香港城市大学:可3D打印的固态导电离子弹性体,用于构建柔性触觉传感器!

3D打印科研前沿
2021
11/23
08:58
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来源:高分子科学前沿

在如今的智能时代,人们对于柔性电子设备的需求不断增加,通过3D打印塑造出具有目标架构和功能的柔性导电材料,在智能设备、生物医学设备、软体机器人等领域变得至关重要。水凝胶/离子凝胶是一种具有里程碑意义的柔性导电材料,但将其用于3D打印仍然存在一个瓶颈:由于水凝胶/离子凝胶内液体的蒸发和泄漏导致其机电性能的稳定性有限。虽然已报道的光固化无液体离子导电弹性体可以规避这些限制,但相关的光固化过程很麻烦,打印质量相对较差。

香港城市大学王钻开教授团队开发了一种可快速光固化的固态导电离子弹性体 (SCIE),可实现任意结构的高分辨率3D打印。与传统离子导电材料相比,打印出的模块具有高分辨率结构(≈50 μm)、高杨氏模量(≈6.2 MPa)、良好的可拉伸性(292%)、宽温度范围内的导电性(-30~80°C),以及优异的弹性和抗疲劳能力(10000次加载-卸载循环)。该打印模块还可应用于3D柔性触觉传感器中,例如基于陀螺仪的压阻式传感器和基于间隙的电容式传感器,其灵敏度分别比同类产品高3.7倍和44倍。该研究以题为“3D Printed, Solid-State Conductive Ionoelastomer as a Generic Building Block for Tactile Applications”的论文发表在《Advanced Materials》上。

【SCIE的设计与性能】

作者将由丙烯酸和氯化胆碱制成的离子单体作为一种固态离子骨架,无需液体和额外的导电添加剂即可赋予SCIE优异的导电性。以苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦作为高效光引发剂来引发SCIE的快速聚合,以聚(乙二醇)二丙烯酸酯作为交联剂以共价连接离子单体来形成弹性固态聚合物骨架,并以苏丹I作为光吸收剂来介导其聚合,从而缓解聚合引起的局部高温,有利于实现高分辨率3D打印。所得SCIE具备高聚合效率和光固化速率,可在2秒内实现快速溶胶-凝胶转化,还可以通过控制纳米粘土剂量来增强和调节其机械性能。总之,与传统的3D打印水凝胶/弹性体相比,SCIE在导电性、固化速率、杨氏模量和流动性方面具有显著优势,有望作为一种新的3D打印固态柔性导电材料。


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图1 3D打印SCIE的设计

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图2 3D打印模块的表征

【3D打印压阻式传感器】

基于SCIE出色的可印刷性、导电性和机械性能,可以构建高性能3D柔性触觉传感设备。于是作者通过3D打印与压阻式设计开发了一种基于SCIE的柔性压力传感器。通过改变打印模块的拓扑结构,可以进一步增强其机械性能。在引入八面体晶格和陀螺晶格结构后,打印模块的最大压缩量分别提高到≈60%和≈80%,表现出出色的弹性和抗疲劳能力。随着外部压力从0增加到100 kPa,陀螺晶格和八面体晶格压力传感器的电阻变化分别约为90.9%和68.7%,分别比传统立方体的电阻变化高2.7倍和2.0倍。由于具有优异的弹性和恢复能力,基于陀螺晶格的触觉传感器即使在高频压力刺激下也表现出很强的适应性并保持稳定的传感性能。


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图3 3D打印压阻式传感器的拓扑设计和触觉性能

【3D打印电容传感器】

作者开发了在柔性基板上直接制造SCIE的一步打印法来实现柔性离子导电微电路的制造。无论微电路多么复杂、多么庞大,整个制作过程只需8秒。该基于SCIE的印刷微电路不仅具有200μm的高分辨率,而且可以承受180%的最大应变,其性能优于许多传统的金属微电路。凭借间隙架构设计,基于SCIE印刷的可拉伸微电路可以无缝集成用于高灵敏度触觉传感器。基于间隙的架构设计可以提高触觉传感器的灵敏度并减少触觉传感器的响应时间。该触觉传感器在低于1 kPa压力下的灵敏度高达9.15 kPa-1,是传统无间隙触觉传感器的44倍。该工作在制造效率、拉伸性、打印分辨率和材料成本等许多方面具有明显的优势,在制造柔性电子设备领域展现出巨大潜力。


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图4 3D打印用于高灵敏度电容传感器的可拉伸微电路

总结:作者展示了一种可快速光固化的SCIE,实现了具有定制架构的软离子导体的高分辨率3D打印。此研究克服了富含液体的离子导电材料的传统局限性。此外,SCIE有望用于设计3D智能柔性电子设备,例如基于陀螺仪的压阻传感器和基于间隙的电容传感器,且灵敏度远高于其他同类产品。该工作不仅为3D可打印功能材料的设计提供了新的灵感,而且为3D智能、柔性电子设备的发展创造了新的机遇。

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






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