近年来,柔性传感器在可穿戴设备、交互式显示设备、可伸缩能量采集装置、电子/离子皮肤及软机器人等诸多领域受到青睐。可拉伸导体作为柔性传感器的核心组件,它们的材料开发和性能研究受到研究人员的关注。总的来说,要实现可拉伸导体的基本性能的提升,往往在材料选择和导体微结构工程化设计两个方面进行努力。
导电离子弹性体(CIEs)作为新型可拉伸导体之一,已经成为凝胶基离子导体的可靠替代品。为提升CIEs被用作柔性传感器重要部件时的使用性能(如灵敏度、响应时间),需要在CIEs的微结构设计和成型方法方面做出努力。以往多数研究仍然使用模板模塑成型CIEs,难以满足对CIEs形状的灵活定制需求。幸而,基于材料累加进行制造的成型原理的增材制造技术(又称3D打印),可以按需定制灵活结构的弹性体,受到越来越多的关注。在各种3D打印技术中,数字光处理(DLP)具有加工速度快,可高精度制备结构复杂的产品等优点而具有实际应用价值。尽管使用DLP
3D打印CIEs取得了一定进展,但常受限于光敏性前驱体的选择,打印出的CIEs很难具备优异的综合性能。通过构建动态网络,赋予可光引发聚合的CIEs更多综合性能,如自愈合性能、降解回收能力和极端温度下的工作性能,可以更好地满足复杂环境下传感信号的稳定性以及绿色制造的需求。为此,开发可DLP
3D打印的且具备卓越整体性能的CIEs势在必行。
近日,广西大学龙雨教授团队研发出了具有高自愈合效率、耐温性、可降解性以及可3D性的CIEs。利用紫外光固化合成的CIEs展现出良好的离子电导率(0.23
S m-1),并且在弹性体网络中丰富的氢键相互作用下,使该CIEs具备优异的拉伸能力(565 %),极佳的自愈效率(在室温下99
%)、降解能力,以及在宽温度范围内(−23 至 55
℃)保持导电和自愈合能力。随后,该团队利用新型面投影微立体光刻技术(摩方精密nanoArch®
S140,精度:10μm),打印了模拟人体皮肤表皮层与真皮层之间微结构的CIEs,并将打印出的样件组装成高灵敏度的离子皮肤,实时监控微小形变。这些特点表明,良好的综合性能和可行的制造方法使得所研发的CIEs在柔性电子领域具有广阔前景。
相关研究成果以“3D Printing of self-healing and degradable conductive
ionoelastomers for customized flexible sensors”为题发表在国际著名期刊《Chemical
Engineering
Journal》上(SCI一区,Top期刊,IF=15.1)。广西大学研究生罗欣为第一作者,广西大学龙雨教授为通讯作者。该工作得到了广西壮族自治区重点研发计划、国家重点研发计划和广西壮族自治区自然科学基金的大力支持。
首先通过合理地选择离子单体、交联剂和光引发剂,合成了具有光敏性和优异流动性的前驱体溶液,通过对其紫外光照进一步共聚合成PACG(Poly-AAm
/ChCl/Glycerol)CIEs。将前驱体溶液用于光固化3D打印,在3D打印过程中,由数字微镜设备(DMD)修饰的图案化405nm
紫外光源,透过前驱体溶液,照射在液槽中的打印平台上,光引发剂2959吸收紫外光后产生自由基,在交联剂PEGDA的辅助下,诱导前驱体溶液中的离子单体发生聚合反应,形成固体离子弹性体聚合物网络结构图案。随着打印平台向下移动,逐层固化实现整个3D
实物的打印。(如图1)
综合考虑了不同原料配比的CIEs的力学性能和导电性能后,除非另有说明,后续的讨论和说明以PACG-1 CIE展开。(如图2)
CIEs作为可拉伸导体,是柔性传感器的重要组件。CIEs的自愈能力对于传感器在受损后恢复其传感效能,以及延长其使用寿命而言,扮演着至关重要的角色。离子弹性体聚合物网络中动态键的重构是实现CIEs自愈合性能的关键。在聚合后的PACG-1
CIE内部网络结构中包含许多动态可逆氢键,这赋予了离子弹性体自愈合能力。自愈合性能可以延长材料的使用寿命,但当材料达到使用寿命时,实现材料在温和的条件下回收,不但可以避免浪费原材料,而且可以减轻对环境的负面影响。经过测试可知,该离子弹性体具备可降解能力。可降解性和可自愈合性能相互配合,可以有效延长PACG
CIEs的使用寿命并赋予其环境友好特性。(如图3)
3D打印离子弹性体,实现了低成本材料的高利用率,可用于生产各种定制化高精度柔性器件。随着柔性电子设备的发展,大体积器件正向模块化微电路和小型化压力传感器方向发展。这项研究通过模拟人体皮肤真皮层和表皮层之间的互锁微结构,设计了一种仿生互锁压阻式离子皮肤传感器,并利用摩方精密nanoArch®
S140 (精度:10μm)
3D打印设备成功制造。由于电阻式压力传感器的灵敏度是由接触面积的变化决定的,被打印出的微圆顶结构中间存在间隙,因而更容易被压缩。当受压时,与平面结构相比微结构会导致接触面积随着施加压力而增加更多,进而增强应变传感器的灵敏度。定量评估其受压时的灵敏度可知,该离子皮肤传感器的灵敏度在0–21.5
kPa压力范围内为1.7 kPa-1,在21.5–144 kPa压力范围内为0.4 kPa-1。(如图4)
结论:研究团队开发了可DLP
3D打印的且具备卓越整体性能的CIEs,它们表现出固有的离子导电能力、高透明度和优良的力学性能。由于弹性体网络中动态氢键,该离子弹性体可以实现高效自主愈合(室温愈合效率>99%),并且具备良好的温度耐候性。此外,弹性体还具备常温下在水中降解的能力,可实现绿色后处理。通过使用3D打印技术制备出具有微结构的离子弹性体,将其组装成离子皮肤,实现对微小压力实时监测。使用
3D 打印技术构建自愈合可降解弹性体,为开发具有综合性能传感器提供了新的见解。
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149330
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