Adv. Mater.：3D打印導電水凝膠彈性體

【引語】

近年來，柔性電子產品的應用日愈火熱，比如人體可穿戴傳感器、軟體機器人中的反饋傳感器。這對柔性材料又提出了新的要求——需要在保持高應變的條件下，仍能夠在各種環境下保持功能性。但現存的材料，大多都無法在保持高的導電率和拉伸性的同時擁有光學透明度，導致其在光學領域的應用受阻。使用具有高彈性和透明度的凝膠作為導體制備電路裝置，正成為一種越來越受歡迎的方式。導電性凝膠通常分為水凝膠和離子凝膠，相比較而言，離子凝膠不會脫水，但是比水凝膠導電性稍遜一籌，同時離子液也會干擾一些凝膠的聚合反應。水凝膠更容易合成，但是易脫水，增加它的離子導電率和保水性，同時保證其平衡以達到最好的效果。

【成果簡介】

針對這類水凝膠的制備，哈佛大學的Joost J. Vlassak和Zhigang Suo（共同通訊作者）課題組近日在Advanced Materails上發表了一篇名為“3D Printing of Transparent and Conductive Heterogeneous Hydrogel–Elastomer Systems”的文章，報告了使用3D打印的方式，印刷出一種集成了導電水凝膠和介電彈性體的柔性可拉伸的電子器件。這兩種材料都可以分別集成于裝置上。將他們一起打印后，測得材料同時擁有良好的機械性能和電學性能，并且打印出一個軟應變傳感器，證實了該打印方式的可行性。該器件的材料為聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠和聚二甲基硅氧烷（PDMS），兩種材料都具有良好的電學和光學性能。

[致歉：很抱歉通訊作者Zhigang Suo的確切中文名沒有找到，小編在此表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

圖1：3D打印系統總體示意圖

a)使用3D打印機進行印刷，包括精密定位系統，油墨擠出系統和硬件/軟件接口，可以精確控制材料在樣品臺上的擠出位置和速率。

b）并排比較原始設置的圖案和實際打出的效果。

c）透明度的展示，用相同的材料打印了一個具有透明結構的圖案。

圖2：水凝膠前聚體溶液的流變性分析

a)典型的振蕩流變結果，顯示出隨著剪切應力的增加，油墨的剪切存儲（G’）和前切損失（G”）的變化趨勢。儲能模量（G’）在558.5±4.6Pa之前保持穩定，并在570 Pa之前高于損耗模量（G”），在大于570Pa的應力下，G”超過G’，此時物質的狀態為粘稠液體。

b)典型的粘度測定結果，顯示出隨著剪切速率的變化，粘度和應力的趨勢。由該曲線可見材料有明顯的剪切變稀效應。

圖3：水凝膠的打印程序設計

a)在橫向（x）和縱向(z)打印出各種水凝膠線幾何形狀示意圖。

b、c）精確設定X軸和Z軸上的詳細線數，將水凝膠打印在PDMS上。

d~f)多層凝膠圖案的光學顯微圖像，顯示了平滑的合并界面和由水凝膠邊緣的殘留潤濕層。

g、h）使用光學輪廓測定法獲得印刷的水凝膠線的橫截面圖，發現這些輪廓幾乎是相同的，表明其設計的水凝膠可以重復印制。

圖4：所得水凝膠結構的電學性能測試

a）用四點探針測量法得到的I-V曲線，塊狀水凝膠樣品尺寸平均長30cm，寬4.2mm，高3.5mm。歐姆傳導的電導率為10.39±0.31S m-1，與用于對比的鹽溶液電導率相當。但是水凝膠線電導率下降，這與失水有關。

b）PDMS襯底印刷的水凝膠并經過拉伸后的歸一化電阻統計，與不經過變形的幾何圖案相對比。照片對比了樣品在原始（應變= 0％）狀態和拉伸（應變= 50％）狀態的電阻。表明在這個應變下水凝膠完好無損。

c）印刷水凝膠的疲勞循環數與電阻的函數。進行20％應變的單軸拉伸應變循環1000次。并未發現電阻產生明顯的變化。比較疲勞試驗前后的圖像，并未形成可見的損傷或分層。

d）離子轉換率與頻率繪關系。可以觀察到實驗結果與文中理論結果的擬合在一個理想的水平。

圖5：打印的單回路電阻應變儀

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a）使用水凝膠作為導體和PDMS作為封裝基底來制作的簡單的基于電阻的應變計。

b）通過將傳感器連接到柔性手套并彎曲手指，我們能夠觀察到在手指最大彎曲時，與初始值相比電阻變化高達30％。

c）展示了每個手指的手勢變化引起的應變所導致得傳感器電阻隨著時間的變化。

【小結】

綜上所述，本文描述了一種導電水凝膠的印刷方法。通過調節水凝膠預聚物的流變行為和進行PDMS表面的離子體處理后，打印出壓毫米級的基于電阻的應變傳感器。并且可以設計和打印復雜的結構，該方式可以應用和任何PDMS-水凝膠材料體系。總之，本文提供了一種簡單的制備水凝膠和電解質彈性體的方式，可以用于柔性電氣設備和軟體機器人等領域。

文獻鏈接：3D Printing of Transparent and Conductive Heterogeneous Hydrogel–Elastomer Systems（Advanced Materails，2017, DOI: 10.1002/adma.201604827）

該文獻匯總由材料人編輯部杜征崢供稿，材料牛編輯整理。

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