光固化3D打印高彈性離子凝膠，可用于制備低遲滯柔性傳感器

來源：MEMS

柔性傳感器由于其優(yōu)異的拉伸性能、導(dǎo)電性和貼合性，廣泛應(yīng)用于健康診斷、運(yùn)動監(jiān)測和人機(jī)交互等領(lǐng)域。但是，由于軟材料固有的粘彈性，使得柔性傳感器在動態(tài)加載過程中無法快速恢復(fù)到初始的形狀，導(dǎo)致柔性傳感器的信號產(chǎn)生較大滯后性，嚴(yán)重影響柔性傳感器監(jiān)測的準(zhǔn)確性，阻礙其實(shí)際的應(yīng)用。如何快速且高精度地制備具有低遲滯的柔性傳感器仍然面臨挑戰(zhàn)。

△光固化3D打印高彈性的離子凝膠用于制備低遲滯柔性傳感器

在福建省“揭榜掛帥”重大專項(xiàng)和閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室自主部署關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所吳立新研究員團(tuán)隊(duì)基于富含氫鍵的丙烯酸酯單體和離子液體，制備了一種固化速率快的光敏樹脂，適用于DLP打印多孔離子凝膠柔性傳感器（PIFS），并在PISS中引入易變形的IWP晶格結(jié)構(gòu)，以此來提高柔性傳感器的回彈性。

△傳感器的壓縮性能和靈敏度測試。(a) IWP單元結(jié)構(gòu)的三維模型，基于IWP的晶格試樣設(shè)計(jì)和相應(yīng)的DLP打印樣品。(b) 由轎車擠壓的格子結(jié)構(gòu)傳感器的物理圖像。

△3D打印各種定制結(jié)構(gòu)的柔性傳感器，用于實(shí)時檢測人體運(yùn)動。（a） 具有IWP結(jié)構(gòu)晶格的3D打印多孔傳感器。（b） 3D打印多孔手指套（c）具有多孔結(jié)構(gòu)的3D打印柔性薄膜。（d） 該傳感器采用IWP結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣，用于人體腕部脈搏檢測。（e） 阻力響應(yīng)代表不同的手指彎曲角度。（f） 使用3D打印多孔膜實(shí)時檢測手腕彎曲運(yùn)動。（g） 3D打印多孔鞋墊作為步態(tài)識別的壓力傳感器。不同步態(tài)的阻力反應(yīng)：（h）步行和（i）跑步。比例尺是5毫米。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晶格結(jié)構(gòu)的PIFS經(jīng)過500次應(yīng)變?yōu)?0%的循環(huán)壓縮后，其殘余應(yīng)變幾乎為0，遲滯回線也幾乎重疊，顯示出PIFS具有優(yōu)異的回彈性能和抗疲勞性能。高彈性和耐久性使得PIFS具有低的遲滯性（2.4%），在長期循環(huán)加載期間能提供可靠的傳感信號。晶格結(jié)構(gòu)的引入，也使得PIFS具有更高的壓力靈敏度（0.45 kPa-1）。

該工作還利用3D打印技術(shù)具有結(jié)構(gòu)可自由設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)并打印具有定制化結(jié)構(gòu)的PIFS用來監(jiān)測脈搏、手指、步態(tài)和手腕的運(yùn)動。此外，PIFS具有低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（-45.8℃），能夠在低溫的環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時，PIFS還具有抗菌的性能和對溫度的變化具有較快的響應(yīng)性，能夠監(jiān)測溫度的變化，是一種多功能的柔性傳感器。這種簡單的制備策略適用于打印高性能的定制PIFS，具有很高的產(chǎn)量。


相關(guān)工作發(fā)表在國際期刊Chemical Engineering Journal, 2022, 439, 135593，博士生彭樞強(qiáng)為該論文的第一作者，翁子驤高級工程師和吳立新研究員為通訊作者。

近年來，該團(tuán)隊(duì)在光固化3D打印樹脂研究方面取得了一系列重要進(jìn)展。包括光固化3D打印制備柔性傳感器（Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2008729；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 6479-6488）；光固化3D打印智能結(jié)構(gòu)（Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131580）；生物基高耐熱3D打印樹脂（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8, 9415-9424）；光固化可重構(gòu)4D打印形狀記憶聚合物（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 40642-40651）；納米粒子改性光固化3D打印樹脂（Chemical Engineering Journal, 2020, 394, 124873；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 4917-4926；Composites Part A, 2019, 117, 276-286）；以及與許瑩課題組聯(lián)合研發(fā)的高強(qiáng)耐高溫氰酸酯3D打印樹脂（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 38682-38689）和雙固化3D打印樹脂體系（Journal of Materials Science, 2019, 54, 5865-5876）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135593