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

來(lái)源：高分子科技

離子導(dǎo)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(yīng)用于可穿戴設(shè)備、傳感器、微納米發(fā)電機(jī)、柔性顯示器、軟機(jī)器人等領(lǐng)域。水凝膠和電離凝膠由于具有良好的導(dǎo)電性、生物相容性和可拉伸性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制備ICs最有前途的材料。然而，由于脫水等問(wèn)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(xué)性能和導(dǎo)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(luò)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(yán)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(dǎo)電離子凝膠(SCIg)被開發(fā)出來(lái)，以克服這些潛在的問(wèn)題。

圖1 全固態(tài)離子導(dǎo)電離子凝膠的合成與表征

近期，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(dǎo)電離子凝膠(SCIg) (圖1a, b，c)。該產(chǎn)品可通過(guò)調(diào)整各組分的含量來(lái)獲得迄今為止報(bào)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(yīng)變，同時(shí)承受0.97 MPa應(yīng)力)，顯著的自愈效率(>95%, 圖2)和極好的電導(dǎo)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(shè)備中的潛在應(yīng)用，該設(shè)備可以將不同的機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。有趣的是，這些傳感器在高溫下儲(chǔ)存或在結(jié)構(gòu)損傷中自我修復(fù)后，仍然可以可靠地檢測(cè)到電阻信號(hào)。SCIg的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(guò)應(yīng)變?chǔ)?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(hào)檢測(cè)和人機(jī)界面等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

圖2 SCIg的自愈性能。

圖3基于離子凝膠陣列設(shè)計(jì)的具有位置識(shí)別功能以及相應(yīng)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(xué)機(jī)械學(xué)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(guó)家自然科學(xué)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(xué)機(jī)械學(xué)院楊曉翔教授對(duì)該研究提供了幫助和指導(dǎo)。

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