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3D打印离子导电多孔聚合物用于多功能可定制柔性应变/应力传感器

期刊:PolymerDOI:10.1016/j.polymer.2025.128708

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 ZhangWanqi Feng等学者团队完成,通讯作者为Dan YuWei 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)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)。

  1. 3D打印与后处理

    • DLP打印参数:层厚0.05 mm,每层曝光时间3秒,初始曝光40秒以确保平台附着力。
    • 后处理:打印后使用乙醇清洗未固化墨水,60℃烘干5分钟去除残留溶剂。
  2. 表征与测试

    • 微观结构分析:通过扫描电镜(SEM)观察多孔形貌,傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证化学键形成。
    • 力学性能测试:万能材料试验机测量压缩/拉伸性能(如AP3:2-IL70%的断裂伸长率为57.55%,弹性模量0.75 kPa)。
    • 电学性能测试:四探针法测量电阻率,动态机械分析(DMA)评估储能模量与损耗模量。
    • 传感性能验证:在1-650 kPa压力范围内测试灵敏度(低压区达-0.076 kPa⁻¹),响应时间41 ms,循环稳定性(1000次压缩后性能稳定)。

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。

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