近年來，柔性傳感器在可穿戴設備、交互式顯示設備、可伸縮能量采集裝置、電子/離子皮膚及軟機器人等諸多領域受到青睞?？衫鞂w作為柔性傳感器的核心組件，它們的材料開發和性能研究受到研究人員的關注。總的來說，要實現可拉伸導體的基本性能的提升，往往在材料選擇和導體微結構工程化設計兩個方面進行努力。
導電離子彈性體（CIEs）作為新型可拉伸導體之一，已經成為凝膠基離子導體的可靠替代品。為提升CIEs被用作柔性傳感器重要部件時的使用性能（如靈敏度、響應時間），需要在CIEs的微結構設計和成型方法方面做出努力。以往多數研究仍然使用模板模塑成型CIEs，難以滿足對CIEs形狀的靈活定制需求。幸而，基于材料累加進行制造的成型原理的增材制造技術（又稱3D打印），可以按需定制靈活結構的彈性體，受到越來越多的關注。
在各種3D打印技術中，數字光處理（DLP）具有加工速度快，可高精度制備結構復雜的產品等優點而具有實際應用價值。盡管使用DLP 3D打印CIEs取得了一定進展，但常受限于光敏性前驅體的選擇，打印出的CIEs很難具備優異的綜合性能。通過構建動態網絡，賦予可光引發聚合的CIEs更多綜合性能，如自愈合性能、降解回收能力和極端溫度下的工作性能，可以更好地滿足復雜環境下傳感信號的穩定性以及綠色制造的需求。為此，開發可DLP 3D打印的且具備卓越整體性能的CIEs勢在必行。
近日，廣西大學龍雨教授團隊研發出了具有高自愈合效率、耐溫性、可降解性以及可3D性的CIEs。利用紫外光固化合成的CIEs展現出良好的離子電導率（0.23 S m-1），并且在彈性體網絡中豐富的氫鍵相互作用下，使該CIEs具備優異的拉伸能力（565 %），極佳的自愈效率（在室溫下99 %）、降解能力，以及在寬溫度范圍內（?23 至 55 ℃）保持導電和自愈合能力。隨后，該團隊利用新型面投影微立體光刻技術(摩方精密nanoArch? S140，精度：10μm)，打印了模擬人體皮膚表皮層與真皮層之間微結構的CIEs，并將打印出的樣件組裝成高靈敏度的離子皮膚，實時監控微小形變。這些特點表明，良好的綜合性能和可行的制造方法使得所研發的CIEs在柔性電子領域具有廣闊前景。
相關研究成果以“3D Printing of self-healing and degradable conductive ionoelastomers for customized flexible sensors”為題發表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（SCI一區，Top期刊，IF=15.1）。廣西大學研究生羅欣為第一作者，廣西大學龍雨教授為通訊作者。該工作得到了廣西壯族自治區重點研發計劃、國家重點研發計劃和廣西壯族自治區自然科學基金的大力支持。
首先通過合理地選擇離子單體、交聯劑和光引發劑，合成了具有光敏性和優異流動性的前驅體溶液，通過對其紫外光照進一步共聚合成PACG（Poly-AAm /ChCl/Glycerol）CIEs。將前驅體溶液用于光固化3D打印，在3D打印過程中，由數字微鏡設備（DMD）修飾的圖案化405nm 紫外光源，透過前驅體溶液，照射在液槽中的打印平臺上，光引發劑2959吸收紫外光后產生自由基，在交聯劑PEGDA的輔助下，誘導前驅體溶液中的離子單體發生聚合反應，形成固體離子彈性體聚合物網絡結構圖案。隨著打印平臺向下移動，逐層固化實現整個3D 實物的打印。（如圖1）
圖1.PACG導電離子彈性體（CIEs）的合成和3D打印方案。(a)制備可光固化的前驅體的示意圖。（b）PACG CIEs聚合物網絡的合成路線。（c）基于可光固化的前驅體的DLP 3D打印示意圖。（d）制備的前體溶液和水的流動性比較。（e）覆蓋新型離子彈性體的“廣西大學”標識圖。透過透明的CIE可以清晰地看到漢字。（f）PACG CIEs具有高透明度，平均透過率96%。(g)離子彈性體拉伸前后的圖片。
綜合考慮了不同原料配比的CIEs的力學性能和導電性能后，除非另有說明，后續的討論和說明以PACG-1 CIE展開。（如圖2）
圖2. PACG CIEs的力學性能和電學性能。(a)不同配比PACG CIEs的應力-應變曲線。(b) PACG-1 CIE在相同應變（100%）下5個不間斷的循環拉伸加載-卸載曲線。(c) PACG-1 CIE在不同應變（100、200 、 300和400%）下的不間斷循環拉伸加載-卸載曲線。(d) 甘油含量不同時合成的PACG CIEs的電導率。(e) LED燈泡的亮度隨PACG-1 CIE長度變化而改變。
CIEs作為可拉伸導體，是柔性傳感器的重要組件。CIEs的自愈能力對于傳感器在受損后恢復其傳感效能，以及延長其使用壽命而言，扮演著至關重要的角色。離子彈性體聚合物網絡中動態鍵的重構是實現CIEs自愈合性能的關鍵。在聚合后的PACG-1 CIE內部網絡結構中包含許多動態可逆氫鍵，這賦予了離子彈性體自愈合能力。自愈合性能可以延長材料的使用壽命，但當材料達到使用壽命時，實現材料在溫和的條件下回收，不但可以避免浪費原材料，而且可以減輕對環境的負面影響。經過測試可知，該離子彈性體具備可降解能力。可降解性和可自愈合性能相互配合，可以有效延長PACG CIEs的使用壽命并賦予其環境友好特性。
3D打印離子彈性體，實現了低成本材料的高利用率，可用于生產各種定制化高精度柔性器件。隨著柔性電子設備的發展，大體積器件正向模塊化微電路和小型化壓力傳感器方向發展。這項研究通過模擬人體皮膚真皮層和表皮層之間的互鎖微結構，設計了一種仿生互鎖壓阻式離子皮膚傳感器，并利用摩方精密nanoArch? S140 (精度：10μm) 3D打印設備成功制造。由于電阻式壓力傳感器的靈敏度是由接觸面積的變化決定的，被打印出的微圓頂結構中間存在間隙，因而更容易被壓縮。當受壓時，與平面結構相比微結構會導致接觸面積隨著施加壓力而增加更多，進而增強應變傳感器的靈敏度。定量評估其受壓時的靈敏度可知，該離子皮膚傳感器的靈敏度在0–21.5 kPa壓力范圍內為1.7 kPa-1，在21.5–144 kPa壓力范圍內為0.4 kPa-1。
結論：研究團隊開發了可DLP 3D打印的且具備卓越整體性能的CIEs，它們表現出固有的離子導電能力、高透明度和優良的力學性能。由于彈性體網絡中動態氫鍵，該離子彈性體可以實現高效自主愈合（室溫愈合效率＞99%），并且具備良好的溫度耐候性。此外，彈性體還具備常溫下在水中降解的能力，可實現綠色后處理。通過使用3D打印技術制備出具有微結構的離子彈性體，將其組裝成離子皮膚，實現對微小壓力實時監測。使用 3D 打印技術構建自愈合可降解彈性體，為開發具有綜合性能傳感器提供了新的見解。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149330
