一种智能可穿戴电阻加热织物及其制备方法与流程

本发明属于智能电子器件技术领域，具体涉及一种智能可穿戴电阻加热织物及其制备方法。

背景技术：

碳纳米管自1991年被发现以来，就引起了学术界和工业界持续广泛的关注。独特的纳米结构赋予了碳纳米管优异的导电、导热性能和良好的力学强度，使其被广泛应用于各类新型电子器件的研究与应用，包括太阳能电池，超级电容器，锂电池，传感器和驱动器。

电阻加热器作为一种温度调节器件被广泛应用于除霜、除雾、显示、传感和微孔道芯片等领域[1-6]，其工作机理是在电极两端通直流电，通过焦耳加热过程产生热量。如今可穿戴器件的发展对电阻加热器提出了更高的要求，通过电阻加热器与身体的紧密结合可以实现随时随地加热保暖和热疗的功能[7-9]。然而目前平面结构的电阻加热器限制了其在可穿戴领域的发展[10-16]。首先，人的身体是柔软的且呈曲面，而平面状加热器件笨重僵硬，无法与身体有效贴合。其次，平面状加热器件只能作为一个整体工作，无法实现可控的局部加热功能。最后，平面状加热器件不透气，大大影响了其使用的舒适度和热疗的效果。

通过制备织物状的电阻加热器，可以克服上述平面状电阻加热器的问题，获得与皮肤贴合度高，具备局部可控加热功能和透气性能的柔性器件。此外，还可以在电阻加热织物中引入智能变色性能，实时显示器件的工作状态。制备可穿戴电阻加热织物的难点在于设计柔性、轻质、可编织的一维结构电阻加热器件单元。如果能够解决这个问题，就能通过编织的方法由一维结构的电阻加热单元获得智能可穿戴电阻加热织物，对电阻加热器在可穿戴领域的发展具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种智能可穿戴电阻加热织物及其制备方法。

本发明提供的电阻加热织物，以碳纳米管薄膜作为电极。碳纳米管薄膜同时具备良好的导电、导热性，优异的力学强度和稳定性，是制备柔性电阻加热器电极的理想材料。通过柔性基底预拉伸的方法获得具有褶皱结构的碳纳米管薄膜，从而赋予器件优异的可拉伸性能。经由编织得到电阻加热织物，并通过基底材料中的热致变色染料实现电阻加热织物的智能温度响应性能，随着温度的上升显示不同的颜色。

本发明提供的智能可穿戴电阻加热织物的制备方法，具体步骤为：

（1）制备电极，从可纺碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜覆盖到金属薄膜上，重若干次；

（2）制备弹性热致变色基底，在弹性体前驱物中添加热致变色染料，充分混合，然后经过在玻璃基片上旋涂和固化的过程，得到弹性热致变色基底；

（3）将金属薄膜上的碳纳米管薄膜按压到经预拉伸的弹性热致变色基底上，反复按压后揭开金属薄膜，确保碳纳米管薄膜完全转移到基底上；然后使预拉伸的弹性热致变色基底恢复原状，得到条带状的电阻加热器；

（4）将条带状的电阻加热器进行编织得到智能可穿戴电阻加热织物。

本发明中，可纺碳纳米管阵列的制备方法为：首先通过电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积一层纳米厚度的薄膜，得到的催化剂结构为Si/Al₂O₃/Fe，Al₂O₃层的厚度为1-30纳米（优选1-10纳米），Fe层的厚度为0.5-1.5纳米（优选1-1.5纳米），其中Al₂O₃充当缓冲层，Fe充当催化剂。然后通过化学气相沉积的方法，以氢气和氩气作为载气，乙烯作为碳源，在硅片催化剂上生长可纺碳纳米管阵列。其中乙烯的流量控制在90-300标准状态立方厘米每分钟（优选90-150标准状态立方厘米每分钟），氢气的流量控制在20-50标准状态立方厘米每分钟（优选30-40标准状态立方厘米每分钟），氩气的流量控制在400-600标准状态立方厘米每分钟（优选400-500标准状态立方厘米每分钟），在管式炉中700-750摄氏度下生长5-20分钟（优选740-750摄氏度下生长5-10分钟）。

本发明中，金属薄膜为铜箔、铝箔或者其他金属材料。

本发明中，碳纳米管薄膜的厚度范围为100-4000纳米（优选500-3000纳米）。

本发明中，弹性体前驱物与热致变色染料的混合液中热致变色染料的质量浓度为1-50%（优选1-20%），在70-120摄氏度下固化30-90分钟（优选在90-100摄氏度下固化40-60分钟）。

本发明中，弹性热致变色基底的预拉伸量为1%-200%（优选10%-100%）。

本发明中，所使用的弹性体前驱物可以选用硅橡胶前驱物、聚氨酯前驱物等。

本发明中，所使用的热致变色染料可以选用商用热致变色粉末、热致变色油漆等。

本发明中，电阻加热器的工作机理是在碳纳米管电极的两端施加直流电压，通过焦耳加热过程产生热量（图2），其温度随着电压的增大而升高（图3）。

本发明中，预拉伸的制备过程赋予了电阻加热器中碳纳米管电极褶皱的结构（图4），使其可以承受一定的拉伸量，最大的拉伸量由弹性热致变色基底的预拉伸量决定。

本发明中，由条带状电阻加热器编织得到的智能可穿戴电阻加热织物，可以在小于10伏的电压下工作，可以在拉伸、扭曲等形变状态下工作，可以实现局部可控加热，可以随着温度的升高改变自身的颜色从而起到智能温度显示的作用，并且这种颜色的改变是可逆的（图5、图6）。

本发明中，智能可穿戴电阻加热器可以应用在显示器、人体保暖、生物医用等领域。例如通过智能可穿戴电阻加热器加热人体关节处的皮肤，可以加速皮下毛细血管中的血液流动，从而起到缓解疼痛，辅助治疗关节炎的作用。

附图说明

图1为智能可穿戴电阻加热器的制备过程的示意图。其中，a为条带状电阻加热器的制备过程；b为由条带状电阻加热器编织得到的智能可穿戴电阻加热织物的工作过程。

图2为电阻加热器的工作机理示意图。

图3为条带状电阻加热器的加热性能表征，即温度-时间曲线图。

图4为厚度为1.8微米的碳纳米管薄膜的扫描电子显微镜图。其中，a为低倍图；b为高倍图。

图5为智能可穿戴电阻加热织物的性能表征。其中a-d为未拉伸状态下的电阻加热织物在不同电压下的数码照片；e为40%的拉伸量下的电阻加热织物的数码照片；f-j为与a-e对应的红外热像仪图片。

图6为智能可穿戴电阻加热织物的加热性能表征，即温度-时间曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明。

实施例1

（1）制备可纺碳纳米管阵列

利用电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积一层纳米厚度的薄膜，得到的催化剂结构为Si/Al₂O₃（3纳米）/Fe（1.2纳米）。在管式炉中通过化学气相沉积的方法制备可纺多臂碳纳米管阵列，其中通入氢气（30标准状态立方厘米每分钟）、乙烯（90标准状态立方厘米每分钟）以及氩气（400标准状态立方厘米每分钟），在740摄氏度下反应10分钟。

（2）制备取向碳纳米管薄膜

从可纺碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜覆盖到铜箔上，重复100次。

（3）制备弹性热致变色基底

在硅橡胶前驱物中添加热致变色染料（质量浓度5%），充分混合，然后通过旋涂和热固化（90摄氏度保持1小时）得到弹性热致变色基底。

（4）制备条带状电阻加热器

将铜箔上的碳纳米管薄膜按压到预拉伸量为100%的弹性热致变色基底上，反复按压后揭开铜箔，使预拉伸的柔性基底恢复原状，得到条带状的电阻加热器。

（5）制备智能可穿戴电阻加热织物

将条带状的电阻加热器进行编织得到智能可穿戴电阻加热织物。

实施例2

（1）制备可纺碳纳米管阵列

利用电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积一层纳米厚度的薄膜，得到的催化剂结构为Si/Al₂O₃（3纳米）/Fe（1.2纳米）。在管式炉中通过化学气相沉积的方法制备可纺多臂碳纳米管阵列，其中通入氢气（30标准状态立方厘米每分钟）、乙烯（90标准状态立方厘米每分钟）以及氩气（400标准状态立方厘米每分钟），在740摄氏度下反应10分钟。

（2）制备取向碳纳米管薄膜

从可纺碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜覆盖到铜箔上，重复50次。

（3）制备弹性热致变色基底

在聚氨酯前驱物中添加热致变色染料（质量浓度5%），充分混合，然后通过旋涂和热固化（100摄氏度保持40分钟）得到弹性热致变色基底。

（4）制备条带状电阻加热器

将铜箔上的碳纳米管薄膜按压到预拉伸量为50%的弹性热致变色基底上，反复按压后揭开铜箔，使预拉伸的柔性基底恢复原状，得到条带状的电阻加热器。

（5）制备智能可穿戴电阻加热织物

将条带状的电阻加热器进行编织得到智能可穿戴电阻加热织物。

实施例3

（1）制备可纺碳纳米管阵列

利用电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积一层纳米厚度的薄膜，得到的催化剂结构为Si/Al₂O₃（3纳米）/Fe（1.2纳米）。在管式炉中通过化学气相沉积的方法制备可纺多臂碳纳米管阵列，其中通入氢气（30标准状态立方厘米每分钟）、乙烯（90标准状态立方厘米每分钟）以及氩气（400标准状态立方厘米每分钟），在740摄氏度下反应10分钟。

（2）制备取向碳纳米管薄膜

从可纺碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜覆盖到铜箔上，重复30次。

（3）制备弹性热致变色基底

在硅橡胶前驱物中添加热致变色染料（质量浓度3%），充分混合，然后通过旋涂和热固化（95摄氏度保持50分钟）得到弹性热致变色基底。

（4）制备条带状电阻加热器

将铝箔上的碳纳米管薄膜按压到预拉伸量为20%的弹性热致变色基底上，反复按压后揭开铝箔，使预拉伸的柔性基底恢复原状，得到条带状的电阻加热器。

（5）制备智能可穿戴电阻加热织物

将条带状的电阻加热器进行编织得到智能可穿戴电阻加热织物。

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