一種可穿戴電加熱系統(tǒng)的制作方法

本實用新型涉及一種可穿戴電加熱系統(tǒng)，屬于柔性及可穿戴電子學領域以及新材料技術領域。

背景技術：

可穿戴電加熱器件，主要用于提供保暖以及熱療應用?；陔娮杞苟鸁崾降碾娂訜崞骷捎谝子诩庸?，方便調控以及高效率能量轉換，最有希望廣泛應用于可穿戴器件。傳統(tǒng)的用于電加熱的材料主要是摻銦氧化錫(ITO)，但由于其是脆性的，所以難以在對柔性甚至可拉伸性有著高要求的可穿戴領域取得很好的應用。近年來，一些具有優(yōu)異的導電性和機械柔性的納米材料，如碳納米管【參照文獻1】、石墨烯【參照文獻2】、金屬納米線【參照文獻3】、以及它們的混合材料【參照文獻4】，開始被作為加熱材料應用于電阻式電加熱器件。在應用于可穿戴式電加熱器件時，有兩個重要的問題需要考慮。一方面，大部分的可穿戴式電加熱器件借助柔性的聚合物薄膜作為基板【參照文獻5,6】，這樣在長時間穿戴時會由于透氣性差造成穿戴舒適性問題。另一方面，在日常穿戴中，電加熱器件還需要能夠在外界力學作用時仍然保持穩(wěn)定工作，這是絕大部分的可穿戴電加熱器件都無法達到的【參照文獻7,8】。目前，還沒有能夠在各種力學沖擊，如彎曲、扭曲、拉伸作用下，還能夠提供有效的電加熱性能的電加熱纖維，以及其編織成的電加熱織物。例如CN204808061U公開一種可穿戴式溫度控制裝置，但是其貼片式的發(fā)熱片會導致穿戴后影響透氣性；CN204581658U公開一種用于促進肩周炎治療的加熱背心，包括布制的披肩背心和加熱裝置，但由于其電熱塊由外側包裹樹脂的電熱絲構成，所以無法在拉伸變形時仍然保持正常工作。因此，開發(fā)一種工藝簡單、易于操作的柔性可拉伸可穿戴電加熱器件的制備方法是十分重要的，但就本實用新型的發(fā)明人所知，目前為止還沒有開發(fā)出有效的方法。

現(xiàn)有技術文獻

非專利文獻1

D.Janas,K.K.Koziol,Carbon 2013,59,457.

非專利文獻2

M.K.Choi,I.Park,D.C.Kim,E.Joh,O.K.Park,J.Kim,M.Kim,C.Choi,J.Yang,K.W.Cho,J.-H.Hwang,J.-M.Nam,T.Hyeon,J.H.Kim,D.-H.Kim,Adv.Funct.Mater.2015,25,7109.

非專利文獻3

J.Chen,J.Chen,Y.Li,W.Zhou,X.Feng,Q.Huang,J.G.Zheng,R.Liu,Y.Ma,W.Huang, Nanoscale 2015,7,16874.

非專利文獻4

X.Zhang,X.Yan,J.Chen,J.Zhao,Carbon 2014,69,437.

非專利文獻5

S.Choi,J.Park,W.Hyun,J.Kim,J.Kim,Y.B.Lee,C.Song,H.J.Hwang,J.H.Kim,T.Hyeon,D.-H.Kim,Acs Nano 2015,9,6626.

非專利文獻6

J.Kim,M.Lee,H.J.Shim,R.Ghaffari,H.R.Cho,D.Son,Y.H.Jung,M.Soh,C.Choi,S.Jung,K.C hu,D.Jeon,S.T.Lee,J.H.Kim,S.H.Choi,T.Hyeon,D.H.Kim,Nat.Commun.2014,5,5747.非專利文獻7

P.C.Hsu,X.Liu,C.Liu,X.Xie,H.R.Lee,A.J.Welch,T.Zhao,Y.Cui,Nano Lett.2015,15,365.非專利文獻8

M.J.Rahman,T.Mieno,J Nanomater.2015,2015,1.

專利文獻：

專利文獻1：CN204808061U

專利文獻2：CN204581658U 。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本實用新型的目的在于提供一種高彈性可穿戴電加熱系統(tǒng)。

在此，本實用新型提供一種可穿戴電加熱系統(tǒng)，包括：

可穿戴電加熱物件，所述可穿戴電加熱物件含有高彈性電加熱纖維，所述高彈性電加熱纖維包括負載有導電材料的螺旋狀纖維、以及由滲透于所述螺旋狀纖維內部且包裹于所述螺旋狀纖維外表面的彈性聚合物構成的彈性支撐體；

與所述可穿戴電加熱物件相連以調節(jié)其溫度的控制單元；和

與控制單元通信以對其發(fā)出溫度調節(jié)指令的終端設備。

本實用新型提供的高彈性電加熱纖維中，首先，導電材料，例如金屬納米顆粒、金屬納米線、導電聚合物等負載在螺旋狀紗線上形成網(wǎng)狀導電通路，在通電后其中的導電材料利用焦耳效應可以有效發(fā)熱。其次，本實用新型中，彈性支撐體填充螺旋狀紗線內部(內腔)以及包覆螺旋狀紗線外表面，即、負載有導電材料的螺旋狀紗線完全嵌入彈性支撐體內，從而彈性支撐體可對負載有導電材料的螺旋狀紗線進行了360度的包覆，更具體地說，彈性支撐體不僅在螺旋狀紗線外表面形成彈性包覆層，還在螺旋狀紗線的內腔形成彈性填充體，以及在相鄰螺圈之間形成了可拉伸的彈性連接體，借助于該彈性支撐體，一方面確保了螺旋狀紗線被拉伸時能可靠地保持螺旋狀結構而保持導電通路(在拉伸、彎曲、扭曲等變形條件下，螺旋狀紗線被拉伸(即螺距變大)，但螺旋狀纏繞的長紗線本身并沒有斷裂，仍能實現(xiàn)其上負載的導電材料構成的導電通路的完整性)，另一方面在撤去外力時，螺旋狀紗線也能借助彈性支撐體的彈性回復恢復原型。此外，彈性支撐體對負載有導電材料的螺旋狀紗線進行了360度的包覆能將形成導電網(wǎng)絡的導電材料(例如金屬納米線)更好地釘扎于螺旋纏繞長纖維的表面。因此。本實用新型提供的上述纖維可以在拉伸、彎曲、扭曲等變形條件下仍然保持穩(wěn)定的電加熱性能。

而且，本實用新型可以方便簡單地對可穿戴電加熱物件的溫度進行調控。

較佳地，所述控制單元包括：

對所述可穿戴電加熱物件供電以使其發(fā)熱的電源；

檢測所述可穿戴電加熱物件的溫度的溫度傳感器；

根據(jù)溫度傳感器的檢測結果調節(jié)所述可穿戴電加熱物件的溫度的溫度調節(jié)單元；以及

與所述終端設備通信的通信裝置。

較佳地，所述通信裝置為藍牙裝置或紅外裝置。

較佳地，所述終端設備上具有溫度信息顯示部和溫度設定部。

較佳地，所述終端設備上還具有電源電量剩余信息顯示部和通信連接標識。

較佳地，所述可穿戴電加熱物件包括護膝、護肘、手套和外套。

附圖說明

圖1為實施例1-3中所使用的S型螺旋狀聚酯纖維紗線的結構示意圖；

圖2為實施例5中浸漬銅納米線并進行氫氣等離子體處理后的螺旋紗線的結構示意圖；

圖3為實施例2中的高彈性電加熱纖維的結構示意圖；

圖4為實施例6中所得到的電加熱織物結構示意圖；

圖5為本實用新型中一個示例的智能可穿戴電加熱系統(tǒng)的結構框圖；

圖6為示出了控制單元的具體結構的智能可穿戴電加熱系統(tǒng)的結構框圖；

圖7為智能可穿戴電加熱系統(tǒng)的終端設備的結構框圖。

具體實施方式

以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本實用新型，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本實用新型，而非限制本實用新型。

圖3示出本實用新型的一個示例的高彈性電加熱纖維的結構示意圖，其包括負載有導電材料的螺旋狀紗線(參見圖1、2)、以及由滲透包裹于螺旋狀紗線內部和外表面的彈性聚合物構成的彈性支撐體。

所述螺旋狀紗線可為單根織物長纖維或呈單股的多根織物長纖維，以“S”型或“Z”型螺旋纏繞，但不限于此。構成螺旋狀紗線的長纖維包括但不限于各類人造或天然纖維，如滌綸、錦綸、腈綸、氨綸和棉纖維等。螺旋狀紗線的螺旋直徑在50～1000um之間可調，優(yōu)選為300～600um之間可調。通過使螺旋直徑在50～1000um之間可調，可以不過度增大高彈性電加熱纖維的直徑，同時在各種變形下仍能維持負載于螺旋狀紗線表面的導電材料層的正常發(fā)熱。組成紗線長纖維的直徑在5～100um之間可調，優(yōu)選為在5～20um之間,可根據(jù)導電材料的幾何尺寸可以調節(jié)纖維直徑從而優(yōu)化吸附效果。螺旋狀紗線優(yōu)選以留有間隙的形式形成螺旋，以使彈性聚合物容易滲透入其內部并在相鄰螺圈之形成彈性連接體。

負載于螺旋狀紗線表面的導電材料只要能在通電后發(fā)熱即可，包括但不限于金屬納米顆粒、金屬納米線、金屬納米片、導電聚合物，優(yōu)選地，這些導電材料以涂層的形式負載在螺旋狀紗線表面的形成導電層。金屬納米顆粒、金屬納米線、和/或金屬納米片的材質包括但不限于銀、銅、金等。金屬納米顆粒的粒徑可為5～100nm。金屬納米線的短軸長度可為5～100nm，長軸長度可為50～100000nm。金屬納米片的片徑可為10～100，BET比表面積可為0.1～3m²/g。導電聚合物包括但不限于聚苯胺、PEDOT:PSS(聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))、聚吡咯等。通過調節(jié)導電材料的種類和負載量，可以調控高彈性電加熱纖維的單位長度電阻值，進而調節(jié)其發(fā)熱性能。例如，本實用新型中高彈性電加熱纖維的單位長度電阻在0.1～1000Ω/cm之間可調。

彈性聚合物不僅填充在螺旋狀紗線內部(螺旋內腔，以及相鄰螺圈之間)而且完全包覆螺旋狀紗線，從而分別形成螺旋內腔彈性填充體、相鄰螺圈彈性連接體以及彈性外包括層，對螺旋狀紗線提供360度的彈性支撐，從而在在拉伸、彎曲、扭曲等變形條件下能可靠地維持螺旋狀結構以及在撤去外力時回復原型。而且，對螺旋狀紗線提供360度的包覆還可牢牢地將位于其間的導電材料鉚釘在螺旋狀紗線上，可以克服紗線與導電材料之間吸附力弱的問題。另外，該彈性聚合物優(yōu)選為絕緣，以使導電纖維外表面呈現(xiàn)絕緣性。該彈性聚合物包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等各類彈性橡膠。采用不同的彈性聚合物，電加熱纖維的彈性極限在100％-200％之間可調。彈性聚合物包覆層的厚度可為0.1～1mm。螺旋狀紗線以及360度的彈性聚合物包覆支撐使得本實用新型的電加熱纖維可以在拉伸、彎曲、扭曲等變形條件下仍然保持穩(wěn)定的電加熱性能。

本實用新型中，電加熱纖維的彈性和發(fā)熱性能可以通過各種參數(shù)容易地調節(jié)(例如如上所述可以通過調節(jié)螺旋狀紗線的結構和/或彈性聚合物的種類來調節(jié)彈性，通過調節(jié)導電材料層的厚度來調節(jié)電加熱性能)，因此可以方便地滿足不同的彈性和/或發(fā)熱性能需求(例如可以應用于人體不同部位)。

以下，示例性地說明本實用新型的高彈性電加熱纖維的制備方法。

首先，對螺旋狀紗線進行導電材料的涂覆。螺旋狀紗線可以通過紡織機器纏繞方法形成。也可通過市售購得。對螺旋狀紗線進行導電材料的涂覆方法可采用浸漬涂布、滴涂等液相涂布方法。即，將導電材料的分散液涂布于螺旋狀紗線上。在分散液中，金屬納米線分散液和/或金屬納米顆粒分散液的濃度可為0.1～20mg/mL，優(yōu)選為1～20mg/mL，導電聚合物分散液的濃度可為0.1～20mg/mL。分散液的溶劑可為乙醇、甲苯、水等?？梢酝ㄟ^涂布次數(shù)來控制導電材料的負載量從而調控高彈性電加熱纖維的單位長度電阻值。另外，應理解，導電材料層的制備方法不限于上述液相涂布法，也可以采用真空鍍膜法等。另外還應理解，導電材料均勻負載/分散在螺旋狀紗線上即可，不一定要形成完整的層狀結構。在進行導電材料的涂覆后，可以對其進行后處理來進一步增強導電層對螺旋狀紗線的結合強度以及導電性，如涂覆金屬納米線后進行氫氣等離子體處理，涂覆金屬納米顆粒后進行退火處理等。然而，應理解，后處理并非必要的，也可不經該后處理直接置于液態(tài)彈性聚合物進行滲透包覆。

接著，對涂覆有導電材料層的螺旋狀紗線進行液態(tài)彈性聚合物的滲透包覆以及原位固化。在一個示例中，將涂覆有導電材料層的螺旋狀紗線浸泡于液態(tài)彈性聚合物中一段時間(例如1～3分鐘)，以使液態(tài)彈性聚合物滲透于螺旋狀紗線內部且包覆于螺旋狀紗線外表面。然后，使?jié)B透包覆的液態(tài)彈性聚合物原位固化。液態(tài)彈性聚合物的聚合條件可為：在溫度40～150℃下，聚合0.5～10h。彈性導電纖維的導電性可以通過萬用表測量單位長度電阻來進行表征。

本實用新型還提供上述高彈性電加熱纖維的應用，即提供一種電加熱織物。電加熱織物含有上述高彈性電加熱纖維，既可以是直接由電加熱纖維按照各種編織方式編織而得到，也可以是將電加熱纖維編織入衣物以及其他可穿戴物件中得到的電加熱衣物或其他可穿戴電加熱物件，如護膝、護肘、手套、嬰兒外套等。即，本實用新型提供的可穿戴電加熱物件可以是將由高彈性電加熱纖維編織而成的電加熱織物與可穿戴物件進行組裝集成而得，例如將高彈性纖維形成的電加熱織物通過貼合的方式固定于護膝、衣服等內側，也可以是將高彈性電加熱纖維編織入可穿戴物件中而得，例如手套中在指套中編入一個或多根高彈性導電纖維。

本實用新型還提供一種智能可穿戴電加熱織物系統(tǒng)。圖5為本實用新型中一個示例的智能可穿戴電加熱系統(tǒng)的結構框圖。如圖5所示，該可穿戴電加熱織物系統(tǒng)1包括：可穿戴電加熱物件11；與可穿戴電加熱物件11相連以調節(jié)其溫度的控制單元12；和與控制單元12通信以對其發(fā)出溫度調節(jié)指令的終端設備13。

其中，可穿戴電加熱物件11中含有本實用新型的高彈性電加熱纖維，例如可以是如上所述將由本實用新型的高彈性電加熱纖維編織而成的電加熱織物與可穿戴物件進行組裝集成而得，也可以是將本實用新型的高彈性電加熱纖維編織入可穿戴物件中而得?？纱┐麟娂訜嵛锛?1可為可穿戴電加熱衣物或其他可穿戴物件例如護膝、護肘等?？纱┐麟娂訜嵛锛?1可以穿戴于人體、動物體等。

圖6示出了控制單元12的結構。如圖6所示，控制單元12中可包括電源121，與設置于可穿戴電加熱物件11上的兩個端子通過導線連接以對可穿戴電加熱物件11供電。可穿戴電加熱物件11在所需的位置含有本實用新型的高彈性電加熱纖維，其在通電后可利用焦耳效應有效發(fā)熱，從而對與其接觸的部位提供保暖或熱療等。

控制單元12還具有用于檢測可穿戴電加熱物件11的溫度的溫度傳感器122、調節(jié)單元123和與終端設備13通信的通信裝置124。溫度傳感器122檢測到的可穿戴電加熱物件11的溫度信號經由通信裝置124發(fā)送至終端設備13。作為通信裝置124，優(yōu)選為無線裝置，包括但不限于藍牙裝置、紅外裝置等。如圖7所示，終端設備13(例如手機、平板電腦等)上具有溫度設定部131。用戶通過操作溫度設定部131(例如可打開或關閉加熱以及設定具體的加熱溫度)，以此向控制單元12發(fā)出溫度調節(jié)指令。終端設備13上還可具有溫度信息顯示部132。溫度信息顯示部132顯示來自控制單元12的溫度信息。用戶可以根據(jù)溫度信息顯示部132顯示的溫度信息或自身感知到的溫度對溫度設定部132進行操作?？刂茊卧?2借由通信裝置124接收該溫度調節(jié)指令，調節(jié)單元123根據(jù)該接收到的溫度調節(jié)指令將可穿戴電加熱物件11的溫度調節(jié)至用戶設定的溫度。具體而言，調節(jié)單元123與電源121連接，可以控制電源的開關以及電源的供電量，從而控制可穿戴電加熱物件11的發(fā)熱。由此，在終端設備13上一方面可以監(jiān)測穿戴位置的溫度變化，另一方面可以對電加熱織物進行溫度調控。終端設備13上還可以具有電源電量剩余信息顯示部133，以顯示由控制單元12發(fā)送的電源的電量信息；另外，還可以具有通信連接標識134，以確認是否與控制單元12處于通信狀態(tài)。上述控制單元12可以采用微控制芯片。上述溫度設定部131、溫度信息顯示部132電源電量剩余信息顯示部133等可以集成于終端設備13的溫度監(jiān)測和控制軟件上，并在軟件界面上顯示。

本實用新型的智能可穿戴電加熱織物系統(tǒng)可以對可穿戴電加熱物件進行智能加熱控制，而且在拉伸、彎曲、扭曲等變形條件下仍然保持穩(wěn)定的電加熱性能。

下面進一步例舉實施例以詳細說明本實用新型。同樣應理解，以下實施例只用于對本實用新型進行進一步說明，不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，本領域的技術人員根據(jù)本實用新型的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本實用新型的保護范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個示例，即本領域技術人員可以通過本文的說明做合適的范圍內選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

實施例1

將S型螺旋狀聚酯纖維(如圖1所示，螺旋直徑為700um，纖維直徑為20um)在納米銀膠體(直徑:20-80nm,濃度：0.1mg/mL，溶劑：水)分散液中浸漬涂布5次，然后進行退火處理(100℃，0.5h)，之后在液態(tài)PDMS中進行滲透以及包覆，最后進行固化(80℃，3h)，得到高彈性電加熱纖維。根據(jù)萬用表測得其單位長度電阻為2Ω/cm。

實施例2

將S型螺旋狀聚酯纖維(如圖1所示)在納米銀片(片徑：～0.5um,BET:0.80-1.45m²/g)水溶劑分散液中浸漬涂布5次，然后進行退火處理(120℃，1h)，之后在液態(tài)PDMS中進行滲透以及包覆，最后進行固化(100℃，2h)，得到高彈性電加熱纖維。其單位長度電阻為3Ω/cm。

實施例3

將S型螺旋狀聚酯纖維(如圖1所示)在銀納米線乙醇分散液(5mg/mL)中浸漬涂布5次，然后進行氫氣等離子體處理(100Pa，100W,10min)，之后在液態(tài)硅橡膠Ecoflex 00-30中進行滲透以及包覆，最后進行固化(100℃，0.5h)，得到高彈性電加熱纖維。其單位長度電阻為2.5Ω/cm。

實施例4

將Z型螺旋狀尼龍纖維(螺旋直徑為500um，纖維直徑為30um)在導電聚合物PEDOT:PSS中浸漬涂布2次，然后進行退火處理(800℃，0.5h)，之后在液態(tài)硅橡膠Ecoflex 00-50中進行滲透以及包覆，最后進行固化(100℃，0.5h)，得到高彈性電加熱纖維。其單位長度電阻為10Ω/cm。

實施例5

將S型螺旋狀聚酯纖維(螺旋直徑為400um，纖維直徑為10um)在銅納米線乙醇分散液(10mg/mL)中浸漬涂布10次，然后進行氫氣等離子體處理((100Pa，120W,20min))，之后在液態(tài)Ecoflex 00-30中進行滲透以及包覆，最后進行固化(100℃，2h)，得到高彈性電加熱纖維。其單位長度電阻為1.5Ω/cm。

實施例6

將實施例5中的高彈性電加熱纖維按照5×5十字交叉的方式進行編織，得到電加熱織物(如圖4所示)。

實施例7

將實施例6中的電加熱織物利用醫(yī)用膠帶貼合固定于護膝內側，然后與包含有電源、溫度傳感器、微控制單元、藍牙裝置的微控制芯片接通，通過包含有溫度監(jiān)測和控制軟件的智能手機終端進行無線智能控制，得到智能可穿戴的電加熱護膝。

實施例8

將實施例6中的電加熱織物利用醫(yī)用膠帶貼合固定于嬰兒外套的內側，然后與包含有電源、溫度傳感器、微控制單元、藍牙裝置的微控制芯片接通，通過包含有溫度監(jiān)測和控制軟件的智能手機終端進行無線智能控制，得到智能可穿戴的電加熱外套。