一种热敏电阻及自反馈柔性微加热器及其制备方法和应用

本发明涉及可穿戴器件，具体涉及一种热敏电阻及自反馈柔性微加热器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、皮肤是人体最大的器官，也是人体的第一道屏障。当皮肤局部出现破损时，产生的创面炎症和感染会使皮肤暂时失去调温和感知能力，而环境温度的改变会使伤口的愈合受到影响。研究表明在一定湿度下，使伤口的温度略高于正常皮肤温度并保持恒温，会促进细胞生长因子的生化效应。然而温度过高或过低都不利于伤口的愈合，甚至会导致伤口进一步溃烂。因此，为皮肤的局部伤口进行加热是很有必要的，需要一种具有良好的柔性和生物相容性的柔性微加热器对局部皮肤进行加热。

2、目前，关于可图案化定制加工，集成有热敏电阻进行温度保护的多功能柔性加热器还并未有相关报道。专利cn217885169u提供了一种基于石墨烯电热纤维丝的远红外柔性可穿戴加热片的智能加热服装，利用电阻丝作为加热元件，但其缺少灵活的图案化制备特征，不适用微纳器件的制备。专利cn113630915a提供了一种利用激光直写技术在聚酰亚胺薄膜进行刻蚀，获得石墨烯结构作为加热元件，后选择性电化学沉积铜阵列，制备的柔性加热器可应用于智能可穿戴，生物医疗等领域，然而，实际应用中该加热器缺少温控装置，虽然最终会达到稳态，但所需时间较长，限制了其应用。

3、因此，设计一种适用于人体皮肤温度的热敏电阻，以及具有良好生物相容性，可图案化定制加工并能进行自反馈温度保护的柔性微加热器，具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种热敏电阻及自反馈柔性微加热器及其制备方法和应用，热敏电阻适用于人体皮肤温度，通过调节高分子基体的成份，可制备出不同开关温度的热敏电阻；自反馈柔性微加热器包括加热元件和热敏电阻，加热元件具有较高的生物相容性和热膨胀系数，通过热敏电阻控制加热元件，对自反馈柔性微加热器进行温度控制和安全保护。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

3、本发明提供一种热敏电阻，包括高分子基体和均匀分布在所述高分子基体中的碳基导电填料，高分子基体和所述碳基导电填料的质量比为10:1，碳基导电填料包括炭黑、石墨或碳纳米管种的一种或多种；所述热敏电阻的开关温度随高分子基体的成份不同而不相同。

4、优选的，所述高分子基体为丙烯酸酯共聚物，所述丙烯酸酯共聚物由丙烯酸丁酯和丙烯酸十八酯按质量比(0～4):(6～10)经聚合反应制备；所述聚合反应的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺；引发剂为偶氮二异丁腈。

5、优选的，所述高分子基体中还包括氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物，所述高分子基体中丙烯酸酯共聚物与氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的质量比为(9:1)～(7:3)。

6、上述热敏电阻的制备方法，包括以下步骤：

7、s1，称取丙烯酸丁酯和丙烯酸十八酯进行聚合反应，得到丙烯酸酯共聚物；

8、s2，将丙烯酸酯共聚物或丙烯酸酯共聚物与氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的混合物用四氢呋喃溶解，加入碳基导电填料，混合均匀，得到混合溶液；

9、s3，将混合溶液涂覆在电极上，干燥后得到热敏电阻。

10、本发明提供一种自反馈柔性微加热器，包括加热元件和两个权利要求1-3所述的热敏电阻，两个热敏电阻具有不同的开关温度；所述热敏电阻可拆卸的固定在所述加热元件表面并于加热元件电连接，用于控制所述加热元件进行温度保护。

11、优选的，所述加热元件包括弹性聚合物封装层和设置在弹性聚合物封装层内的多孔石墨烯层。

12、上述自反馈柔性微加热器的制备方法，包括以下步骤：

13、s1，将聚酰亚胺薄膜清洗、烘干，贴在基板上；

14、s2，使用激光雕刻机在聚酰亚胺薄膜上雕刻加热图案，得到图案化的多孔石墨烯层；

15、s3，配制弹性聚合物溶液并浇筑在所述多孔石墨烯层，烘干固化，多孔石墨烯层转移至固化后的弹性聚合物表面；剥离固化后的弹性聚合物，得到多孔石墨烯层嵌入式结构；

16、s4，在多孔石墨烯层嵌入式结构两端分别连接铜线并用银浆固定；

17、s5，在s4的多孔石墨烯层嵌入式结构的多层石墨烯表面浇筑弹性聚合物溶液，烘干固化，得到加热单元。

18、优选的，所述弹性聚合物溶液包括聚二甲基硅氧烷和有机硅固化剂，所述聚二甲基硅氧烷和有机硅固化剂的质量比为10:1。

19、优选的，所述烘干固化的温度为65～75℃，时间为1～2h。

20、上述自反馈柔性微加热器在医疗器械或可穿戴柔性电子器件中的应用。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、(1)本发明的热敏电阻适用于人体皮肤温度，通过改变单体比例，实现不同温度范围的响应，且灵敏度高，重复性好，响应速度快；通过改变高分子基体的种类，制备出具有不同韧性和成膜性的热敏电阻，适用性广。

23、(2)本发明的反馈柔性微加热器具有较高的生物相容性和热膨胀系数，通过设计和制备不同的热敏电阻来匹配微加热器的自反馈需求，由热敏电阻控制加热元件，对自反馈柔性微加热器进行温度控制和安全保护，实现高温保护和低温预警功能，可有效应用到生物医疗和智能可穿戴柔性电子等领域。

24、(3)热敏电阻和自反馈柔性微加热器制备方法简单、高效，成本低，可大规模制备，应用前景广阔。

技术特征：

1.一种热敏电阻，其特征在于，包括高分子基体和均匀分布在所述高分子基体中的碳基导电填料，所述高分子基体和所述碳基导电填料的质量比为10:1，碳基导电填料包括炭黑、石墨或碳纳米管种的一种或多种；所述热敏电阻的开关温度随高分子基体的成份不同而不相同。

2.根据权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，所述高分子基体为丙烯酸酯共聚物，所述丙烯酸酯共聚物由丙烯酸丁酯和丙烯酸十八酯按质量比(0～4):(6～10)经聚合反应制备；所述聚合反应的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺；引发剂为偶氮二异丁腈。

3.根据权利要求2所述的热敏电阻，其特征在于，所述高分子基体中还包括氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物，所述高分子基体中丙烯酸酯共聚物与氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的质量比为(9:1)～(7:3)。

4.权利要求2或3所述的热敏电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.一种自反馈柔性微加热器，其特征在于，包括加热元件和两个权利要求1-3所述的热敏电阻，两个热敏电阻具有不同的开关温度；所述热敏电阻可拆卸的固定在所述加热元件表面并与加热元件电连接，用于控制所述加热元件进行温度保护。

6.根据权利要求5所述的自反馈柔性微加热器，其特征在于，所述加热元件包括弹性聚合物封装层和设置在弹性聚合物封装层内的多孔石墨烯层。

7.根据权利要求6所述的自反馈柔性微加热器的制备方法，其特征在于，所述加热元件通过如下方法制备：

8.根据权利要求7所述的自反馈柔性微加热器的制备方法，其特征在于，所述弹性聚合物溶液包括聚二甲基硅氧烷和有机硅固化剂，所述聚二甲基硅氧烷和有机硅固化剂的质量比为10:1。

9.根据权利要求7所述的自反馈柔性微加热器的制备方法，其特征在于，所述烘干固化的温度为65～75℃，时间为1～2h。

10.权利要求5-6任一项所述的自反馈柔性微加热器在医疗器械或可穿戴柔性电子器件中的应用。

技术总结
本发明涉及可穿戴器件技术领域，公开了一种热敏电阻及自反馈柔性微加热器及其制备方法和应用。热敏电阻包括高分子基体和均匀分布在高分子基体中的碳基导电填料，高分子基体和碳基导电填料的质量比为10:1，碳基导电填料包括炭黑、石墨或碳纳米管种的一种或多种；热敏电阻的开关温度随高分子基体的成份不同而不相同。自反馈柔性微加热器包括加热元件和热敏电阻，两个热敏电阻具有不同的开关温度，用于控制所述加热元件进行温度保护。本发明制备出不同开关温度的热敏电阻；自反馈柔性微加热器包括加热元件和热敏电阻，加热元件具有较高的生物相容性和热膨胀系数，通过热敏电阻控制加热元件，对自反馈柔性微加热器进行温度控制和安全保护。

技术研发人员：相恒学,耿雅奇,朱美芳,曹冉,胡泽旭,周哲,俞森龙
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15