一种用于可穿戴电子设备的柔性热防护衬底及其制备方法

本发明属于柔性热防护衬底领域，尤其是涉及一种用于可穿戴电子设备的柔性热防护衬底及其制备方法。

背景技术：

随着材料科学和制造技术的不断进步，社会及工业界对各类电子设备的功能性、便携性和舒适性等提出了新的要求，柔性可穿戴化已成为新兴电子器件的一个重要的发展方向。相比于传统刚性电子器件，可穿戴电子设备的具有柔性、弹性和承受任意形变的能力。机械设计和材料的最新进展，使得高性能的可穿戴电子设备具有预诊断健康管理功能，它可以共形接触人体皮肤并精确测量皮肤活性和生理信号，例如皮肤水合作用、体温、血液流动、血氧、皮肤应变和血糖等。

许多集成在皮肤上的可穿戴电子器件由两部分组成：功能电子单元和柔性衬底。柔性衬底像皮肤一样具有弹性，它的一面集成功能电子单元，另一面具有粘性集成在皮肤上。功能电子单元常会利用到发光二极管或薄膜加热器，在工作过程中会产生不期望的热量不仅会引起皮肤组织不舒适甚至损伤，同时，可能致使器件性能退化。

为了减少可穿戴电子设备的不良热效应，主要是对柔性衬底进行改进。各类硅橡胶常被用作柔性衬底，但是橡胶材料的热传导系数普遍较低，不利于热量的散发。

目前对此的改进方法主要有：1)将金属纳米颗粒作为填充料与橡胶基体混合，但是这种方法引入的金属颗粒会削弱橡胶衬底的柔韧性；2)将碳纳米管或石墨烯片作为填充料与橡胶基体混合，但是这种方法用到的碳纳米管价格高昂；3)将相变材料(如石蜡)与橡胶基体混合，利用相变吸热的原理来处理多余的热量，但是这种方法引入的石蜡在液态状态下会从橡胶基体中渗漏。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明一种用于可穿戴电子设备的柔性热防护衬底及其制备方法，制得的柔性热防护衬底用于可穿戴电子器件，解决器件发热和散热问题，具有防护皮肤热损伤的功能。

一种用于可穿戴电子设备的柔性热防护衬底的制备方法，包括以下步骤：

(1)将微胶囊相变材料和液态硅橡胶预聚物按比例充分混合，得到共混料；微胶囊相变材料的质量占共混料总质量的0％-40％；

所述微胶囊相变材料的粒径1-100微米，微胶囊相变材料的壁材厚度为0.2-10微米，微胶囊相变材料的囊芯为石蜡类、醇类、无机盐、脂肪酸或这几种的复合物，微胶囊相变材料的壁材为高分子材料或无机材料；

所述液态硅橡胶预聚物采用热硫化型硅橡胶材料或室温硫化型硅橡胶材料；

(2)在基片上旋涂一层热固化涂料，并在热板上加热固化得到牺牲层；

(3)将得到的共混料直接旋涂在制有牺牲层的基片上，或者浇筑在没有牺牲层的模具中，得到初胚；

(4)将初胚放入真空设备进行脱气处理，去除初胚内部空气；

(5)将脱气后的初胚放入烘箱加热固化，得到热防护柔性衬底；

(6)将固化后的初胚放入释放溶剂中浸泡，溶解牺牲层从而释放得到柔性热防护衬底；

或者，将固化后的初胚从模具中直接脱模，得到柔性热防护衬底。

优选地，步骤(1)中，所述微胶囊相变材料的囊芯为高纯正构烷烃石蜡，微胶囊相变材料的壁材为脲醛树脂。石蜡在固态和液态下都具有较高的比热容，有利于吸收可穿戴电子产生的热量。脲醛树脂价格便宜，成膜性好。

优选地，步骤(1)中，所述液态硅橡胶预聚物采用以聚二甲基硅氧烷为基体的热硫化型硅橡胶，其本体和固化剂的质量比为10：1。聚二甲基硅氧烷硅胶的无毒无异味，具有良好的化学稳定性，且流动性好易于和中空玻璃微珠融合。

优选地，步骤(1)中，微胶囊相变材料的质量占共混料总质量的40％。过高比例的掺杂，会引起最终加热不固化的情况。

优选地，步骤(1)中，将微胶囊相变材料和液态硅橡胶预聚物放入具有搅拌功能的混料设备中进行混合。充分的机械搅拌会增加复合材料的均匀性。

优选地，步骤(2)中，所述基片为直径50-100毫米，厚度0.5-2毫米的玻璃片或者硅片。

优选地，步骤(2)中，所述热固化涂料为光刻胶或者水溶性的聚苯乙烯磺酸钠溶液。

优选地，步骤(2)中，热固化涂料的旋涂选择匀胶机，转速优选1000-4000rpm，旋涂时长优选40-120秒。

步骤(3)中，模具可以是规则图形凹槽或不规则图形凹槽。所述凹槽底面为光滑表面或具有结构的非光滑表面。模具的材质为铝合金或聚四氟乙烯，模具的凹槽深度为0.05-3毫米。

优选地，步骤(4)中，脱气处理的时长为4-12小时。

优选地，步骤(5)中，将脱气后的初胚放入烘箱进行加热固化，以85摄氏度加热4小时，紧接着115摄氏度加热10小时。

在步骤(6)中，所述释放溶剂的选择由牺牲层决定，当牺牲层的热固化涂料为光刻胶时，释放溶剂选择丙酮；当牺牲层的热固化涂料为聚苯乙烯磺酸钠时，释放溶剂选择水。

本发明还提供了一种用于可穿戴电子设备的柔性热防护衬底，采用上述制备方法制备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的柔性热防护衬底的制备方法科学合理且简单易行，利用廉价的微胶囊相变材料代替价格高昂的碳纳米管和石墨烯片等材料，在保证了衬底的柔性，赋予了衬底吸热的功能。

附图说明

图1为本发明实施例对比测试时的热防护效果对比图；

图2为本发明实施例对比测试时的柔韧性对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

一种用于可穿戴电子设备的柔性热防护衬底的制备方法，

(1)混料

将微胶囊相变材料和液态硅橡胶预聚物按比例充分混合，得到共混料。

具体的，将微胶囊相变材料和液态硅橡胶预聚物放入具有搅拌功能的混料设备中进行混合。使用上述具有搅拌功能的混料设备时，可设置的搅拌速度为800rpm，时长10分钟。

所用微胶囊相变材料可以采用市售微胶囊相变材料，相变温度28摄氏度，囊芯采用高纯正构烷烃石蜡，壁材采用脲醛树脂壁材。微胶囊直径3-10微米。

液态硅橡胶预聚物选择聚二甲基硅氧烷预聚物为优选，由本体和固化剂按照质量比10:1的比例混合而成。

微胶囊相变材料质量与共混物总质量的比例优选为40％。

(2)牺牲层：在基片上旋涂一层热固化涂料，并在热板上加热固化得到牺牲层。

具体的，热固化涂料选择光刻胶。旋涂选择匀胶机，转速3000rpm，旋涂时长优选40秒。

(3)浇筑：将所述共混料浇入模具，或者将所述共混料旋涂在制有牺牲层的基片上，得到初胚。

具体的，模具为直径30毫米，深度3毫米的聚四氟乙烯圆柱形凹槽。

(4)真空：将初胚放入真空设备进行脱气处理，去除初胚内部空气。

(5)固化成型：将初胚放入烘箱或热板上加热固化，得到热防护柔性衬底。

成型条件为：85摄氏度保持4小时，紧接着115摄氏度保持10小时。

(6)释放：将固化后的初胚放入释放溶剂中浸泡，溶解牺牲层从而释放得到柔性热防护衬底；或者，将固化后的初胚从模具中直接脱模，得到柔性热防护衬底。

为验证本发明的效果，将采用上述方法制备得到的柔性热防护衬底进行以下测试。

测试数据1-热防护效果对比。

按照本发明具体实施方法制备了一种掺杂40％微胶囊相变材料的热防护衬底和一种不掺杂微胶囊相变材料的热防护衬底。这两种热防护衬底的上表面放置薄膜加热器模拟可穿戴电子设备的发热，然后在热防护衬底下表面放置薄膜温度传感器记录温度。实验数据如图1所示，可以看出，掺杂40％微胶囊相变材料的热防护衬底起到了很明显的热防护效果。

测试数据2-柔韧性对比。

按照本发明具体实施方法制备了掺杂10％、20％、30％和40％微胶囊相变材料的热防护衬底，同时制备了一种不掺杂微胶囊相变材料的热防护衬底作为对比。对每一种样品进行拉伸断裂实验，分析实验数据得到了每种样品的弹性模量和最大拉伸率。弹性模量表示其软硬程度，最大拉伸率表示其柔韧性性。如图2所示，随着微胶囊相变材料掺杂比例的提高，柔性热防护衬底越来越软，柔韧性越来越好。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。