中科院福建物構(gòu)所：DLP光固化打印具有高導電、機械強度和自愈合的離子彈性體

來源：高分子科技

離子導體(ICs)在柔性電子器件的發(fā)展中顯示出巨大的潛力，廣泛應用于可穿戴設備、傳感器、微納米發(fā)電機、柔性顯示器、軟機器人等領域。水凝膠和電離凝膠由于具有良好的導電性、生物相容性和可拉伸性等優(yōu)點，被認為是制備ICs最有前途的材料。然而，由于脫水等問題，水凝膠基柔性電子材料很難在多變的環(huán)境中提供穩(wěn)定的力學性能和導電性。相比之下，離子凝膠由離子液體(ILs)或深共晶溶劑(DESs)組成，被限制在聚合物網(wǎng)絡中，具有良好的非揮發(fā)性和可以忽略的蒸氣壓。盡管電離凝膠的非揮發(fā)性使其具有較寬的工作溫度，但離子液體和DESs容易發(fā)生泄漏，存在嚴重的安全隱患。因此，作為含液相凝膠彈性體的一種安全可靠的替代品，固態(tài)導電離子凝膠(SCIg)被開發(fā)出來，以克服這些潛在的問題。

圖1 全固態(tài)離子導電離子凝膠的合成與表征

近期，中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團隊通過紫外固化法合成了一種綜合性能優(yōu)良的可快速制備的新型固態(tài)導電離子凝膠(SCIg) (圖1a, b，c)。該產(chǎn)品可通過調(diào)整各組分的含量來獲得迄今為止報道的最佳綜合性能之一的可拉伸SCIg，包括優(yōu)良的拉伸性能(λ=26.6拉伸應變，同時承受0.97 MPa應力)，顯著的自愈效率(>95%, 圖2)和極好的電導率(137.8 mS m-1, 圖1d, f))。此外，還構(gòu)建了可拉伸電阻型傳感器、可壓縮電容型傳感器和電子皮膚(圖3)，以展示SCIg在柔性可穿戴設備中的潛在應用，該設備可以將不同的機械刺激轉(zhuǎn)換為電信號。有趣的是，這些傳感器在高溫下儲存或在結(jié)構(gòu)損傷中自我修復后，仍然可以可靠地檢測到電阻信號。SCIg的另一個優(yōu)點是3D打印的高效率。利用該材料的快速光固化特性，一次打印了多個直徑為130 μm的微電路陣列(圖4)。將打印好的微電路轉(zhuǎn)移到透明彈性材料TPU薄膜上，經(jīng)過應變λ=4的拉伸后，微電路保持結(jié)構(gòu)完整。這些良好的性能為該材料在在電子皮膚、生理信號檢測和人機界面等領域具有很大的應用潛力。

圖2 SCIg的自愈性能。

圖3基于離子凝膠陣列設計的具有位置識別功能以及相應壓力分布的電子皮膚

圖4 SCIg的3D打印能力

該工作以“Stretchable and Self-Healing Ionic Conductive Elastomer for Multifunctional 3D Printable Sensor”為題發(fā)表在《Chem. Eng. J.》上。文章第一作者是福州大學機械學院-中科院福建物構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)博士吳啟銳。通訊作者為黃建仁博士和官輪輝研究員。

該工作得到國家自然科學基金的資助。福建電子口岸股份有限公司劉鍵濤博士以及福州大學機械學院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140328