一种用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及智能穿戴技术领域，具体涉及一种用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件及其制备方法。


背景技术：

2.在极端天气条件下，人体因为过快地接受或者释放能量，造成身体内部的温度调控失衡，从而造成损害。一方面在酷热难耐地区或者人体剧烈运动后，身体有大量积热需要散发；另一方面在严寒地区，身体能量又流失过快；身体的大部分能量都是以热的形式传递或消散，因此热量管理对于降低能耗和改善能量转换尤为重要，而红外辐射形式的能量耗散在热量耗散中占很大比例。因此，材料的红外辐射特性在实现有效的热管理中起着至关重要的作用。
3.传统相变储能材料一般利用其固液相变行为进行储能与控温，其中相变材料pcm胶囊是比较普遍的形式，采用核壳结构，利用有机材料(例如聚氨酯、聚脲等)将相变材料(例如石蜡、直链脂肪烷烃等)包覆起来，外层壳结构因刚性大而不具备柔性，内层核材料在相变过程中可能会发生泄漏，而无法应用于柔性可穿戴器件热管理中。


技术实现要素：

4.针对上述的技术问题，本发明提供一种用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件及其制备方法，目的在于解决相变材料应用于可穿戴器件的柔性问题及其降低外界温度剧烈变化对人体造成的危害。
5.本发明的一种用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件，包括由上至下层叠设置的隔热层、保温层和导热层；所述隔热层为多孔褶皱结构的聚乙烯层，所述保温层为蜂窝状结构的相变材料层；所述导热层为多孔褶皱结构的聚乙烯层。
6.进一步地，所述隔热层的气孔直径为100
‑
600nm，厚度为50
‑
500μm。
7.进一步地，所述保温层厚度为100
‑
300μm。
8.进一步地，所述导热层气孔直径为300
‑
800nm，厚度为25
‑
500μm。
9.本发明还提供用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)隔热层制备：将聚乙烯和聚环氧乙烷进行熔融纺丝，得聚乙烯纤维，将制得的聚乙烯纤维冷拔后浸泡去除聚环氧乙烷，得丝状孔纤维，纺织，即得隔热层；
11.(2)保温层制备：将γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、环氧树脂预聚物、聚乙二醇400、聚乙二醇800、聚乙二醇1000加入容器中并置于恒温水浴锅中水浴，待容器内的反应物升温，加催化剂，搅拌；将γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、马来酸酐加入容器中，搅拌；加助剂，搅拌，得胶液；将胶液放入模具中，待胶液中的小分子溶剂挥发完全，即得保温层；
12.(3)导热层制备：将石蜡、聚乙烯在熔融的状态下混合，将混合物熔融压制成薄膜，
提取石蜡油，即得导热层；
13.(4)自动控温器件制备：将制得的隔热层、保温层、导热层，按顺序层叠设置，通过辊压机辊压成三明治结构，即得自动控温器件。
14.进一步地，步骤(1)中去除聚环氧乙烷通过溶剂浸泡，所述溶剂为水、乙腈、苯甲醚、氯仿、二氯乙烷、二甲基甲酰胺中的一种。步骤(1)中将聚乙烯和聚环氧乙烷进行熔融纺丝，获得表面光滑的聚乙烯纤维(186.0
±
1.0μm)。将获得的聚乙烯纤维进行冷拔，由于分子链的运动以及纤芯和纤维表面之间的应变差，在聚乙烯纤维的表面上产生皱纹。将冷拔后的聚乙烯浸水，分布在多孔聚乙烯纤维表面上的皱纹(117.5
±
2.5μm)更加明显。并将聚环氧乙烷除去，产生丝状孔。从横截面形态可以清楚地看到许多孔隙分布在整个纤维中。
15.进一步地，步骤(2)中所用原料的组分为：1
‑
10份γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、1
‑
10份γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、1
‑
10份环氧树脂预聚物、30
‑
50份聚乙二醇400、10
‑
15份聚乙二醇800、10
‑
15份聚乙二醇1000、0.1
‑
1份催化剂、0.1
‑
1份助剂、10
‑
15份γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、15
‑
20份马来酸酐。
16.进一步地，步骤(2)中环氧树脂预聚物选用双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂中的一种或两种；优选地，ciba公司的gy
‑
281、陶氏化学的der331、der330、der332的一种或几种；所述催化剂选用柠檬酸三甲酯、柠檬酸三乙酯、柠檬酸三丁酯中的一种或几种；所述助剂选用流平剂和/或消泡剂。所述流平剂为tego 450；所述消泡剂为tegoairex 931。
17.进一步地，步骤(3)中石蜡与聚乙烯的质量比为1:5，提取石蜡油用溶剂浸泡，所述溶剂为二氯甲烷。
18.优选地，用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件的制备方法，包括以下步骤：
19.(1)隔热层制备：聚乙烯和聚环氧乙烷进行熔融纺丝，得聚乙烯纤维，将制得的聚乙烯纤维冷拔，将冷拔后的聚乙烯纤维浸水，并浸泡去除聚环氧乙烷，得丝状孔纤维，对丝状孔纤维进行纺织，即得隔热层；
20.(2)保温层制备：将水浴锅的温度恒温至60℃；将γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、环氧树脂预聚物、聚乙二醇400、聚乙二醇800、聚乙二醇1000加入5l三口烧瓶中，将烧瓶置于恒温水浴锅内；待三口烧瓶内的反应物升温至60℃，加催化剂，搅拌0.5h；将γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、马来酸酐加入三口烧瓶中，反应24h；加入助剂，搅拌2h，得胶液；将胶液放入到模具中，胶液中的小分子溶剂挥发完全，即得保温层；
21.(3)导热层制备：将石蜡、聚乙烯在熔融的状态下混合，将混合物熔融压制成薄膜，并用二氯甲烷浸泡提取石蜡油，即得导热层；
22.(4)自动控温器件制备：将制得的隔热层、保温层、导热层按顺序层叠设置，通过辊压机辊压成三明治结构，即得自动控温器件。
23.本发明用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件，有以下的有益效果：
24.1)本发明的外层隔热层聚乙烯的多孔褶皱结构，可以最大限度的将外界的红外光线反射出去；内层的导热层聚乙烯的多孔褶皱结构，使得人体汗液蒸发的热量，可以顺畅的排出体外；中层的保温层相变材料，在人体散热的过程中，吸收部分热辐射，转换成内能。当人体排出的热量达到一个阈值时，或外界环境变化时，相变材料释放热能，维护人体保持在一个较为舒爽的环境。不需外界其他能量，即可实现控温。
25.2)本发明用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件采用三明治结构，隔热层和导热层为多孔聚乙烯材料，保温层位于隔热层和导热层中间，为多孔相变材料。本发明的三明治结构能有效的提高相变材料应用于可穿戴器件的柔性。
附图说明
26.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
27.图1为本发明的用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件结构示意图；
28.图2为本发明的用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件的保温层的结构示意图。
29.图中：1
‑
隔热层；2
‑
保温层；3
‑
导热层。
具体实施方式
30.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
31.参照图1为本发明的用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件结构示意图，该用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件包括由上至下层叠设置的隔热层1、保温层2和导热层3，隔热层1为多孔褶皱结构的聚乙烯层；保温层2为蜂窝状结构的相变材料层；导热层3为多孔褶皱结构的聚乙烯层；隔热层1、保温层2和导热层3通过辊压成三明治结构。
32.具体的，隔热层1材料选用聚乙烯，聚乙烯本身对红外(或太阳光)吸收量很低，大部分被反射回去；隔热层1聚乙烯是具有多孔褶皱结构的纺织层，这种特殊的结构使纤维和纺织品可以增加红外(或太阳光)的反射量；优选地，气孔的直径为300nm，厚度为50
‑
500μm。
33.参照图2为本发明的用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件的保温层的结构示意图，保温层2为蜂窝状结构，目的是为了保证其透气、透汗的作用。具体的，保温层2相变材料相变过程时，均为固态；吸收外界能量时，相变材料微观层面上的长链高分子的内部空间形态发生改变；当长链高分子从上述状态恢复成常态的伸展状态时，即是释放能量的过程，释放热量的过程。
34.导热层3的材料选用聚乙烯，优选地，气孔的孔径300
‑
800nm，可以使得人体汗液蒸发的热量顺畅的排出体外。
35.实施例1
36.一种用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件的制备方法，包括以下步骤：
37.(1)隔热层制备：聚乙烯和聚环氧乙烷进行熔融纺丝，得聚乙烯纤维，将制得的聚乙烯纤维冷拔，将冷拔后的聚乙烯纤维浸水，并用乙腈浸泡去除聚环氧乙烷，得丝状孔纤维，对丝状孔纤维进行纺织，得隔热层；
38.(2)保温层制备：将水浴锅的温度恒温至60℃；将2份γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、5份γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、4份gy
‑
281、30份聚乙二醇400、10份
聚乙二醇800、11份聚乙二醇1000加入5l三口烧瓶中，将烧瓶置于恒温水浴锅内；待三口烧瓶内的反应物升温至60℃，0.1份柠檬酸三甲酯，搅拌0.5h；将10份γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、16份马来酸酐加入三口烧瓶中，反应24h；加入0.1份tego 450流平剂和0.1份tegoairex 931消泡剂，搅拌2h，得胶液；将胶液放入到模具中，待胶液中的小分子溶剂挥发，即得保温层；
39.(3)导热层制备：将石蜡、聚乙烯在熔融的状态下混合，其中石蜡、聚乙烯的质量比为1:5，将混合物熔融压制成薄膜，并用二氯甲烷浸泡提取石蜡油，即得导热层；
40.(4)自动控温器件制备：将制得的隔热层、保温层、导热层按顺序层叠设置，通过辊压机辊压成三明治结构，即得自动控温器件。
41.实施例2
42.一种用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件的制备方法，包括以下步骤：
43.(1)隔热层制备：聚乙烯和聚环氧乙烷进行熔融纺丝，得聚乙烯纤维，将制得的聚乙烯纤维冷拔，将冷拔后的聚乙烯纤维浸水，并用氯仿浸泡去除聚环氧乙烷，得丝状孔纤维，对丝状孔纤维进行纺织，即得隔热层；
44.(2)保温层制备：将水浴锅的温度恒温至60℃；将6份γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、7份γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、7份der331、40份聚乙二醇400、13份聚乙二醇800、14份聚乙二醇1000加入5l三口烧瓶中，将烧瓶置于恒温水浴锅内；待三口烧瓶内的反应物升温至60℃，0.5份柠檬酸三乙酯，搅拌0.5h；将13份γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、17份马来酸酐加入三口烧瓶中，反应24h；加入0.5份tegoairex 931消泡剂，搅拌2h，得胶液；将胶液放入到模具中，待胶液中的小分子溶剂挥发，即得保温层；
45.(3)导热层制备：将石蜡、聚乙烯在熔融的状态下混合，其中石蜡、聚乙烯的质量比为1:5，将混合物熔融压制成薄膜，并用二氯甲烷提取石蜡油，即得导热层；
46.(4)自动控温器件制备：将制得的隔热层、保温层、导热层按顺序层叠设置，通过辊压机辊压成三明治结构，即得自动控温器件。
47.用实施例1
‑
2器件覆盖在皮肤上模拟加热器，将该装置放置于外界阳光下暴晒20min，测试模拟加热器、实施例1
‑
2装置覆盖皮肤及裸露皮肤温度，测试结果如表1：
48.表1模拟加热器、实施例1
‑
2装置覆盖皮肤及裸露皮肤温度
49.样品名称模拟加热器的温度覆盖温度裸露温度实施例134.5℃33.15℃40℃实施例234.5℃33.23℃42℃
50.用实施例1
‑
2器件覆盖在皮肤上模拟加热器，将该装置放置于0℃的低温环境下20min，测试模拟加热器、实施例1
‑
2装置覆盖皮肤及裸露皮肤温度，测试结果如表2：
51.表2模拟加热器、实施例1
‑
2装置覆盖皮肤及裸露皮肤温度
52.样品名称模拟加热器的温度覆盖温度裸露温度实施例134.5℃32.56℃26℃实施例234.5℃32.12℃25℃
53.通过测试模拟加热器、实施例1
‑
2装置覆盖皮肤及裸露皮肤的温度，本发明的用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件可以实现控温，使人体维持在一个较为舒适的环境。当人体排出的热量达到一个阈值时，或外界环境变化时，相变材料释放热能，维护人体保持在
一个较为舒爽的环境。不需外界其他能量，即可实现控温。
54.综上所述，一种用于智能穿戴的柔性相变自动控温器件，包括由上至下层叠设置的隔热层1、保温层2和导热层3，隔热层1为多孔褶皱结构的聚乙烯层；保温层2为蜂窝状结构的相变材料层；导热层3为多孔褶皱结构的聚乙烯层；隔热层1、保温层2和导热层3通过辊压成三明治结构。本发明的外层隔热层聚乙烯的多孔褶皱结构，可以最大限度的将外界的红外光线反射出去；内层的导热层聚乙烯的多孔褶皱结构下，使得人体汗液蒸发的热量，可以顺畅的排出体外；中层的保温层相变材料，在人体散热的过程中，吸收部分热辐射，转换成内能。
55.以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。