光固化3D打印高弹性离子凝胶，可用于制备低迟滞柔性传感器

来源：MEMS

柔性传感器由于其优异的拉伸性能、导电性和贴合性，广泛应用于健康诊断、运动监测和人机交互等领域。但是，由于软材料固有的粘弹性，使得柔性传感器在动态加载过程中无法快速恢复到初始的形状，导致柔性传感器的信号产生较大滞后性，严重影响柔性传感器监测的准确性，阻碍其实际的应用。如何快速且高精度地制备具有低迟滞的柔性传感器仍然面临挑战。

△光固化3D打印高弹性的离子凝胶用于制备低迟滞柔性传感器

在福建省“揭榜挂帅”重大专项和闽都创新实验室自主部署关键技术攻关项目的支持下，中科院福建物质结构研究所吴立新研究员团队基于富含氢键的丙烯酸酯单体和离子液体，制备了一种固化速率快的光敏树脂，适用于DLP打印多孔离子凝胶柔性传感器（PIFS），并在PISS中引入易变形的IWP晶格结构，以此来提高柔性传感器的回弹性。

△传感器的压缩性能和灵敏度测试。(a) IWP单元结构的三维模型，基于IWP的晶格试样设计和相应的DLP打印样品。(b) 由轿车挤压的格子结构传感器的物理图像。

△3D打印各种定制结构的柔性传感器，用于实时检测人体运动。（a） 具有IWP结构晶格的3D打印多孔传感器。（b） 3D打印多孔手指套（c）具有多孔结构的3D打印柔性薄膜。（d） 该传感器采用IWP结构点阵，用于人体腕部脉搏检测。（e） 阻力响应代表不同的手指弯曲角度。（f） 使用3D打印多孔膜实时检测手腕弯曲运动。（g） 3D打印多孔鞋垫作为步态识别的压力传感器。不同步态的阻力反应：（h）步行和（i）跑步。比例尺是5毫米。

实验结果表明，晶格结构的PIFS经过500次应变为70%的循环压缩后，其残余应变几乎为0，迟滞回线也几乎重叠，显示出PIFS具有优异的回弹性能和抗疲劳性能。高弹性和耐久性使得PIFS具有低的迟滞性（2.4%），在长期循环加载期间能提供可靠的传感信号。晶格结构的引入，也使得PIFS具有更高的压力灵敏度（0.45 kPa-1）。

该工作还利用3D打印技术具有结构可自由设计的优势，设计并打印具有定制化结构的PIFS用来监测脉搏、手指、步态和手腕的运动。此外，PIFS具有低的玻璃化转变温度（-45.8℃），能够在低温的环境下稳定工作。同时，PIFS还具有抗菌的性能和对温度的变化具有较快的响应性，能够监测温度的变化，是一种多功能的柔性传感器。这种简单的制备策略适用于打印高性能的定制PIFS，具有很高的产量。


相关工作发表在国际期刊Chemical Engineering Journal, 2022, 439, 135593，博士生彭枢强为该论文的第一作者，翁子骧高级工程师和吴立新研究员为通讯作者。

近年来，该团队在光固化3D打印树脂研究方面取得了一系列重要进展。包括光固化3D打印制备柔性传感器（Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2008729；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 6479-6488）；光固化3D打印智能结构（Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131580）；生物基高耐热3D打印树脂（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8, 9415-9424）；光固化可重构4D打印形状记忆聚合物（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 40642-40651）；纳米粒子改性光固化3D打印树脂（Chemical Engineering Journal, 2020, 394, 124873；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 4917-4926；Composites Part A, 2019, 117, 276-286）；以及与许莹课题组联合研发的高强耐高温氰酸酯3D打印树脂（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 38682-38689）和双固化3D打印树脂体系（Journal of Materials Science, 2019, 54, 5865-5876）。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135593