柔性电子穿戴电驱动加热器在个人热管和医疗健康等方面的市场价值

baiyitian

随着柔性电子的发展，可穿戴电驱动加热器在个人热管和医疗健康等方面展现出巨大的市场价值，尤其是在可穿戴热治疗。可穿戴热治疗是将加热器穿戴于人体受伤的关节、皮肤等组织部位，通过持续低温加热的物理方法减轻受伤组织的疼痛并快速恢复活力。这种治疗方法对于老人、久坐的办公人员、手术后患者等十分有用。由于人体正常活动时关节部位会产生较大应变（＞50%），因此用于可穿戴热疗的电驱动加热器不仅要求具有良好的加热性能，而且要求具有高的拉伸能力和加热稳定性。

目前，可穿戴电驱动加热器通常将具有良好电加热性能的复合弹性导体制备成具有独特的可拉伸图案（如褶皱、编织、分形等），实现加热器在30%-100%应变范围的拉伸。然而，在拉伸过程中这些加热器的加热性能会发生明显变化，十分利于稳定的热治疗。例如，在相同驱动电压下，拉伸前后加热器的加热温度发生20%-80%的变化。这是因为现报道的复合弹性导体的导电填料均为固体，其弹性模量远高于弹性聚合物基体。在拉伸时，固体填料在基体中发生滑移，导致材料电阻显著增大从而影响器件的加热性能。

柔性电子穿戴电驱动加热器

针对这一问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟课题组在先前研究基础上（Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1800137），将具有高动态电学稳定性的液态金属基复合弹性导体制备成可直写式打印的导电油墨，并通过打印技术制备具有特定图案的液态金属基电驱动加热器，从而用于可穿戴热治疗。该加热器展现出高的拉伸性（>100%）和高的电导率（1.81×103 S/cm）。更重要的是加热器被拉伸至100%时，其加热性能依旧稳定，加热温度变化低于8%。加热器优越的加热稳定性源于两个原因：（1）导电油墨打印成特定的可拉伸图案；（2）油墨的导电填料为液态金属，其在室温下呈液态可随弹性基体发生同步形变；（3）油墨内部液态金属呈现出与先前研究相似的三维葫芦串导电网络，其对应变不敏感进一步提高加热稳定性。

最后，该液态金属基电致加热器制备成可用于穿戴热治疗的运动护膝，在实际模拟中展现出优越性能。我们相信，本工作研制的液态金属导电油墨与低成本、高效率的直写式打印技术相结合，在可拉伸电路、可拉伸传感等方面也有着广阔的发展前景。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies（DOI: 10.1002/admt.20180043）上。