光固化3D打印高彈性離子凝膠，可用于制備低遲滯柔性傳感器

來源：MEMS

柔性傳感器由于其優(yōu)異的拉伸性能、導電性和貼合性，廣泛應用于健康診斷、運動監(jiān)測和人機交互等領域。但是，由于軟材料固有的粘彈性，使得柔性傳感器在動態(tài)加載過程中無法快速恢復到初始的形狀，導致柔性傳感器的信號產生較大滯后性，嚴重影響柔性傳感器監(jiān)測的準確性，阻礙其實際的應用。如何快速且高精度地制備具有低遲滯的柔性傳感器仍然面臨挑戰(zhàn)。

△光固化3D打印高彈性的離子凝膠用于制備低遲滯柔性傳感器

在福建省“揭榜掛帥”重大專項和閩都創(chuàng)新實驗室自主部署關鍵技術攻關項目的支持下，中科院福建物質結構研究所吳立新研究員團隊基于富含氫鍵的丙烯酸酯單體和離子液體，制備了一種固化速率快的光敏樹脂，適用于DLP打印多孔離子凝膠柔性傳感器（PIFS），并在PISS中引入易變形的IWP晶格結構，以此來提高柔性傳感器的回彈性。

△傳感器的壓縮性能和靈敏度測試。(a) IWP單元結構的三維模型，基于IWP的晶格試樣設計和相應的DLP打印樣品。(b) 由轎車擠壓的格子結構傳感器的物理圖像。

△3D打印各種定制結構的柔性傳感器，用于實時檢測人體運動。（a） 具有IWP結構晶格的3D打印多孔傳感器。（b） 3D打印多孔手指套（c）具有多孔結構的3D打印柔性薄膜。（d） 該傳感器采用IWP結構點陣，用于人體腕部脈搏檢測。（e） 阻力響應代表不同的手指彎曲角度。（f） 使用3D打印多孔膜實時檢測手腕彎曲運動。（g） 3D打印多孔鞋墊作為步態(tài)識別的壓力傳感器。不同步態(tài)的阻力反應：（h）步行和（i）跑步。比例尺是5毫米。

實驗結果表明，晶格結構的PIFS經過500次應變?yōu)?0%的循環(huán)壓縮后，其殘余應變幾乎為0，遲滯回線也幾乎重疊，顯示出PIFS具有優(yōu)異的回彈性能和抗疲勞性能。高彈性和耐久性使得PIFS具有低的遲滯性（2.4%），在長期循環(huán)加載期間能提供可靠的傳感信號。晶格結構的引入，也使得PIFS具有更高的壓力靈敏度（0.45 kPa-1）。

該工作還利用3D打印技術具有結構可自由設計的優(yōu)勢，設計并打印具有定制化結構的PIFS用來監(jiān)測脈搏、手指、步態(tài)和手腕的運動。此外，PIFS具有低的玻璃化轉變溫度（-45.8℃），能夠在低溫的環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時，PIFS還具有抗菌的性能和對溫度的變化具有較快的響應性，能夠監(jiān)測溫度的變化，是一種多功能的柔性傳感器。這種簡單的制備策略適用于打印高性能的定制PIFS，具有很高的產量。


相關工作發(fā)表在國際期刊Chemical Engineering Journal, 2022, 439, 135593，博士生彭樞強為該論文的第一作者，翁子驤高級工程師和吳立新研究員為通訊作者。

近年來，該團隊在光固化3D打印樹脂研究方面取得了一系列重要進展。包括光固化3D打印制備柔性傳感器（Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2008729；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 6479-6488）；光固化3D打印智能結構（Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131580）；生物基高耐熱3D打印樹脂（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8, 9415-9424）；光固化可重構4D打印形狀記憶聚合物（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 40642-40651）；納米粒子改性光固化3D打印樹脂（Chemical Engineering Journal, 2020, 394, 124873；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 4917-4926；Composites Part A, 2019, 117, 276-286）；以及與許瑩課題組聯(lián)合研發(fā)的高強耐高溫氰酸酯3D打印樹脂（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 38682-38689）和雙固化3D打印樹脂體系（Journal of Materials Science, 2019, 54, 5865-5876）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135593