一种用于可穿戴治疗设备的导热且电绝缘纤维及其制备工艺的制作方法

本发明属于材料科学和可穿戴，具体涉及一种用于可穿戴治疗设备的导热且电绝缘纤维及其制备工艺。

背景技术：

1、可穿戴治疗设备涵盖了各式可穿戴的服装或贴片，透过温热或冷却作用实现治疗效果，以满足从缓解疼痛到提升运动性能的广泛需求。这些设备的价值在于它们将传统中医的治疗原理（例如热疗）与现代科技的可穿戴设备相结合，顺应了消费者对非侵入性及自然疗法的倾向，例如专利导热绝缘纤维的开发和商业化，为结合传统疗法与前沿科技的可穿戴健康设备的快速增长提供了条件。

2、在可穿戴诊断设备的领域，同时具备导热性和电绝缘性的纤维扮演着关键角色。这种类型的纤维必须能够有效地进行热管理，这是因为许多诊断设备需要精确的温度控制以确保传感器读数的准确性和设备功能的可靠性。高导热性的纤维可以将热量均匀分布，预防热点的形成，这些热点可能会影响设备的性能并降低用户的舒适度。同时，诊断设备中通常包含了敏感的传感器和电子元件，这些元件的运作必须不受外部电气干扰或短路的风险。因此，电绝缘纤维能够预防意外电流的流动，保障用户安全，特别是在可能接触到湿气或其他导电物质的环境中。此外，绝缘纤维保护设备中的光信号完整无损，是确保诊断数据准确可靠的前提。从用户安全角度来看，持续接触皮肤的可穿戴设备必须避免造成刺激或电气风险，特别是在包含加热元件或温度调控组件的情况下。总之，提供导热性和电绝缘的纤维对于开发先进的可穿戴诊断设备至关重要。它们满足了热管理、信号完整性、和用户安全的关键要求，这些都是可穿戴设备在健康监测和医疗诊断中实际有效使用的基础。

3、用于可穿戴诊断设备的纤维制造的传统技术解决方案一般围绕以下方法: 1）电镀及金属溅射：纤维表面涂有一层薄金属，通常是银，以提供导电性。这是通过电镀来实现的，其中纤维被淹没在电镀溶液中，或者通过溅射，金属在真空室中汽化并沉积在纤维上。2）导热聚合物的掺入：纤维通过聚合过程涂覆或由本质导电聚合物(icp)如聚吡咯或聚苯胺组成。这赋予了导热性能，同时保持了一定的灵活性。3）复合纤维纺丝：导热元素，如碳纳米管或金属颗粒，在纺成纤维之前与聚合物熔体或溶液混合。这种方法结合了聚合物的机械性能和导电添加剂的电学性能。4）缠绕：金属线或导热线被扭曲或缠绕在不导电的纤维芯上，通常使用传统的纺织工艺来制造复合导热纤维。5）导电材料涂层：纤维被涂上导热材料，如石墨烯，采用浸涂、喷涂或卷对卷涂层等方法。6）层压技术：导热薄膜层压在织物基板上，形成可以在可穿戴设备中携带信号或提供加热元件的层。7）三维(3d)打印：在3d打印过程中，导热材料直接融入纤维或织物中，允许在复杂图案中精确放置和集成导热路径。

4、但是，传统技术存在一些由所采用材料和机制所固有的缺点。由于金属固有的导电性，金属涂层会损害纤维的电绝缘；此外，当将这些涂层纳入可穿戴设备时，会影响纤维的柔韧性和舒适性。导热聚合物通常会随着时间的推移不太稳定，这会影响诊断读数的长期可靠性。对于导热填料纤维而言，纤维内导电材料的分布不一致，可能导致热导率变化。另外，传统方案中实现复合材料均匀性具有挑战，并且纺丝技术受到限制。对于缠绕工艺而言，当导热材料与纤维连接时，这些纤维可能有脆弱点，导致失效点，并且也难以保证其舒适性。导热涂层会随着时间的推移而磨损或降解，特别是在经常弯曲的柔性可穿戴设备中，这一过程还会使纤维变硬，影响耐磨性。层压材料会随着时间的推移而分层，特别是在可穿戴应用中典型的弯曲和拉伸，这会影响设备的舒适性和功能完整性。3d打印可能受到打印机分辨率和可用材料的限制，并不总是提供所需的导电性或灵活性；对于大规模生产来说，这一过程也可能是耗时和昂贵的。

5、总之，现有技术手段要么缺乏足够的热管理能力，要么无法提供必要的电绝缘，以实现安全、直接的皮肤接触。这些缺点根植于所用材料的固有特性、对外部条件的依赖，以及将这些材料融入到既舒适又方便的可穿戴形式的实际限制。因此，亟需一种先进的解决方案，可满足市场对可穿戴治疗设备用纤维的需求，无缝集成到日常使用中既高效又舒适的可穿戴纺织品中。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种用于可穿戴治疗设备的导热且电绝缘纤维及其制备工艺，通过紫外线照射结合柠檬酸与过氧化氢的使用，在纳米片表面产生高度活跃的化学位点，作用机制如下：紫外线辐射活化：氮化硼纳米片在紫外光照射下吸收能量，表面产生高活性自由基；柠檬酸与过氧化氢相互作用：纳米片在含柠檬酸与过氧化氢的溶液中反应，引发表面化学反应；官能团形成：此反应生成的羧基与羟基等官能团，显著提升纳米片的反应活性与其他材料的相容性；提升兼容性：新形成的官能团改善纳米片与聚合物基质间的相互作用，便于后续加工。该技术能有效解决上述热管理能力缺乏，电绝缘性难以满足需求等不足之处。

2、技术方案：第一方面，本发明提供一种用于可穿戴治疗设备的导热且电绝缘纤维的制备工艺，包括以下步骤：

3、s1、氮化硼纳米片的表面改性：在强度为5-30 w/cm²紫外线存在的条件下，将氮化硼纳米片在柠檬酸与过氧化氢的混合溶液中进行处理，过程中持续搅拌，并维持ph为3.0-6.0，得到改性后的氮化硼纳米片；

4、s2、优化氮化硼纳米片的分散性：将改性后的氮化硼纳米片分散在植物源非离子表面活性剂的水溶液中，进行超声处理，得到优化后的氮化硼分散液；

5、s3、芳纶纤维的溶解与分散：将芳纶纤维置于水和乙醇的混合溶剂中，加入磷酸钠搅拌至芳纶纤维完全溶解，得到芳纶溶液；

6、s4、形成复合溶液：将氮化硼分散液逐步加入芳纶溶液中，搅拌混匀后静置，得到复合溶液；

7、s5、湿法纺丝：利用精密泵通过喷丝板将复合溶液挤入凝固浴，维持在5 ℃，以10-30 cm/s的牵引速度形成纤维；

8、s6、热处理：首先，将纤维加热至100-150 ℃并维持30-120 分钟；随后，将纤维在150-300℃的加热区域进行拉伸30~60 分钟，拉伸比达到1.5:1~4:1，得到目标纤维。

9、优选的，步骤s1中柠檬酸与过氧化氢的混合溶液中，柠檬酸的质量百分比为5 %-30 %，过氧化氢的质量百分比为3 %-20 %；氮化硼纳米片与混合溶液的质量比为1:5-1:10，搅拌速度为200-500 rpm。

10、优选的，步骤s2中植物源非离子表面活性剂的水溶液中植物源非离子表面活性剂包括椰油酰胺丙基甜菜碱、癸基葡萄糖苷、月桂基葡萄糖苷、鲸蜡硬脂醇和山梨糖醇油酸酯，所述植物源非离子表面活性剂在水溶液中的含量为0.5 %-1.0 %。

11、优选的，步骤s3中混合溶剂中水与乙醇的体积比为1:1-3:1，芳纶纤维与混合溶剂的质量比为5 %-20 %，磷酸钠与芳纶纤维的质量比为0.5:1-1:1.搅拌速度为1000 -5000rpm，搅拌时间为1-5 h。

12、优选的，步骤s5的凝固浴为醋酸的水溶液，其中醋酸的质量百分比为2 %。

13、第二方面，本发明提供一种用于可穿戴治疗设备的导热且电绝缘纤维，采用第一方面所述的制备工艺制备得到，所述用于可穿戴治疗设备的导热且电绝缘纤维为氮化硼芳纶纤维。

14、第三方面，本发明提供一种功能性纺织品，包括第二方面所述的用于可穿戴治疗设备的导热且电绝缘纤维。

15、有益效果：本发明制备工艺增强热管理：本发明纤维具有卓越的导热性，是因为氮化硼纳米片在芳纶基质中有效排列，从而提供了稳定的治疗温度；

16、卓越的电绝缘性：保持氮化硼的电绝缘特性可确保可穿戴治疗设备的安全性，即使在与皮肤接触时也是如此；

17、生物兼容性和环保性：紫外线增强改性工艺无毒，避免了刺激性化学物质，保持了纤维的生物相容性，可安全地与皮肤长期接触；

18、织物定制和功能多样性：点击化学功能的引入为未来智能纺织品的开发铺平了道路，这种纺织品可根据各种治疗需求调整其特性；

19、可扩展性和制造效率：与紫外线改性相结合的湿法纺丝工艺具有可扩展性和节能性，适合大规模生产，不会对环境造成重大影响。