香港城市大學(xué)：可3D打印的固態(tài)導(dǎo)電離子彈性體，用于構(gòu)建柔性觸覺(jué)傳感器！

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

在如今的智能時(shí)代，人們對(duì)于柔性電子設(shè)備的需求不斷增加，通過(guò)3D打印塑造出具有目標(biāo)架構(gòu)和功能的柔性導(dǎo)電材料，在智能設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域變得至關(guān)重要。水凝膠/離子凝膠是一種具有里程碑意義的柔性導(dǎo)電材料，但將其用于3D打印仍然存在一個(gè)瓶頸：由于水凝膠/離子凝膠內(nèi)液體的蒸發(fā)和泄漏導(dǎo)致其機(jī)電性能的穩(wěn)定性有限。雖然已報(bào)道的光固化無(wú)液體離子導(dǎo)電彈性體可以規(guī)避這些限制，但相關(guān)的光固化過(guò)程很麻煩，打印質(zhì)量相對(duì)較差。

香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種可快速光固化的固態(tài)導(dǎo)電離子彈性體 (SCIE)，可實(shí)現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)的高分辨率3D打印。與傳統(tǒng)離子導(dǎo)電材料相比，打印出的模塊具有高分辨率結(jié)構(gòu)（≈50 μm）、高楊氏模量（≈6.2 MPa）、良好的可拉伸性（292%）、寬溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)電性（-30~80°C），以及優(yōu)異的彈性和抗疲勞能力（10000次加載-卸載循環(huán)）。該打印模塊還可應(yīng)用于3D柔性觸覺(jué)傳感器中，例如基于陀螺儀的壓阻式傳感器和基于間隙的電容式傳感器，其靈敏度分別比同類產(chǎn)品高3.7倍和44倍。該研究以題為“3D Printed, Solid-State Conductive Ionoelastomer as a Generic Building Block for Tactile Applications”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。

【SCIE的設(shè)計(jì)與性能】

作者將由丙烯酸和氯化膽堿制成的離子單體作為一種固態(tài)離子骨架，無(wú)需液體和額外的導(dǎo)電添加劑即可賦予SCIE優(yōu)異的導(dǎo)電性。以苯基雙（2,4,6-三甲基苯甲�；�）氧化膦作為高效光引發(fā)劑來(lái)引發(fā)SCIE的快速聚合，以聚（乙二醇）二丙烯酸酯作為交聯(lián)劑以共價(jià)連接離子單體來(lái)形成彈性固態(tài)聚合物骨架，并以蘇丹I作為光吸收劑來(lái)介導(dǎo)其聚合，從而緩解聚合引起的局部高溫，有利于實(shí)現(xiàn)高分辨率3D打印。所得SCIE具備高聚合效率和光固化速率，可在2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化，還可以通過(guò)控制納米粘土劑量來(lái)增強(qiáng)和調(diào)節(jié)其機(jī)械性能�？傊�，與傳統(tǒng)的3D打印水凝膠/彈性體相比，SCIE在導(dǎo)電性、固化速率、楊氏模量和流動(dòng)性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，有望作為一種新的3D打印固態(tài)柔性導(dǎo)電材料。



圖1 3D打印SCIE的設(shè)計(jì)


圖2 3D打印模塊的表征

【3D打印壓阻式傳感器】

基于SCIE出色的可印刷性、導(dǎo)電性和機(jī)械性能，可以構(gòu)建高性能3D柔性觸覺(jué)傳感設(shè)備。于是作者通過(guò)3D打印與壓阻式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于SCIE的柔性壓力傳感器。通過(guò)改變打印模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)其機(jī)械性能。在引入八面體晶格和陀螺晶格結(jié)構(gòu)后，打印模塊的最大壓縮量分別提高到≈60%和≈80%，表現(xiàn)出出色的彈性和抗疲勞能力。隨著外部壓力從0增加到100 kPa，陀螺晶格和八面體晶格壓力傳感器的電阻變化分別約為90.9%和68.7%，分別比傳統(tǒng)立方體的電阻變化高2.7倍和2.0倍。由于具有優(yōu)異的彈性和恢復(fù)能力，基于陀螺晶格的觸覺(jué)傳感器即使在高頻壓力刺激下也表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)性并保持穩(wěn)定的傳感性能。



圖3 3D打印壓阻式傳感器的拓?fù)湓O(shè)計(jì)和觸覺(jué)性能

【3D打印電容傳感器】

作者開(kāi)發(fā)了在柔性基板上直接制造SCIE的一步打印法來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性離子導(dǎo)電微電路的制造。無(wú)論微電路多么復(fù)雜、多么龐大，整個(gè)制作過(guò)程只需8秒。該基于SCIE的印刷微電路不僅具有200μm的高分辨率，而且可以承受180%的最大應(yīng)變，其性能優(yōu)于許多傳統(tǒng)的金屬微電路。憑借間隙架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于SCIE印刷的可拉伸微電路可以無(wú)縫集成用于高靈敏度觸覺(jué)傳感器�；�于間隙的架構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高觸覺(jué)傳感器的靈敏度并減少觸覺(jué)傳感器的響應(yīng)時(shí)間。該觸覺(jué)傳感器在低于1 kPa壓力下的靈敏度高達(dá)9.15 kPa-1，是傳統(tǒng)無(wú)間隙觸覺(jué)傳感器的44倍。該工作在制造效率、拉伸性、打印分辨率和材料成本等許多方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在制造柔性電子設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。



圖4 3D打印用于高靈敏度電容傳感器的可拉伸微電路

總結(jié)：作者展示了一種可快速光固化的SCIE，實(shí)現(xiàn)了具有定制架構(gòu)的軟離子導(dǎo)體的高分辨率3D打印。此研究克服了富含液體的離子導(dǎo)電材料的傳統(tǒng)局限性。此外，SCIE有望用于設(shè)計(jì)3D智能柔性電子設(shè)備，例如基于陀螺儀的壓阻傳感器和基于間隙的電容傳感器，且靈敏度遠(yuǎn)高于其他同類產(chǎn)品。該工作不僅為3D可打印功能材料的設(shè)計(jì)提供了新的靈感，而且為3D智能、柔性電子設(shè)備的發(fā)展創(chuàng)造了新的機(jī)遇。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105996