一种可穿戴电加热系统的制作方法

本实用新型涉及一种可穿戴电加热系统，属于柔性及可穿戴电子学领域以及新材料技术领域。

背景技术：

可穿戴电加热器件，主要用于提供保暖以及热疗应用。基于电阻焦耳热式的电加热器件由于易于加工，方便调控以及高效率能量转换，最有希望广泛应用于可穿戴器件。传统的用于电加热的材料主要是掺铟氧化锡(ITO)，但由于其是脆性的，所以难以在对柔性甚至可拉伸性有着高要求的可穿戴领域取得很好的应用。近年来，一些具有优异的导电性和机械柔性的纳米材料，如碳纳米管【参照文献1】、石墨烯【参照文献2】、金属纳米线【参照文献3】、以及它们的混合材料【参照文献4】，开始被作为加热材料应用于电阻式电加热器件。在应用于可穿戴式电加热器件时，有两个重要的问题需要考虑。一方面，大部分的可穿戴式电加热器件借助柔性的聚合物薄膜作为基板【参照文献5,6】，这样在长时间穿戴时会由于透气性差造成穿戴舒适性问题。另一方面，在日常穿戴中，电加热器件还需要能够在外界力学作用时仍然保持稳定工作，这是绝大部分的可穿戴电加热器件都无法达到的【参照文献7,8】。目前，还没有能够在各种力学冲击，如弯曲、扭曲、拉伸作用下，还能够提供有效的电加热性能的电加热纤维，以及其编织成的电加热织物。例如CN204808061U公开一种可穿戴式温度控制装置，但是其贴片式的发热片会导致穿戴后影响透气性；CN204581658U公开一种用于促进肩周炎治疗的加热背心，包括布制的披肩背心和加热装置，但由于其电热块由外侧包裹树脂的电热丝构成，所以无法在拉伸变形时仍然保持正常工作。因此，开发一种工艺简单、易于操作的柔性可拉伸可穿戴电加热器件的制备方法是十分重要的，但就本实用新型的发明人所知，目前为止还没有开发出有效的方法。

现有技术文献

非专利文献1

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

非专利文献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.

非专利文献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.

非专利文献4

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

非专利文献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.

非专利文献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.非专利文献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.非专利文献8

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

专利文献：

专利文献1：CN204808061U

专利文献2：CN204581658U 。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种高弹性可穿戴电加热系统。

在此，本实用新型提供一种可穿戴电加热系统，包括：

可穿戴电加热物件，所述可穿戴电加热物件含有高弹性电加热纤维，所述高弹性电加热纤维包括负载有导电材料的螺旋状纤维、以及由渗透于所述螺旋状纤维内部且包裹于所述螺旋状纤维外表面的弹性聚合物构成的弹性支撑体；

与所述可穿戴电加热物件相连以调节其温度的控制单元；和

与控制单元通信以对其发出温度调节指令的终端设备。

本实用新型提供的高弹性电加热纤维中，首先，导电材料，例如金属纳米颗粒、金属纳米线、导电聚合物等负载在螺旋状纱线上形成网状导电通路，在通电后其中的导电材料利用焦耳效应可以有效发热。其次，本实用新型中，弹性支撑体填充螺旋状纱线内部(内腔)以及包覆螺旋状纱线外表面，即、负载有导电材料的螺旋状纱线完全嵌入弹性支撑体内，从而弹性支撑体可对负载有导电材料的螺旋状纱线进行了360度的包覆，更具体地说，弹性支撑体不仅在螺旋状纱线外表面形成弹性包覆层，还在螺旋状纱线的内腔形成弹性填充体，以及在相邻螺圈之间形成了可拉伸的弹性连接体，借助于该弹性支撑体，一方面确保了螺旋状纱线被拉伸时能可靠地保持螺旋状结构而保持导电通路(在拉伸、弯曲、扭曲等变形条件下，螺旋状纱线被拉伸(即螺距变大)，但螺旋状缠绕的长纱线本身并没有断裂，仍能实现其上负载的导电材料构成的导电通路的完整性)，另一方面在撤去外力时，螺旋状纱线也能借助弹性支撑体的弹性回复恢复原型。此外，弹性支撑体对负载有导电材料的螺旋状纱线进行了360度的包覆能将形成导电网络的导电材料(例如金属纳米线)更好地钉扎于螺旋缠绕长纤维的表面。因此。本实用新型提供的上述纤维可以在拉伸、弯曲、扭曲等变形条件下仍然保持稳定的电加热性能。

而且，本实用新型可以方便简单地对可穿戴电加热物件的温度进行调控。

较佳地，所述控制单元包括：

对所述可穿戴电加热物件供电以使其发热的电源；

检测所述可穿戴电加热物件的温度的温度传感器；

根据温度传感器的检测结果调节所述可穿戴电加热物件的温度的温度调节单元；以及

与所述终端设备通信的通信装置。

较佳地，所述通信装置为蓝牙装置或红外装置。

较佳地，所述终端设备上具有温度信息显示部和温度设定部。

较佳地，所述终端设备上还具有电源电量剩余信息显示部和通信连接标识。

较佳地，所述可穿戴电加热物件包括护膝、护肘、手套和外套。

附图说明

图1为实施例1-3中所使用的S型螺旋状聚酯纤维纱线的结构示意图；

图2为实施例5中浸渍铜纳米线并进行氢气等离子体处理后的螺旋纱线的结构示意图；

图3为实施例2中的高弹性电加热纤维的结构示意图；

图4为实施例6中所得到的电加热织物结构示意图；

图5为本实用新型中一个示例的智能可穿戴电加热系统的结构框图；

图6为示出了控制单元的具体结构的智能可穿戴电加热系统的结构框图；

图7为智能可穿戴电加热系统的终端设备的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。

图3示出本实用新型的一个示例的高弹性电加热纤维的结构示意图，其包括负载有导电材料的螺旋状纱线(参见图1、2)、以及由渗透包裹于螺旋状纱线内部和外表面的弹性聚合物构成的弹性支撑体。

所述螺旋状纱线可为单根织物长纤维或呈单股的多根织物长纤维，以“S”型或“Z”型螺旋缠绕，但不限于此。构成螺旋状纱线的长纤维包括但不限于各类人造或天然纤维，如涤纶、锦纶、腈纶、氨纶和棉纤维等。螺旋状纱线的螺旋直径在50～1000um之间可调，优选为300～600um之间可调。通过使螺旋直径在50～1000um之间可调，可以不过度增大高弹性电加热纤维的直径，同时在各种变形下仍能维持负载于螺旋状纱线表面的导电材料层的正常发热。组成纱线长纤维的直径在5～100um之间可调，优选为在5～20um之间,可根据导电材料的几何尺寸可以调节纤维直径从而优化吸附效果。螺旋状纱线优选以留有间隙的形式形成螺旋，以使弹性聚合物容易渗透入其内部并在相邻螺圈之形成弹性连接体。

负载于螺旋状纱线表面的导电材料只要能在通电后发热即可，包括但不限于金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米片、导电聚合物，优选地，这些导电材料以涂层的形式负载在螺旋状纱线表面的形成导电层。金属纳米颗粒、金属纳米线、和/或金属纳米片的材质包括但不限于银、铜、金等。金属纳米颗粒的粒径可为5～100nm。金属纳米线的短轴长度可为5～100nm，长轴长度可为50～100000nm。金属纳米片的片径可为10～100，BET比表面积可为0.1～3m²/g。导电聚合物包括但不限于聚苯胺、PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))、聚吡咯等。通过调节导电材料的种类和负载量，可以调控高弹性电加热纤维的单位长度电阻值，进而调节其发热性能。例如，本实用新型中高弹性电加热纤维的单位长度电阻在0.1～1000Ω/cm之间可调。

弹性聚合物不仅填充在螺旋状纱线内部(螺旋内腔，以及相邻螺圈之间)而且完全包覆螺旋状纱线，从而分别形成螺旋内腔弹性填充体、相邻螺圈弹性连接体以及弹性外包括层，对螺旋状纱线提供360度的弹性支撑，从而在在拉伸、弯曲、扭曲等变形条件下能可靠地维持螺旋状结构以及在撤去外力时回复原型。而且，对螺旋状纱线提供360度的包覆还可牢牢地将位于其间的导电材料铆钉在螺旋状纱线上，可以克服纱线与导电材料之间吸附力弱的问题。另外，该弹性聚合物优选为绝缘，以使导电纤维外表面呈现绝缘性。该弹性聚合物包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等各类弹性橡胶。采用不同的弹性聚合物，电加热纤维的弹性极限在100％-200％之间可调。弹性聚合物包覆层的厚度可为0.1～1mm。螺旋状纱线以及360度的弹性聚合物包覆支撑使得本实用新型的电加热纤维可以在拉伸、弯曲、扭曲等变形条件下仍然保持稳定的电加热性能。

本实用新型中，电加热纤维的弹性和发热性能可以通过各种参数容易地调节(例如如上所述可以通过调节螺旋状纱线的结构和/或弹性聚合物的种类来调节弹性，通过调节导电材料层的厚度来调节电加热性能)，因此可以方便地满足不同的弹性和/或发热性能需求(例如可以应用于人体不同部位)。

以下，示例性地说明本实用新型的高弹性电加热纤维的制备方法。

首先，对螺旋状纱线进行导电材料的涂覆。螺旋状纱线可以通过纺织机器缠绕方法形成。也可通过市售购得。对螺旋状纱线进行导电材料的涂覆方法可采用浸渍涂布、滴涂等液相涂布方法。即，将导电材料的分散液涂布于螺旋状纱线上。在分散液中，金属纳米线分散液和/或金属纳米颗粒分散液的浓度可为0.1～20mg/mL，优选为1～20mg/mL，导电聚合物分散液的浓度可为0.1～20mg/mL。分散液的溶剂可为乙醇、甲苯、水等。可以通过涂布次数来控制导电材料的负载量从而调控高弹性电加热纤维的单位长度电阻值。另外，应理解，导电材料层的制备方法不限于上述液相涂布法，也可以采用真空镀膜法等。另外还应理解，导电材料均匀负载/分散在螺旋状纱线上即可，不一定要形成完整的层状结构。在进行导电材料的涂覆后，可以对其进行后处理来进一步增强导电层对螺旋状纱线的结合强度以及导电性，如涂覆金属纳米线后进行氢气等离子体处理，涂覆金属纳米颗粒后进行退火处理等。然而，应理解，后处理并非必要的，也可不经该后处理直接置于液态弹性聚合物进行渗透包覆。

接着，对涂覆有导电材料层的螺旋状纱线进行液态弹性聚合物的渗透包覆以及原位固化。在一个示例中，将涂覆有导电材料层的螺旋状纱线浸泡于液态弹性聚合物中一段时间(例如1～3分钟)，以使液态弹性聚合物渗透于螺旋状纱线内部且包覆于螺旋状纱线外表面。然后，使渗透包覆的液态弹性聚合物原位固化。液态弹性聚合物的聚合条件可为：在温度40～150℃下，聚合0.5～10h。弹性导电纤维的导电性可以通过万用表测量单位长度电阻来进行表征。

本实用新型还提供上述高弹性电加热纤维的应用，即提供一种电加热织物。电加热织物含有上述高弹性电加热纤维，既可以是直接由电加热纤维按照各种编织方式编织而得到，也可以是将电加热纤维编织入衣物以及其他可穿戴物件中得到的电加热衣物或其他可穿戴电加热物件，如护膝、护肘、手套、婴儿外套等。即，本实用新型提供的可穿戴电加热物件可以是将由高弹性电加热纤维编织而成的电加热织物与可穿戴物件进行组装集成而得，例如将高弹性纤维形成的电加热织物通过贴合的方式固定于护膝、衣服等内侧，也可以是将高弹性电加热纤维编织入可穿戴物件中而得，例如手套中在指套中编入一个或多根高弹性导电纤维。

本实用新型还提供一种智能可穿戴电加热织物系统。图5为本实用新型中一个示例的智能可穿戴电加热系统的结构框图。如图5所示，该可穿戴电加热织物系统1包括：可穿戴电加热物件11；与可穿戴电加热物件11相连以调节其温度的控制单元12；和与控制单元12通信以对其发出温度调节指令的终端设备13。

其中，可穿戴电加热物件11中含有本实用新型的高弹性电加热纤维，例如可以是如上所述将由本实用新型的高弹性电加热纤维编织而成的电加热织物与可穿戴物件进行组装集成而得，也可以是将本实用新型的高弹性电加热纤维编织入可穿戴物件中而得。可穿戴电加热物件11可为可穿戴电加热衣物或其他可穿戴物件例如护膝、护肘等。可穿戴电加热物件11可以穿戴于人体、动物体等。

图6示出了控制单元12的结构。如图6所示，控制单元12中可包括电源121，与设置于可穿戴电加热物件11上的两个端子通过导线连接以对可穿戴电加热物件11供电。可穿戴电加热物件11在所需的位置含有本实用新型的高弹性电加热纤维，其在通电后可利用焦耳效应有效发热，从而对与其接触的部位提供保暖或热疗等。

控制单元12还具有用于检测可穿戴电加热物件11的温度的温度传感器122、调节单元123和与终端设备13通信的通信装置124。温度传感器122检测到的可穿戴电加热物件11的温度信号经由通信装置124发送至终端设备13。作为通信装置124，优选为无线装置，包括但不限于蓝牙装置、红外装置等。如图7所示，终端设备13(例如手机、平板电脑等)上具有温度设定部131。用户通过操作温度设定部131(例如可打开或关闭加热以及设定具体的加热温度)，以此向控制单元12发出温度调节指令。终端设备13上还可具有温度信息显示部132。温度信息显示部132显示来自控制单元12的温度信息。用户可以根据温度信息显示部132显示的温度信息或自身感知到的温度对温度设定部132进行操作。控制单元12借由通信装置124接收该温度调节指令，调节单元123根据该接收到的温度调节指令将可穿戴电加热物件11的温度调节至用户设定的温度。具体而言，调节单元123与电源121连接，可以控制电源的开关以及电源的供电量，从而控制可穿戴电加热物件11的发热。由此，在终端设备13上一方面可以监测穿戴位置的温度变化，另一方面可以对电加热织物进行温度调控。终端设备13上还可以具有电源电量剩余信息显示部133，以显示由控制单元12发送的电源的电量信息；另外，还可以具有通信连接标识134，以确认是否与控制单元12处于通信状态。上述控制单元12可以采用微控制芯片。上述温度设定部131、温度信息显示部132电源电量剩余信息显示部133等可以集成于终端设备13的温度监测和控制软件上，并在软件界面上显示。

本实用新型的智能可穿戴电加热织物系统可以对可穿戴电加热物件进行智能加热控制，而且在拉伸、弯曲、扭曲等变形条件下仍然保持稳定的电加热性能。

下面进一步例举实施例以详细说明本实用新型。同样应理解，以下实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将S型螺旋状聚酯纤维(如图1所示，螺旋直径为700um，纤维直径为20um)在纳米银胶体(直径:20-80nm,浓度：0.1mg/mL，溶剂：水)分散液中浸渍涂布5次，然后进行退火处理(100℃，0.5h)，之后在液态PDMS中进行渗透以及包覆，最后进行固化(80℃，3h)，得到高弹性电加热纤维。根据万用表测得其单位长度电阻为2Ω/cm。

实施例2

将S型螺旋状聚酯纤维(如图1所示)在纳米银片(片径：～0.5um,BET:0.80-1.45m²/g)水溶剂分散液中浸渍涂布5次，然后进行退火处理(120℃，1h)，之后在液态PDMS中进行渗透以及包覆，最后进行固化(100℃，2h)，得到高弹性电加热纤维。其单位长度电阻为3Ω/cm。

实施例3

将S型螺旋状聚酯纤维(如图1所示)在银纳米线乙醇分散液(5mg/mL)中浸渍涂布5次，然后进行氢气等离子体处理(100Pa，100W,10min)，之后在液态硅橡胶Ecoflex 00-30中进行渗透以及包覆，最后进行固化(100℃，0.5h)，得到高弹性电加热纤维。其单位长度电阻为2.5Ω/cm。

实施例4

将Z型螺旋状尼龙纤维(螺旋直径为500um，纤维直径为30um)在导电聚合物PEDOT:PSS中浸渍涂布2次，然后进行退火处理(800℃，0.5h)，之后在液态硅橡胶Ecoflex 00-50中进行渗透以及包覆，最后进行固化(100℃，0.5h)，得到高弹性电加热纤维。其单位长度电阻为10Ω/cm。

实施例5

将S型螺旋状聚酯纤维(螺旋直径为400um，纤维直径为10um)在铜纳米线乙醇分散液(10mg/mL)中浸渍涂布10次，然后进行氢气等离子体处理((100Pa，120W,20min))，之后在液态Ecoflex 00-30中进行渗透以及包覆，最后进行固化(100℃，2h)，得到高弹性电加热纤维。其单位长度电阻为1.5Ω/cm。

实施例6

将实施例5中的高弹性电加热纤维按照5×5十字交叉的方式进行编织，得到电加热织物(如图4所示)。

实施例7

将实施例6中的电加热织物利用医用胶带贴合固定于护膝内侧，然后与包含有电源、温度传感器、微控制单元、蓝牙装置的微控制芯片接通，通过包含有温度监测和控制软件的智能手机终端进行无线智能控制，得到智能可穿戴的电加热护膝。

实施例8

将实施例6中的电加热织物利用医用胶带贴合固定于婴儿外套的内侧，然后与包含有电源、温度传感器、微控制单元、蓝牙装置的微控制芯片接通，通过包含有温度监测和控制软件的智能手机终端进行无线智能控制，得到智能可穿戴的电加热外套。