复合面料和由PVA或PE或PA涂覆的纺织面料均具有较好的耐水性,所以制成的柔性可穿戴光疗仪的耐水效果符合IPX8的要求。
对比例1使用涤纶面料作为防水柔性基底1,因涤纶面料不具备防水效果,所以制成的光疗仪不具有防水性能,且贴肤效果、柔韧性均不及实施例2-4和实施例8-10制备的光疗仪。
对比例2因未设置防水层5,直接将高触变硅胶层7粘结在粘结增强层4上,制成的柔性可穿戴光疗仪的防水等级仅为6,耐水性与实施例2-4和实施例8-10相比有所下降,且穿戴后舒适性差,贴肤效果不好。
对比例3因未设置粘结增强层4,直接将防水层5设置在反射层3上,柔性可穿戴光疗仪的防水等级为6,耐水性与实施例2-4和实施例8-10相比有所下降。
对比例4制备的光疗仪器的防水等级仅为3,耐水性差,与实施例2-4和实施例8-10制备的光疗仪效果相差较大。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释,其并不是对本申请的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。