武大《Small》：冷凍3D打印制備具有取向結(jié)構(gòu)的可穿戴應(yīng)變傳感材料

來源：材料科學(xué)與工程

導(dǎo)讀：本文采提出利用冷凍打印技術(shù)制備類似棕櫚葉取向微孔結(jié)構(gòu)技術(shù)，成功制備具有高靈敏度、高穩(wěn)定性和寬檢測范圍的可穿戴應(yīng)變傳感材料，在智能工業(yè)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域可具有巨大的應(yīng)用潛力。

柔性可穿戴傳感器因在電子皮膚、健康監(jiān)測、軟機(jī)器人和人機(jī)交互方面的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。目前研究表明通過適當(dāng)?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提供更多的電子信號(hào)傳導(dǎo)路徑變化，賦予導(dǎo)電材料高靈敏的傳感性能。其中，由于具有高孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)可以在很大程度上被壓縮，具有檢測拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的能力，已經(jīng)受到廣泛研究。

近日，武漢大學(xué)薛龍建課題組報(bào)告了一種可大規(guī)模制備具有取向結(jié)構(gòu)的圓絲材料（round wire with long-range orientated micropores, RW-LOW）的冷凍打印技術(shù)。通過摻入碳納米管和聚二甲基硅氧烷構(gòu)建成具有高靈敏度，穩(wěn)定性和寬檢測范圍的可穿戴應(yīng)變傳感材料。相關(guān)論文以題為“Wires with Continuous Sabal Leaf-Patterned Micropores Constructed by Freeze Printing for a Wearable Sensor Responsible to Multiple Deformations”發(fā)表在Small。


論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202201091

在這項(xiàng)工作中，研究人員利用自制設(shè)備（如圖1a），通過編程控制擠出頭位移將預(yù)制備的羥甲基纖維素（CMC）水漿料擠出到冷源上，通過冷凍干燥升華冰晶過程，得到類棕櫚取向微孔結(jié)構(gòu)。利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模1D\2D\3D具有取向微孔結(jié)構(gòu)材料制備。漿料的熱導(dǎo)率隨著CMC濃度的增加而降低，在低濃度下，高導(dǎo)熱性允許更多的冰晶形成和生長。因此，漿料中的CMC不能形成連續(xù)相，而形成棒狀結(jié)構(gòu)。在較高濃度下，冰晶的生長相對較慢，CMC形成連續(xù)層狀結(jié)構(gòu)。

圖1. 具有大規(guī)模定向微孔（RW-LOM）的圓絲的制造。a）制備RW-LOM的自制裝置示意圖。b） 1D、2D 和 3D 圖案 RW-LOM 的照片。c）RW-LOM橫截面的X射線顯微斷層掃描圖像。

圖2. 不同濃度羧甲基纖維素（CMC）水漿制備的RW-LOM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3. RW-LOM內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理：局部溫度梯度的3D方向決定了漿料打印過程中冰晶的生長方向

將碳納米管（CNTs）加入CMC漿料中可以在結(jié)構(gòu)不變情況下實(shí)現(xiàn)RW-LOM的功能化，成功制備具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的CNTs-RW-LOM材料，通過真空輔助滲透引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）可以賦予CNTs-RW-LOM高柔韌性和良好的機(jī)械強(qiáng)度，成功可以檢測壓縮，拉伸，扭曲和彎曲形變的可穿戴傳感材料，表現(xiàn)出高靈敏度、高穩(wěn)定性和寬檢測范圍（圖5）。

圖4. CNTs-RW-LOM的制備和機(jī)械性能

圖5. CNTs-RW-LOM/PDMS傳感器的傳感性能。

總的來說，這項(xiàng)研究通過冷凍打印技術(shù)成功制備出類棕櫚葉取向結(jié)構(gòu)的微孔結(jié)構(gòu)。引入CNTs和PDMS賦予RW-LOM導(dǎo)電性以及出色的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，得到CNTs-RW-LOM/PDMS可穿戴應(yīng)變傳感材料。這項(xiàng)工作不僅建立了一種制造具有連續(xù)和平行孔隙的多孔圓絲的新技術(shù)，而且還提供了一種可用于語音識(shí)別，健康監(jiān)測，體能訓(xùn)練和智能設(shè)備領(lǐng)域的傳感材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。