香港城市大學：可3D打印的固態(tài)導電離子彈性體，用于構建柔性觸覺傳感器！

來源：高分子科學前沿

在如今的智能時代，人們對于柔性電子設備的需求不斷增加，通過3D打印塑造出具有目標架構和功能的柔性導電材料，在智能設備、生物醫(yī)學設備、軟體機器人等領域變得至關重要。水凝膠/離子凝膠是一種具有里程碑意義的柔性導電材料，但將其用于3D打印仍然存在一個瓶頸：由于水凝膠/離子凝膠內液體的蒸發(fā)和泄漏導致其機電性能的穩(wěn)定性有限。雖然已報道的光固化無液體離子導電彈性體可以規(guī)避這些限制，但相關的光固化過程很麻煩，打印質量相對較差。

香港城市大學王鉆開教授團隊開發(fā)了一種可快速光固化的固態(tài)導電離子彈性體 (SCIE)，可實現任意結構的高分辨率3D打印。與傳統(tǒng)離子導電材料相比，打印出的模塊具有高分辨率結構（≈50 μm）、高楊氏模量（≈6.2 MPa）、良好的可拉伸性（292%）、寬溫度范圍內的導電性（-30~80°C），以及優(yōu)異的彈性和抗疲勞能力（10000次加載-卸載循環(huán)）。該打印模塊還可應用于3D柔性觸覺傳感器中，例如基于陀螺儀的壓阻式傳感器和基于間隙的電容式傳感器，其靈敏度分別比同類產品高3.7倍和44倍。該研究以題為“3D Printed, Solid-State Conductive Ionoelastomer as a Generic Building Block for Tactile Applications”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。

【SCIE的設計與性能】

作者將由丙烯酸和氯化膽堿制成的離子單體作為一種固態(tài)離子骨架，無需液體和額外的導電添加劑即可賦予SCIE優(yōu)異的導電性。以苯基雙（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦作為高效光引發(fā)劑來引發(fā)SCIE的快速聚合，以聚（乙二醇）二丙烯酸酯作為交聯劑以共價連接離子單體來形成彈性固態(tài)聚合物骨架，并以蘇丹I作為光吸收劑來介導其聚合，從而緩解聚合引起的局部高溫，有利于實現高分辨率3D打印。所得SCIE具備高聚合效率和光固化速率，可在2秒內實現快速溶膠-凝膠轉化，還可以通過控制納米粘土劑量來增強和調節(jié)其機械性能。總之，與傳統(tǒng)的3D打印水凝膠/彈性體相比，SCIE在導電性、固化速率、楊氏模量和流動性方面具有顯著優(yōu)勢，有望作為一種新的3D打印固態(tài)柔性導電材料。



圖1 3D打印SCIE的設計


圖2 3D打印模塊的表征

【3D打印壓阻式傳感器】

基于SCIE出色的可印刷性、導電性和機械性能，可以構建高性能3D柔性觸覺傳感設備。于是作者通過3D打印與壓阻式設計開發(fā)了一種基于SCIE的柔性壓力傳感器。通過改變打印模塊的拓撲結構，可以進一步增強其機械性能。在引入八面體晶格和陀螺晶格結構后，打印模塊的最大壓縮量分別提高到≈60%和≈80%，表現出出色的彈性和抗疲勞能力。隨著外部壓力從0增加到100 kPa，陀螺晶格和八面體晶格壓力傳感器的電阻變化分別約為90.9%和68.7%，分別比傳統(tǒng)立方體的電阻變化高2.7倍和2.0倍。由于具有優(yōu)異的彈性和恢復能力，基于陀螺晶格的觸覺傳感器即使在高頻壓力刺激下也表現出很強的適應性并保持穩(wěn)定的傳感性能。



圖3 3D打印壓阻式傳感器的拓撲設計和觸覺性能

【3D打印電容傳感器】

作者開發(fā)了在柔性基板上直接制造SCIE的一步打印法來實現柔性離子導電微電路的制造。無論微電路多么復雜、多么龐大，整個制作過程只需8秒。該基于SCIE的印刷微電路不僅具有200μm的高分辨率，而且可以承受180%的最大應變，其性能優(yōu)于許多傳統(tǒng)的金屬微電路。憑借間隙架構設計，基于SCIE印刷的可拉伸微電路可以無縫集成用于高靈敏度觸覺傳感器。基于間隙的架構設計可以提高觸覺傳感器的靈敏度并減少觸覺傳感器的響應時間。該觸覺傳感器在低于1 kPa壓力下的靈敏度高達9.15 kPa-1，是傳統(tǒng)無間隙觸覺傳感器的44倍。該工作在制造效率、拉伸性、打印分辨率和材料成本等許多方面具有明顯的優(yōu)勢，在制造柔性電子設備領域展現出巨大潛力。



圖4 3D打印用于高靈敏度電容傳感器的可拉伸微電路

總結：作者展示了一種可快速光固化的SCIE，實現了具有定制架構的軟離子導體的高分辨率3D打印。此研究克服了富含液體的離子導電材料的傳統(tǒng)局限性。此外，SCIE有望用于設計3D智能柔性電子設備，例如基于陀螺儀的壓阻傳感器和基于間隙的電容傳感器，且靈敏度遠高于其他同類產品。該工作不僅為3D可打印功能材料的設計提供了新的靈感，而且為3D智能、柔性電子設備的發(fā)展創(chuàng)造了新的機遇。

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