一种弹性加热器及其制备方法与流程

1.本发明涉及加热器技术领域，尤其涉及一种弹性加热器及其制备方法。


背景技术：

2.弹性加热器是在弹性基底上制备可拉伸的导电电路，实现加热的功能，根据焦耳定律，导电材料在外界电流作用下产生热量，可以用于严寒环境下作业、个人热管理、可穿戴热理疗等领域。热理疗可以有效缓解关节疼痛等疾病，但是关节等部位弯曲时产生形变较大，因此加热器能够在发生大形变时保持工作具有重要意义。
3.传统的热理疗贴片不具备弹性，对于一些关节疼痛患者而言，关节弯曲时贴片发热不均匀甚至会失效。如何在使用加热器理疗的同时保证患者正常的关节弯曲运动，并维持加热器的稳定加热性能是目前焏待解决的技术问题。弹性加热器相较于传统的加热器具有良好的弹性，可以随着关节等部位的运动而产生形变，通常采用碳纳米管、银纳米线、石墨烯等作为导电材料，但是在拉伸时这些导电材料之间易接触断裂，使得加热性能不稳定。
4.公开号为cn106039567a的中国专利文献中公开了一种金属纳米线透明导电薄膜、应用金属纳米线透明导电薄膜的理疗仪，所述金属纳米线透明导电薄膜为银纳米线/有机弹性体复合透明导电薄膜，通过涂布、固化方法得到，有机弹性体选自聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)或硅胶。但该发明并未验证金属纳米线透明导电薄膜在发生大形变时的加热性能。
5.公开号为cn206152102u的中国专利文献中公开了一种具有远红外的理疗加热器，包括第一柔性布层和第二柔性布层，所述第一柔性布层和第二柔性布层之间夹设有由远红外碳素纤维制成的发热体，所述发热体的一端从第一柔性布层和第二柔性布层之间的一侧部穿出，且另一端从第一柔性布层和第二柔性布层之间的另一侧部穿出。该专利选用远红外碳素纤维作为发热体，方便换洗，适用于服饰、眼罩、电热毯等织物上。但该理疗加热器不具备弹性，不能随着关节等部位的运动产生形变。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种弹性加热器，该弹性加热器结构简单、制备方法简单、透明度好、加热性能好、在发生较大形变时还可保持稳定的加热性能。
7.具体采用的技术方案如下：
8.一种弹性加热器，其特征在于，包括弹性基底、电极、导电材料；所述弹性基底采用不导电的可拉伸薄膜，电极对称覆盖在弹性基底上的两端，未被电极覆盖的弹性基底上附着有导电材料。
9.依据焦耳热定律，输入电流时，弹性加热器产生热量，实现加热功能。
10.所述弹性基底具有优异弹性，且透光性好、低模量、易变形，包括聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚碳酸酯(pc)中的至少一种。
11.优选的，所述弹性基底为聚二甲基硅氧烷薄膜。
12.所述电极由电极材料制成，电极材料为固态导电金属、无机碳系导电材料、导电聚合物或液态金属。
13.优选的，所述导电材料为固态金属纳米线、导电聚合物、无机碳系导电材料或液态金属。
14.所述无机碳系导电材料包括但不限于石墨烯、碳纳米管；所述液态金属为汞、镓、镓铟合金或镓铟锡合金。
15.优选的，所述液态金属为过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓、镓铟合金或镓铟锡合金。
16.进一步优选的，电极材料为镓铟合金液态金属。
17.优选的，所述导电材料以网状条纹式附着于未被电极覆盖的弹性基底上，所述导电材料的网状条纹的条纹间距为2～1000μm。弹性加热器中，导电材料的网状条纹结构电阻变化小，能够保证加热器的稳定工作。
18.优选的，所述弹性加热器的弹性基底、导电材料和电极上带有封装层，所述封装层的材料与弹性基底的材质相同。
19.本发明还提供了所述弹性加热器的制备方法，包括以下步骤：
20.(1)在弹性基底上表面的两端对称地均匀涂覆或沉积电极材料形成电极；
21.(2)将弹性基底预拉伸处理，将导电材料均匀涂覆或沉积至拉伸状态下的弹性基底未被电极覆盖的上表面；
22.(3)释放预拉伸，封装形成封装层。
23.优选的，所述导电材料为液态金属，在0.1～1.2mpa气压作用下挤出呈微纳米线状，再以网状条纹式涂覆至拉伸状态下的弹性基底未被电极覆盖的上表面。
24.优选的，步骤(2)中，弹性基底预拉伸应变为20％～100％。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
26.(1)本发明的弹性加热器中，导电材料以网状条纹结构排布使得该加热器工作时的电阻变化小，保证了加热稳定性。
27.(2)本发明的弹性加热器制备方法简单高效，结构简单，透明度高，导电性好，加热性能好，且在发生20％形变时仍保持稳定的加热性能，在可穿戴热理疗领域具有较大的应用前景。
附图说明
28.图1为实施例1中的弹性加热器的结构示意图。其中，附图标记为：弹性基底1、导电材料2、电极3、封装层4。
29.图2为实施例1中的弹性加热器温度随输入电流变化的关系曲线图。
30.图3为实施例1中的弹性加热器的稳定性图。
具体实施方式
31.下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
32.实施例1
33.本实施例中，弹性加热器的结构如图1所示，由弹性基底1、导电材料2、电极3、封装层4组成，两电极3对称覆盖在弹性基底上的两端；导电材料2以网状条纹式附着于未被电极覆盖的弹性基底上，网状条纹的条纹间距在200μm左右，弹性基底1、导电材料2和电极3上带有封装层4。
34.其中，弹性基底1为聚二甲基硅氧烷薄膜，可拉伸，不导电；导电材料2为镓铟合金液态金属；电极3由镓铟合金液态金属制成，封装层4为聚二甲基硅氧烷薄膜。
35.由于聚二甲基硅氧烷薄膜和镓铟合金液态金属的透明性好，该弹性加热器具有整体透明性。
36.该弹性加热器的制备方法包括以下步骤：
37.(1)在聚二甲基硅氧烷薄膜上表面的两端对称地均匀涂覆镓铟合金液态金属形成电极；
38.(2)再将聚二甲基硅氧烷薄膜预拉伸处理，预拉伸应变为30％，将镓铟合金液态金属在1.0mpa气压下挤出呈微纳米线状，以网状条纹式均匀涂覆至拉伸状态下的聚二甲基硅氧烷薄膜未被电极覆盖的上表面；
39.(3)释放预拉伸，使用聚二甲基硅氧烷封装形成封装层。
40.对该弹性加热器进行如下测试：
41.在弹性加热器不发生形变的条件下，改变外界输入电流，测试该弹性加热器的温度，结果如图2所示，对该弹性加热器输入2.0a电流，温度可加热至90～140℃，且该弹性加热器响应时间短，小于300s，工作电流小，安全性好，在可穿戴热理疗领域具有较大的应用前景。
42.在0.1a电流下，测试该弹性加热器在拉伸状态下的加热稳定性，结果如图3所示，在20％形变下，该弹性加热器的温度维持在60℃附近，具有良好的加热稳定性，说明在发生形变时该弹性加热器能够正常工作不受影响。
43.实施例2
44.本实施例中，弹性加热器由弹性基底、导电材料、电极、封装层组成，两电极对称覆盖在弹性基底上的两端；导电材料以网状条纹式附着于未被电极覆盖的弹性基底上，网状条纹的条纹间距在20μm左右，弹性基底、导电材料和电极上带有封装层。
45.其中，弹性基底为聚二甲基硅氧烷薄膜，可拉伸，不导电；导电材料为镓铟锡合金液态金属；电极由镓铟合金液态金属制成，封装层为聚二甲基硅氧烷薄膜。
46.由于聚二甲基硅氧烷薄膜、镓铟锡合金液态金属和镓铟合金液态金属的透明性好，该弹性加热器具有整体透明性。
47.该弹性加热器的制备方法包括以下步骤：
48.(1)在聚二甲基硅氧烷薄膜上表面的两端对称地均匀涂覆镓铟合金液态金属形成电极；
49.(2)再将聚二甲基硅氧烷薄膜预拉伸处理，预拉伸应变为50％，将镓铟锡合金液态金属在0.3mpa气压下挤出呈微纳米线状，以网状条纹式均匀涂覆至拉伸状态下的聚二甲基硅氧烷薄膜未被电极覆盖的上表面；
50.(3)释放预拉伸，使用聚二甲基硅氧烷封装形成封装层。
51.实施例3
52.本实施例中，弹性加热器由弹性基底、导电材料、电极、封装层组成，两电极对称覆盖在弹性基底上的两端；导电材料以网状条纹式附着于未被电极覆盖的弹性基底上，网状条纹的条纹间距在800μm左右，弹性基底、导电材料和电极上带有封装层。
53.其中，弹性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，可拉伸，不导电；导电材料为聚吡咯；电极由石墨烯制成，封装层为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
54.该弹性加热器的制备方法包括以下步骤：
55.(1)在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上表面的两端对称地均匀涂覆石墨烯形成电极；
56.(2)再将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜预拉伸处理，预拉伸应变为30％，将聚吡咯以网状条纹式均匀涂覆至拉伸状态下的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜未被电极覆盖的上表面；
57.(3)释放预拉伸，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯封装形成封装层。
58.实施例4
59.本实施例中，弹性加热器由弹性基底、导电材料、电极、封装层组成，两电极对称覆盖在弹性基底上的两端；导电材料以网状条纹式附着于未被电极覆盖的弹性基底上，网状条纹的条纹间距在800μm左右，弹性基底、导电材料和电极上带有封装层。
60.其中，弹性基底为聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜，可拉伸，不导电；导电材料为碳纳米管；电极由银纳米线制成，封装层为聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜。
61.该弹性加热器的制备方法包括以下步骤：
62.(1)在聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜上表面的两端对称地均匀涂覆银纳米线形成电极；
63.(2)再将聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜预拉伸处理，预拉伸应变为30％，将碳纳米管以网状条纹式均匀涂覆至拉伸状态下的聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜未被电极覆盖的上表面；
64.(3)释放预拉伸，使用聚萘二甲酸乙二醇酯封装形成封装层。
65.以上所述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，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、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。