CN110351906A - 一种具有柔性电加热功能的纺织材料、其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有柔性电加热功能的纺织材料及其制备方法。该纺织材料呈层叠结构，自下而上依次包括第一纺织材料层、第一柔性绝缘层、柔性加热层、第二柔性绝缘层，以及第二纺织材料层；柔性加热层材料为液态金属，与电极的一端电连接，电极的另一端与电源连接。在通电情况下液态金属发热，实现纺织材料的电加热功能，并且该纺织材料穿戴舒适，当发生形变时仍然能够保持电加热的稳定性，因此在服装领域以及其他需要加热的环境下具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纺织材料与柔性电子材料技术领域，尤其是涉及一种具有柔性电加热功能的纺织材料其制备方法与应用。
背景技术
适宜温度是人类生存的一个非常重要的因素，温度过低会导致人体冻伤甚至危及人的生命。在我国北方的寒冷冬季，传统的保暖方法是穿厚重的棉衣以阻止身体热量的散失，保证体温在正常的温度范围内。但是，棉衣的体积以及重量都较大，穿着棉衣一方面臃肿感较强，另一方面不便于自如活动。
随着社会的进步，人们对服装的要求逐渐提高，美观时尚、舒适轻便的服装日益受到欢迎。为了增加保暖性，一般采用在纺织材料或者服装内层设置电热丝或者电热管等加热装置，通过供电产生热量。但是，电热丝与电热管体积较大，存在与纺织材料与服装贴合性欠佳，穿着后舒适感欠佳的问题。目前，市场上出现用石墨烯加热等技术，但是石墨烯材料不具有柔性，在拉伸、弯曲等应力作用下不能正常工作，尤其在膝盖、肘部等部位。
因此，实现纺织材料具有加热功能，并且穿着舒适、无异物感，同时具有柔性一直是技术工作者的研究课题之一。
发明内容
针对上述纺织服装领域的技术现状，本发明提供一种新型纺织材料，具有电加热功能，同时在拉伸、弯曲等条件下仍然能够保持电加热功能，并且穿着舒适、无异物感。
本发明提供的技术方案为：一种具有柔性电加热功能的纺织材料，呈层叠结构，自下而上依次包括第一纺织材料层、第一柔性绝缘层、柔性加热层、第二柔性绝缘层，以及第二纺织材料层；所述柔性加热层材料为液态金属；
所述柔性加热层与电极的一端电连接，所述电极的另一端与电源连接。
本发明中，柔性是指无外力或者在外力作用下能够发生弯曲、拉伸等变形的性能；弹性是柔性的一种，指在外力作用下能够发生弯曲、拉伸等变形，并且当外力撤除时具有一定形状恢复能力的性能。
作为优选，所述柔性加热层厚度小于500um，优选小于100um，甚至小于10um。
所述液态金属是指在室温下呈液态的金属导电材料，具有柔性，可发生拉伸、弯曲等形变。所述液态金属包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或多种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。
作为优选，液态金属在第一柔性绝缘层表面呈一定图案结构。所述图案不限，包括直线、正弦线、波浪线、锯齿波、三角波、椭圆形、环形、线圈形、心形等中的一种及两种以上并列、交叉、堆叠等组成的图案。
所述第一纺织材料层是由棉、麻、毛、丝绸、呢绒、纤维等材料中的一种或者几种形成的织物，具有柔性。作为优选，所述第一纺织材料层具有弹性。作为优选，第一纺织材料层厚度为0.25-1.0mm。
所述第二纺织材料层是由棉、麻、毛、丝绸、呢绒、纤维等材料中的一种或者几种形成的织物，具有柔性。作为优选，所述第一纺织材料层具有弹性。作为优选，第二纺织材料层厚度为0.25-1.0mm。
所述第一柔性绝缘层材料不限，包括柔性高分子材料等。作为进一步优选，所述第一柔性绝缘层采用与第一纺织材料层具有良好的粘结能力的柔性材料，例如TPE、TPU、TPV、SBS、SEBS、硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇甲醛、聚乙烯、橡胶、POE、Ecoflex等材料中的一种或多种的组合。作为进一步优选，所述第一柔性绝缘层材料具有弹性。作为优选，所述第一柔性绝缘层的厚度为0.05-0.50mm。
所述第二柔性绝缘层材料不限，包括柔性高分子材料等。作为进一步优选，所述第二柔性绝缘层采用与第二纺织材料层具有良好的粘结能力的柔性材料，例如TPE、TPU、TPV、SBS、SEBS、硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇甲醛、聚乙烯、橡胶、POE、Ecoflex等材料中的一种或多种的组合。作为进一步优选，所述第二柔性绝缘层材料具有弹性。作为优选，所述第一柔性绝缘层的厚度为0.05-0.50mm。
作为优选，所述第一柔性绝缘层材料中掺杂碳、石墨烯等碳基材料，在满足柔性绝缘以外，还可以将加热能量转化为远红外，实现远红外加热功能。
作为优选，所述第二柔性绝缘层材料中掺杂碳、石墨烯等碳基材料，在满足柔性绝缘以外，还可以将加热能量转化为远红外，实现远红外加热功能。
作为优选，所述第一纺织材料层与第一柔性绝缘层之间设置第一导热层，用于提高热传导效果，导热材料包括但不限于液态金属等。
作为优选，所述第二纺织材料层与第二柔性绝缘层之间设置第二导热层，用于提高热传导效果，导热材料包括但不限于液态金属等。
作为优选，所述液态金属中掺杂磁性颗粒，即，所述柔性加热层也能够通过交变磁场实现加热功能，从而在非电加热工作模式下，也可以实现柔性加热层的加热功能。
本发明还提供一种具有柔性电加热功能的纺织材料的制备方法，包括在第一纺织材料层表面的处理过程A，与在第二纺织材料层表面的处理过程B；
过程A：在第一纺织材料层表面制备第一柔性绝缘层；在第一柔性绝缘层表面制备柔性加热层；将所述柔性加热层中的液态金属与电极一端电连接，得到复合层A；
过程B：在第二纺织材料层表面制备第二柔性绝缘层，得到复合层B；
然后，连接复合层A与复合层B，使第二柔性绝缘层位于柔性加热层表面。
所述过程A中，作为优选，采用热压方法在第一纺织材料层表面制备第一柔性绝缘层。
所述过程A中，作为优选，采用镂空模板，将模板放置在第一柔性绝缘层表面，通过浇注、涂覆、印刷或者热压等方法使液态金属填充在模板的镂空中，得到液态金属层，然后去除模板。其中，所述模板用于形成液态金属层，在液态金属层制备过程中起到液态金属边界定位的作用，当液态金属层形成后即可直接去掉所述模具。当液态金属层呈一定图案时，所述模板用于形成图案化的液态金属层，在液态金属层制备过程中起到液态金属图案边界定位的作用，当图案化的液态金属层形成后即可直接去掉所述模具。因此，利用该方法可以获得三维尺寸较小的液态金属层，尤其是可以获得厚度与宽度较小的液态金属层，厚度达到百微米量级，优选小于500um，更优选小于100um，甚至可以小于10um。
所述过程B中，作为优选，作为优选，采用热压方法在第二纺织材料层表面制备第二柔性绝缘层。
所述过程B中，作为优选，采用镂空模板，将模板放置在第二柔性绝缘层表面，通过浇注、涂覆、印刷或者热压等方法使液态金属填充在模板的镂空中，得到液态金属层，然后去除模板。其中，所述模板用于形成液态金属层，在液态金属层制备过程中起到液态金属边界定位的作用，当液态金属层形成后即可直接去掉所述模具。当液态金属层呈一定图案时，所述模板用于形成图案化的液态金属层，在液态金属层制备过程中起到液态金属图案边界定位的作用，当图案化的液态金属层形成后即可直接去掉所述模具。因此，利用该方法可以获得三维尺寸较小的液态金属层，尤其是可以获得厚度与宽度较小的液态金属层，厚度达到百微米量级，优选小于500um，更优选小于100um，甚至可以小于10um。
连接复合层A与复合层的方法不限，作为优选，采用热压粘结在一起。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明将液态金属与纺织材料基体相结合，在通电情况下液态金属发热，从而实现了纺织材料的电加热功能；并且，由于液态金属具有柔性，可发生拉伸、弯曲等形变，不仅使该纺织材料穿戴舒适，与穿戴体贴合性好，能够对穿戴体各部位进行加热，而且当穿戴体形变时仍然能够保持电加热的稳定性。尤其是当所述第一纺织材料层、第二纺织材料层、第一柔性绝缘层、第二柔性绝缘层均具有弹性时，该液态金属具有弹性，其穿戴舒适性更佳并且发生形变时的电加热性能仍然能够保持稳定。
因此，该纺织材料在服装领域，例如功能服装、智能服装等领域，具有良好的应用前景，能够实现穿戴舒适、与身体贴合性好，并且能够对身体各部位，包括易发生拉伸、弯曲的关节部、椎体部等进行加热；同时，该纺织材料还可用于其他需要加热的环境，例如镜面除霜、医用加热康复器件等，由于具有柔性可以满足不同尺寸与形状镜面的需要，以及满足不同形状的待康复部位的需要。
(2)本发明中，液态金属层厚度能够达到百微米量级，优选小于500um，更优选小于100um，甚至小于10um，从而可以进一步提高纺织物基体的可穿戴性与舒适性，并且当纺织物基体在实际应用中受到折叠、揉搓、挤压等外力作用时由于液态金属层超薄而大大降低所遭受的影响，从而有利于提高其加热性能稳定性。
(3)本发明采用逐层制备的方法，在第一纺织材料表面制备第一绝缘层，然后在第一绝缘层表面制备液态金属层；在第二纺织材料表面制备第二绝缘层；然后，将第二绝缘层连接在液态金属层表面，具有简单易控，成品率高的优点。
(4)本发明优选采用模具制备液态金属层，由于模具作用不同与现有技术中的掩膜板，一方面能够得到三维尺寸较小的液态金属层模具，另一方面在模具中填充液态金属后能够方便简单地去除模具材料，从而能够方便地获得三维尺寸较小的液态金属层，尤其是能够方便地获得厚度与宽度较小的液态金属层，其厚度超薄，可达到百微米量级，优选小于500um，更优选小于100um，甚至小于10um。
(5)作为一种最优化的实现方式，本发明采用热压方式制备第一柔性绝缘层与第二柔性绝缘层，能够充分发挥纺织材料的材料特性，得到与纺织材料结合性高，制备简单、成品率高的柔性绝缘层；然后，采用模具制备液态金属层，得到超薄的液态金属；最后，采用热压方法使位于第二纺织材料层的第二柔性绝缘层与液态金属层粘结在一起。由于液态金属超薄，热压过程中能够有效避免出现液态金属溢出、变形等问题，从而能够维持液态金属基本结构不受影响，有效提高了液态金属电加热性能的稳定性。实验证实，与现有技术相比，采用该方法制备具有柔性电加热功能的纺织材料时重复性大大提高，成品率有效提高，成本大幅度降低，电加热性能稳定。
附图说明
以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。
图1是本发明具有柔性电加热功能的纺织材料的结构示意图；
图2是本发明具有柔性电加热功能的纺织材料的制备过程示意图；
图3是本发明实施例1中具有柔性电加热功能的纺织材料在拉伸状态下的加热效果图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1中的附图标记为：第一纺织材料层1、第一柔性绝缘层2、柔性加热层3、第二柔性绝缘层4，第二纺织材料层5，电极6，电源7。
实施例1：
如图1所示，具有弹性电加热功能的纺织材料呈层叠结构，自下而上依次是第一纺织材料层1、第一柔性绝缘层2、柔性加热层3、第二柔性绝缘层4，以及第二纺织材料层5。柔性加热层3与电极6的一端电连接，所述电极6的另一端与电源7连接。
所述柔性加热层材料为液态金属GaInSn。
所述柔性加热层与铜电极的一端电连接，所述铜电极的另一端与电压源连接。
第一纺织材料层1是弹性棉布，厚度为0.25-1.0mm，本实施例中为0.5mm。
第一纺织材料层5是弹性棉布，厚度为0.25-1.0mm，本实施例中为0.5mm。
第一柔性绝缘层2由聚二甲基硅氧烷组成，厚度为0.05-0.50mm，本实施例中为0.10mm。
第二柔性绝缘层4由聚二甲基硅氧烷组成，厚度为0.05-0.50mm，本实施例中为0.10mm。
柔性加热层3为液态金属组成，厚度为0.10mm。
如图2所示，该具有弹性电加热功能的纺织材料的制备方法包括在第一纺织材料层表面的处理过程A，以及在第二纺织材料层表面的处理过程B，具体如下；
过程A：
(1)将第一纺织材料剪裁成所需尺寸和规格；然后，在第一纺织材料表面平铺一层第一柔性绝缘层膜，利用热压机进行热压，热压温度为150℃，热压时间为30s，将第一柔性绝缘层膜贴合到第一纺织材料表面；
(2)将Ga、In和Sn三种金属按照特定比例称重后放置烧杯中，缓慢加热到200℃并进行搅拌，得到均匀稳定的液态金属合金溶体；在聚二甲基硅氧烷膜表面放置镂空模板，将液态金属合金溶体填充在模板中，然后去除模板，得到呈波浪形图案的柔性加热层；
(3)在步骤(2)制得的柔性加热层的两端贴合细铜片电极，为保证机械性能接触良好，涂覆粘性胶体粘接液态金属与铜片。
过程B：
将第二纺织材料剪裁成所需尺寸和规格；然后，在第二纺织材料表面平铺一层聚二甲基硅氧烷膜，利用热压机进行热压，热压温度为150℃，热压时间为30s，将聚二甲基硅氧烷膜贴合到第一纺织材料表面。
然后，连接经过程A处理后得到的复合层A与经过程B处理后得到的复合层B热压粘结，使第二柔性绝缘层用粘结在柔性加热层表面。
选择常用的电压为5V，功率为12W的电压源，打开电压源的控制开关，柔性加热层通电，液态金属发热，经热传导上述制得的纺织材料温度升高。在通电情况下，对该纺织材料进行拉伸，测试拉伸状态下纺织材料温度，测试温度显示拉伸应变达到50％时，纺织材料的发热温度仍然保持稳定，如图3所示。
实施例2：
本实施例中，具有弹性电加热功能的纺织材料的结构与实施例1基本相同，所不同的是柔性加热层材料为掺杂石墨烯的液态金属GaInSn。
本实施例中，具有弹性电加热功能的纺织材料的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是在过程A中，在液态金属合金溶体制备过程中加热石墨烯，得到均匀稳定的掺杂石墨烯的液态金属合金溶体，将该掺杂石墨烯的液态金属合金溶体填充在模板中。
本实施例中，选择常用的电压为5V，功率为12W的电压源，打开电压源的控制开关，柔性加热层通电，液态金属发热，经热传导上述制得的纺织材料温度升高。并且，本实施例中的纺织材料还具有远红外加热功能。
在通电情况下，对该纺织材料进行拉伸，测试拉伸状态下纺织材料温度，测试温度显示在拉伸应变达50％时，该纺织材料的发热温度基本保持稳定。
实施例3：
本实施例中，具有弹性电加热功能的纺织材料的结构与实施例1基本相同，所不同的是第一柔性绝缘层为掺杂石墨烯的聚二甲基硅氧烷，厚度为0.20mm。
本实施例中，具有弹性电加热功能的纺织材料的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是在过程A中，第一柔性绝缘层材料为掺杂石墨烯的聚二甲基硅氧烷，厚度为0.20mm。
本实施例中，选择常用的电压为5V，功率为12W的电压源，打开电压源的控制开关，柔性加热层通电，液态金属发热，经热传导上述制得的纺织材料温度升高。并且，本实施例中第一柔性绝缘层具有远红外加热功能。
在通电情况下，对该纺织材料进行拉伸，测试拉伸状态下纺织材料温度，测试温度显示在拉伸应变达50％时，该纺织材料的发热温度基本保持稳定。
实施例4：
本实施例中，具有弹性电加热功能的纺织材料的结构与实施例1基本相同，所不同的是在第一纺织材料层与第一柔性绝缘层之间设置第一导热材料层，以提高热量传输效果。第一导热材料选择液态金属GaInSn，厚度为厚度控0.2-0.3毫米。
本实施例中，具有弹性电加热功能的纺织材料的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：过程A中的步骤(1)如下：
(1)将第一纺织材料剪裁成所需尺寸和规格；在第一纺织材料表面平铺一层液态金属GaInSn，然后在液态金属表面平铺第一柔性绝缘层膜，利用热压机进行热压，热压温度为150℃，热压时间为30s，将第一柔性绝缘层膜贴合到第一纺织材料表面；
本实施例中，选择常用的电压为5V，功率为12W的电压源，打开电压源的控制开关，柔性加热层通电，液态金属发热，经热传导上述制得的纺织材料温度升高。在通电情况下，对该纺织材料进行拉伸，测试拉伸状态下纺织材料温度，测试温度显示在拉伸应变达50％时，该纺织材料的发热温度基本保持稳定。
实施例5：
本实施例中，具有弹性电加热功能的纺织材料的结构与实施例1基本相同，所不同的是柔性加热层厚度为0.05毫米。
以上所述的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。
Claims (19)
1.一种具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：呈层叠结构，自下而上依次包括第一纺织材料层、第一柔性绝缘层、柔性加热层、第二柔性绝缘层，以及第二纺织材料层；所述柔性加热层材料为液态金属；
所述柔性加热层与电极的一端电连接，所述电极的另一端与电源连接。
2.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述柔性加热层厚度小于500um，优选小于100um，甚至小于10um。
3.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述液态金属在第一柔性绝缘层表面呈一定图案结构。
4.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第一纺织材料层具有弹性；
作为优选，第一纺织材料层厚度为0.25-1.0mm。
5.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第二纺织材料层具有弹性；
作为优选，第二纺织材料层厚度为0.25-1.0mm。
6.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第一柔性绝缘层材料具有弹性；
作为优选，所述第一柔性绝缘层的厚度为0.05-0.50mm。
7.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第二柔性绝缘层材料具有弹性；
作为优选，所述第二柔性绝缘层的厚度为0.05-0.50mm。
8.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第一柔性绝缘层材料中掺杂碳基材料。
9.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第二柔性绝缘层材料中掺杂碳基材料。
10.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第一纺织材料层与第一柔性绝缘层之间设置第一导热层；
作为优选，所述第一导热层材料包括液态金属。
11.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述第二纺织材料层与第二柔性绝缘层之间设置第一导热层；
作为优选，所述第二导热层材料包括液态金属。
12.如权利要求1所述的具有柔性电加热功能的纺织材料，其特征是：所述液态金属中掺杂磁性颗粒。
13.如权利要求1至12中任一权利要求所述的具有柔性电加热功能的纺织材料的制备方法，其特征是：包括在第一纺织材料层表面的处理过程A，与在第二纺织材料层表面的处理过程B；
过程A：在第一纺织材料层表面制备第一柔性绝缘层；在第一柔性绝缘层表面制备柔性加热层；将所述柔性加热层中的液态金属与电极一端电连接，得到复合层A；
过程B：在第二纺织材料层表面制备第二柔性绝缘层，得到复合层B；
然后，连接复合层A与复合层B，使第二柔性绝缘层位于柔性加热层表面。
14.如权利要求13所述的具有柔性电加热功能的纺织材料的制备方法，其特征是：所述过程A中，采用热压方法在第一纺织材料层表面制备第一柔性绝缘层。
15.如权利要求13所述的具有柔性电加热功能的纺织材料的制备方法，其特征是：所述过程A中，采用镂空模板，将模板放置在第一柔性绝缘层表面，使液态金属填充在模板的镂空中，得到液态金属层，然后去除模板。
16.如权利要求13所述的具有柔性电加热功能的纺织材料的制备方法，其特征是：所述过程B中，采用热压方法在第二纺织材料层表面制备第二柔性绝缘层。
17.如权利要求13所述的具有柔性电加热功能的纺织材料的制备方法，其特征是：采用热压粘结方法连接复合层A与复合层。
18.一种智能服装，包括如权利要求1至12中任一权利要求所述的具有柔性电加热功能的纺织材料。
19.一种加热装置，包括如权利要求1至12中任一权利要求所述的具有柔性电加热功能的纺织材料。
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