该文档属于类型a(单篇原创研究论文),以下是针对该研究的学术报告:
一、研究团队与发表信息
本研究由Siqi Zhang、Wanqi Feng等学者团队完成,通讯作者为Dan Yu和Wei Wang,均来自东华大学化学与化工学院(College of Chemistry and Chemical Engineering, Donghua University)。论文题为《3D-printed ion-conductive porous polymers for multifunctional and customizable flexible strain/stress sensors》,发表于期刊Polymer(2025年6月,卷333,文章编号128708)。
二、学术背景
1. 科学领域:柔性传感器技术,涉及材料科学、微电子学与纳米技术交叉领域。
2. 研究背景:传统柔性传感器面临机械性能不足、导电填料分散不均、制造工艺复杂等问题。为解决这些问题,研究团队提出结合硫醇-烯点击化学(thiol-ene click chemistry)和数字光处理(DLP)3D打印技术,开发离子导电多孔聚合物传感器。
3. 研究目标:开发一种兼具高机械性能、环境稳定性和多功能传感能力的柔性传感器,并实现可定制化结构设计。
三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 3D打印墨水配方:以聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(PETMP)为基底,添加离子液体([BMIM]Cl)、光引发剂(TPO)及造孔剂(无水乙醇)。通过调整单体比例(PEGDA:PETMP为2:1至3:1)和离子液体含量(30%-70%),优化机械性能与导电性。
- 创新方法:采用相分离诱导多孔结构,通过紫外光引发聚合形成聚合物富集相(提供机械支撑)和贫聚合物相(形成离子迁移通道)。
3D打印与后处理
表征与测试
四、主要结果
1. 多孔结构与离子传导机制
- SEM显示多孔聚合物由簇状球形颗粒组成,孔隙率由相分离调控(图3a)。离子液体通过离子-偶极相互作用(ionic-dipole interactions)均匀分散,避免泄漏。
2. 力学与传感性能
- AP3:2-IL70%表现出最佳综合性能:压缩应力达783.91 kPa,应变70.1%;拉伸灵敏度2.452(线性相关系数R²=0.996)。
- 传感器可检测微小应变(0.5%)和宽压力范围(0-600 kPa),响应速度快(41 ms),且循环稳定性优异(图5f)。
3. 环境稳定性
- 热重分析(TGA)表明材料在211℃以下稳定(图7a),离子液体与聚合物网络相容性良好,室温存放30天后导电性无显著下降。
五、结论与价值
1. 科学价值:
- 提出了一种新型离子导电多孔聚合物制备方法,结合点击化学与DLP打印技术,解决了传统传感器材料与工艺的局限性。
- 揭示了多孔结构对离子迁移和机械性能的调控机制。
2. 应用价值:
- 可定制化为腕带、戒指等可穿戴设备,应用于手写识别(图9)、手势识别(图9h)和运动监测(图10)。
- 在人工智能、疾病辅助诊断等领域具有潜力。
六、研究亮点
1. 方法创新:首次将硫醇-烯点击化学与DLP打印结合,实现高精度、快速成型的柔性传感器制备。
2. 性能突破:通过相分离设计微孔结构,同时提升机械柔性与离子电导率。
3. 多功能集成:单一传感器可同步检测应力、应变及温度变化,且环境稳定性优异。
七、其他有价值内容
- 研究对比了不同3D打印技术(如FDM、DIW)的局限性,突出了DLP在高分辨率复杂结构制造中的优势(图8d)。
- 补充实验数据(如FTIR光谱、元素分布图)验证了离子液体的成功包载与均匀分布(图2a, 3c)。
该报告综合了研究背景、方法、结果与价值,为学术界和工业界提供了柔性传感器设计的新思路。