一种具备自降温自修复的电极贴片及其制备方法与应用

1.本发明涉及凝胶电极材料技术领域，尤其涉及一种具备自降温自修复的电极贴片及其制备方法与应用。


背景技术：

2.近年来，用于生理电信号监测的柔性可穿戴电极贴片得到了广泛发展。然而，传统的干电极贴片和凝胶湿态电极贴片在佩戴舒适性和力学性能方面依旧存在问题，特别是在长期佩戴使用过程中，由于不透气且没有降温功能，往往会导致局部热量累积，造成佩戴者的不适，同时在日常使用中，电极往往会受到外力的作用而导致损坏，这些都限制了柔性可穿戴电极的应用。
3.因此，本领域亟需发展一种可以自主降温保证佩戴舒适性，且可自修复避免因外力损坏的电极贴片。


技术实现要素：

4.本发明的目的为提供一种具备自降温自修复的电极贴片及其制备方法与应用，以解决现有的电极贴片佩戴舒适性差，且容易受外力发生损坏的问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供了一种具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)将聚二甲基硅氧烷、水溶性颗粒物和固化剂混合，顺次经固化和溶解，得到多孔聚二甲基硅氧烷骨架；
8.(2)将多孔聚二甲基硅氧烷骨架、水凝胶前驱体溶液和微纳颗粒混合后固化，得到电极贴片。
9.作为优选，所述水溶性颗粒物为蔗糖、氯化钠、氯化钾或碳酸氢钠；所述水溶性颗粒物的粒径为200nm～800μm；所述聚二甲基硅氧烷、水溶性颗粒物和固化剂的质量比为1:2～12:9～11。
10.作为优选，步骤(1)中，所述固化的温度为50～70℃，固化的时间为0.5～2h；所述溶解所用试剂为水，溶解的温度为70～90℃，溶解的时间为4～6h。
11.作为优选，步骤(2)中，所述混合包括如下步骤：将水凝胶前驱体溶液和微纳颗粒混合，得到混合液；然后将多孔聚二甲基硅氧烷骨架浸渍于混合液中。
12.作为优选，所述水凝胶前驱体溶液为水凝胶前驱体的水溶液；所述水凝胶前驱体溶液的质量浓度为2～8％；所述水凝胶前驱体溶液中的水凝胶前驱体为聚乙烯醇或海藻酸钠；所述微纳颗粒为二氧化硅、聚四氟乙烯或硫酸钡；所述微纳颗粒的质量为水凝胶前驱体溶液质量的10～50％。
13.作为优选，步骤(2)中，所述固化在离子交联剂中进行；所述离子交联剂为硼酸钠的水溶液或氯化钙的水溶液；所述离子交联剂的质量浓度为2～8％。
14.作为优选，步骤(2)中，所述固化的时间为0.5～2h。
15.本发明还提供了所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法制备得到的具备自降温自修复的电极贴片。
16.本发明还提供了所述具备自降温自修复的电极贴片在柔性可穿戴电极中的应用。
17.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
18.(1)本发明所得电极贴片具有辐射制冷和蒸发潜热的混合降温体系，可发挥双重制冷机制的作用，能够有效的实现降温，提高佩戴的舒适性，同时该电极贴片兼具自修复功能，显著提高了该电极贴片的耐用性；
19.(2)本发明所得电极贴片制造工艺简单，易于大规模生产，并且尺寸可控；
20.(3)本发明所得电极贴片可通过对多孔聚二甲基硅氧烷骨架的孔洞大小和密度以及微纳颗粒含量的调整，实现电极贴片的可见光反射率、红外发射率的可控调节，进而实现对降温功能的调节。
附图说明
21.为了更清楚地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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1为本发明所得电极贴片的整体结构示意图；
23.图2为实施例1所得电极贴片的自修复性能测试结果；
24.图3为实施例1所得电极贴片的降温性能测试结果。
具体实施方式
25.本发明提供了一种具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，包括如下步骤：
26.(1)将聚二甲基硅氧烷、水溶性颗粒物和固化剂混合，顺次经固化和溶解，得到多孔聚二甲基硅氧烷骨架；
27.(2)将多孔聚二甲基硅氧烷骨架、水凝胶前驱体溶液和微纳颗粒混合后固化，得到电极贴片。
28.在本发明中，所述水溶性颗粒物优选为蔗糖、氯化钠、氯化钾或碳酸氢钠；所述水溶性颗粒物的粒径优选为200nm～800μm，进一步优选为600nm～600μm；所述固化剂优选为道康宁dc-184固化剂；所述聚二甲基硅氧烷、水溶性颗粒物和固化剂的质量比优选为1:2～12:9～11，进一步优选为1:3～11:10～10.5。
29.在本发明步骤(1)中，所述固化的温度优选为50～70℃，进一步优选为60～65℃；固化的时间优选为0.5～2h，进一步优选为1～1.5h；所述溶解所用试剂优选为水；溶解的温度优选为70～90℃，进一步优选为80～85℃；溶解的时间优选为4～6h，进一步优选为4.5～5.5h。
30.在本发明步骤(1)中，所述溶解结束后，对所得产物进行干燥；所述干燥的温度优选为70～90℃，进一步优选为80～85℃；所述干燥的时间优选为30～50min，进一步优选为40～45min。
31.在本发明步骤(1)中，多孔聚二甲基硅氧烷骨架的孔洞大小和密度可由掺入的水
溶性颗粒物的尺寸和质量控制。
32.在本发明步骤(2)中，所述混合优选为包括如下步骤：将水凝胶前驱体溶液和微纳颗粒混合，得到混合液；然后将多孔聚二甲基硅氧烷骨架浸渍于混合液中。
33.在本发明中，所述水凝胶前驱体溶液优选为水凝胶前驱体的水溶液；所述水凝胶前驱体溶液的质量浓度优选为2～8％，进一步优选为3～6％；所述水凝胶前驱体溶液中的水凝胶前驱体优选为聚乙烯醇或海藻酸钠；所述微纳颗粒优选为二氧化硅、聚四氟乙烯或硫酸钡；所述微纳颗粒的质量优选为水凝胶前驱体溶液质量的10～50％，进一步优选为水凝胶前驱体溶液质量的20～40％；所述浸渍的时间优选为30～50min，进一步优选为35～45min。
34.在本发明步骤(2)中，所述固化优选为在离子交联剂中进行；所述离子交联剂优选为硼酸钠的水溶液或氯化钙的水溶液；所述离子交联剂的质量浓度优选为2～8％，进一步优选为5～7％；所述离子交联剂的加入可使电极贴片具有导电性能，使其能够测量生理电信号。
35.在本发明步骤(2)中，所述固化的温度优选为室温；所述固化的时间优选为0.5～2h，进一步优选为1～1.5h。
36.在本发明步骤(2)中，所述固化结束后，对所得产物顺次进行洗涤和干燥；所述洗涤的次数优选为2～4次，进一步优选为3次；所述风干的具体步骤为使用吹风机在室温下吹干洗涤所得产物表面的水分；所述风干的时间优选为30～50min，进一步优选为40～45min；本发明通过风干可以避免凝胶失水。
37.在本发明步骤(2)中，可通过对多孔聚二甲基硅氧烷骨架的孔洞大小和密度以及微纳颗粒的用量的控制，实现电极贴片的可见光反射率、红外发射率的可控调节。
38.在本发明中，微纳颗粒充分分散于水凝胶前驱体中，水凝胶前驱体和微纳颗粒的混合物完全嵌入多孔聚二甲基硅氧烷骨架中，且不改变多孔聚二甲基硅氧烷骨架的尺寸；所述微纳颗粒具有高可见光反射率；所述水凝胶前驱体溶液中水分的蒸发可实现降温效果；所述离子交联剂可使混合液形成动态化学键固化成型并具备自修复功能；多孔聚二甲基硅氧烷骨架连同嵌入其中的混有微纳颗粒和水凝胶前驱体溶液的整体具有高可见光反射率(可减弱对光的热辐射吸收)和高红外发射率(能够有效的发射自身的黑体辐射，导致辐射制冷)，连同水凝胶前驱体溶液中水分的蒸发作用，使电极贴片具有蒸发-辐射混合降温功能。此外，由于使用了离子交联剂固化，在赋予导电性的同时其与水凝胶前驱体中的长链分子形成动态化学键，使整个电极贴片具备了自修复功能。因此，本发明所得电极贴片同时集成了自修复、辐射-蒸发混合降温的功能。当使用该电极贴片测量生理电信号时，能够显著为佩戴者带来降温效果，提高佩戴的舒适性，并且由于具有自修复功能，该电极不惧怕日常使用中的拉扯、切割等外力造成的破损，具有优异的耐用性。
39.本发明还提供了所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法制备得到的具备自降温自修复的电极贴片。
40.本发明还提供了所述具备自降温自修复的电极贴片在柔性可穿戴电极中的应用。
41.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
42.实施例1
43.将1g聚二甲基硅氧烷、10g粒径为800μm的蔗糖和10g道康宁dc-184固化剂混合，将混合所得产物置于烘箱中在60℃下固化1h，将固化所得产物浸没于水中在80℃下溶解4h以去除蔗糖，后置于烘箱中在70℃下干燥30min，得到多孔聚二甲基硅氧烷骨架；
44.将二氧化硅和质量浓度为5％的聚乙烯醇的水溶液混合，其中二氧化硅和聚乙烯醇的水溶液的质量比为0.5:1，得到混合液；将所得多孔聚二甲基硅氧烷骨架浸渍于混合液中50min，然后将多孔聚二甲基硅氧烷骨架取出浸渍于质量浓度为5％的硼酸钠的水溶液中在室温下固化1h，将固化所得产物用水洗涤3次后置于烘箱中在70℃下干燥30min，得到电极贴片。
45.实施例2
46.与实施例1的区别为：蔗糖的用量为5g。其它同实施例1。
47.实施例3
48.与实施例1的区别为：蔗糖的用量为8g。其它同实施例1。
49.实施例4
50.与实施例1的区别为：蔗糖的用量为12g。其它同实施例1。
51.实施例5
52.与实施例1的区别为：蔗糖的粒径为700nm。其它同实施例1。
53.实施例6
54.与实施例1的区别为：蔗糖的粒径为400μm。其它同实施例1。
55.实施例7
56.与实施例1的区别为：二氧化硅和聚乙烯醇的水溶液的质量比为0.1:1。其它同实施例1。
57.实施例8
58.与实施例1的区别为：二氧化硅和聚乙烯醇的水溶液的质量比为0.3:1。其它同实施例1。
59.实施例9
60.将1g聚二甲基硅氧烷、10g粒径为200nm的氯化钾和10g道康宁dc-184固化剂混合，将混合所得产物置于烘箱中在55℃下固化1.5h，将固化所得产物浸没于水中在90℃下溶解5h以去除氯化钾，后置于烘箱中在80℃下干燥30min，得到多孔聚二甲基硅氧烷骨架；
61.将聚四氟乙烯和质量浓度为7％的聚乙烯醇的水溶液混合，其中聚四氟乙烯和聚乙烯醇的水溶液的质量比为0.5:1，得到混合液；将所得多孔聚二甲基硅氧烷骨架浸渍于混合液中40min，然后将多孔聚二甲基硅氧烷骨架取出浸渍于质量浓度为6％的氯化钙的水溶液中在室温下固化1h，将固化所得产物用水洗涤3次后置于烘箱中在80℃下干燥30min，得到电极贴片。
62.实施例10
63.将1g聚二甲基硅氧烷、10g粒径为100nm的氯化钠和10g道康宁dc-184固化剂混合，将混合所得产物置于烘箱中在65℃下固化1.5h，将固化所得产物浸没于水中在75℃下溶解5.5h以去除氯化钠，后置于烘箱中在80℃下干燥30min，得到多孔聚二甲基硅氧烷骨架；
64.将硫酸钡和质量浓度为5％的海藻酸钠的水溶液混合，其中硫酸钡和海藻酸钠的水溶液的质量比为0.5:1，得到混合液；将所得多孔聚二甲基硅氧烷骨架浸渍于混合液中
35min，然后将多孔聚二甲基硅氧烷骨架取出浸渍于质量浓度为8％的氯化钙的水溶液中在室温下固化30min，将固化所得产物用水洗涤3次后置于烘箱中在80℃下干燥30min，得到电极贴片。
65.对实施例1所得电极贴片的自修复性能进行测试，测试方法和结果如下：
66.测试方法：测定实施例1所得电极贴片在拉伸率为0～260％下的拉伸强度，记为自修复前的电极的测试结果。测试结束后，重复上述步骤再次对该电极贴片在拉伸率为0～260％下的拉伸强度进行测试，记为自修复后的电极的测试结果。所得结果如图2所示。
67.由图2可知，本发明所得电极贴片具有优异的自修复性能，经过自修复后的电极贴片的拉伸强度仍然可以满足常规的应用。
68.对实施例1所得电极贴片的降温性能进行测试，测试方法和结果如下：
69.测试方法：将实施例1所得电极贴片置于常温下，在0～2400s内每间隔60s测定一次电极贴片的表面温度，记为
△
t。所得结果如图3所示。
70.由图3可知，本发明所得具有优异的降温性能，能够极大地提升佩戴舒适性。
71.由实施例1～10和图2～3可知，本发明所得电极贴片具有优异的降温性能和力学性能，能够极大地提升佩戴舒适性和耐用性。且可通过控制多孔聚二甲基硅氧烷骨架的孔洞大小和密度以及微纳颗粒的用量，实现电极贴片的可见光反射率、红外发射率的可控调节，进而实现电极贴片的降温性能的有效调整。
72.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将聚二甲基硅氧烷、水溶性颗粒物和固化剂混合，顺次经固化和溶解，得到多孔聚二甲基硅氧烷骨架；(2)将多孔聚二甲基硅氧烷骨架、水凝胶前驱体溶液和微纳颗粒混合后固化，得到电极贴片。2.根据权利要求1所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，其特征在于，所述水溶性颗粒物为蔗糖、氯化钠、氯化钾或碳酸氢钠；所述水溶性颗粒物的粒径为200nm～800μm；所述聚二甲基硅氧烷、水溶性颗粒物和固化剂的质量比为1:2～12:9～11。3.根据权利要求2所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固化的温度为50～70℃，固化的时间为0.5～2h；所述溶解所用试剂为水，溶解的温度为70～90℃，溶解的时间为4～6h。4.根据权利要求1～3任一项所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述混合包括如下步骤：将水凝胶前驱体溶液和微纳颗粒混合，得到混合液；然后将多孔聚二甲基硅氧烷骨架浸渍于混合液中。5.根据权利要求4所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，其特征在于，所述水凝胶前驱体溶液为水凝胶前驱体的水溶液；所述水凝胶前驱体溶液的质量浓度为2～8％；所述水凝胶前驱体溶液中的水凝胶前驱体为聚乙烯醇或海藻酸钠；所述微纳颗粒为二氧化硅、聚四氟乙烯或硫酸钡；所述微纳颗粒的质量为水凝胶前驱体溶液质量的10～50％。6.根据权利要求5所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述固化在离子交联剂中进行；所述离子交联剂为硼酸钠的水溶液或氯化钙的水溶液；所述离子交联剂的质量浓度为2～8％。7.根据权利要求5所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述固化的时间为0.5～2h。8.权利要求1～7任一项所述具备自降温自修复的电极贴片的制备方法制备得到的具备自降温自修复的电极贴片。9.权利要求8所述具备自降温自修复的电极贴片在柔性可穿戴电极中的应用。

技术总结
本发明属于凝胶电极材料技术领域，本发明公开了一种具备自降温自修复的电极贴片及其制备方法与应用。本发明将聚二甲基硅氧烷、水溶性颗粒物和固化剂混合，顺次经固化和溶解，得到多孔聚二甲基硅氧烷骨架；将多孔聚二甲基硅氧烷骨架、水凝胶前驱体溶液和微纳颗粒混合后固化，得到电极贴片。水凝胶前驱体在固化过程可形成动态化学键，使其具备自修复功能，可避免日常使用中的拉扯、切割造成的破损。多孔聚二甲基硅氧烷骨架同嵌入其中的混有微纳颗粒的水凝胶整体具有高可见光反射率和高红外发射率，同时水凝胶前驱体中水分的蒸发作用，使电极贴片具有蒸发-辐射混合降温功能，能够显著提高生理电极佩戴的舒适程度。显著提高生理电极佩戴的舒适程度。显著提高生理电极佩戴的舒适程度。


技术研发人员：万树 叶一舟 李深 万鹏 贺学锋
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/12