Adv. Mater.：3D打印导电水凝胶弹性体

【引语】

近年来，柔性电子产品的应用日愈火热，比如人体可穿戴传感器、软体机器人中的反馈传感器。这对柔性材料又提出了新的要求——需要在保持高应变的条件下，仍能够在各种环境下保持功能性。但现存的材料，大多都无法在保持高的导电率和拉伸性的同时拥有光学透明度，导致其在光学领域的应用受阻。使用具有高弹性和透明度的凝胶作为导体制备电路装置，正成为一种越来越受欢迎的方式。导电性凝胶通常分为水凝胶和离子凝胶，相比较而言，离子凝胶不会脱水，但是比水凝胶导电性稍逊一筹，同时离子液也会干扰一些凝胶的聚合反应。水凝胶更容易合成，但是易脱水，增加它的离子导电率和保水性，同时保证其平衡以达到最好的效果。

【成果简介】

针对这类水凝胶的制备，哈佛大学的Joost J. Vlassak和Zhigang Suo（共同通讯作者）课题组近日在Advanced Materails上发表了一篇名为“3D Printing of Transparent and Conductive Heterogeneous Hydrogel–Elastomer Systems”的文章，报告了使用3D打印的方式，印刷出一种集成了导电水凝胶和介电弹性体的柔性可拉伸的电子器件。这两种材料都可以分别集成于装置上。将他们一起打印后，测得材料同时拥有良好的机械性能和电学性能，并且打印出一个软应变传感器，证实了该打印方式的可行性。该器件的材料为聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶和聚二甲基硅氧烷（PDMS），两种材料都具有良好的电学和光学性能。

[致歉：很抱歉通讯作者Zhigang Suo的确切中文名没有找到，小编在此表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图1：3D打印系统总体示意图

a)使用3D打印机进行印刷，包括精密定位系统，油墨挤出系统和硬件/软件接口，可以精确控制材料在样品台上的挤出位置和速率。

b）并排比较原始设置的图案和实际打出的效果。

c）透明度的展示，用相同的材料打印了一个具有透明结构的图案。

图2：水凝胶前聚体溶液的流变性分析

a)典型的振荡流变结果，显示出随着剪切应力的增加，油墨的剪切存储（G’）和前切损失（G”）的变化趋势。储能模量（G’）在558.5±4.6Pa之前保持稳定，并在570 Pa之前高于损耗模量（G”），在大于570Pa的应力下，G”超过G’，此时物质的状态为粘稠液体。

b)典型的粘度测定结果，显示出随着剪切速率的变化，粘度和应力的趋势。由该曲线可见材料有明显的剪切变稀效应。

图3：水凝胶的打印程序设计

a)在横向（x）和纵向(z)打印出各种水凝胶线几何形状示意图。

b、c）精确设定X轴和Z轴上的详细线数，将水凝胶打印在PDMS上。

d~f)多层凝胶图案的光学显微图像，显示了平滑的合并界面和由水凝胶边缘的残留润湿层。

g、h）使用光学轮廓测定法获得印刷的水凝胶线的横截面图，发现这些轮廓几乎是相同的，表明其设计的水凝胶可以重复印制。

图4：所得水凝胶结构的电学性能测试

a）用四点探针测量法得到的I-V曲线，块状水凝胶样品尺寸平均长30cm，宽4.2mm，高3.5mm。欧姆传导的电导率为10.39±0.31S m-1，与用于对比的盐溶液电导率相当。但是水凝胶线电导率下降，这与失水有关。

b）PDMS衬底印刷的水凝胶并经过拉伸后的归一化电阻统计，与不经过变形的几何图案相对比。照片对比了样品在原始（应变= 0％）状态和拉伸（应变= 50％）状态的电阻。表明在这个应变下水凝胶完好无损。

c）印刷水凝胶的疲劳循环数与电阻的函数。进行20％应变的单轴拉伸应变循环1000次。并未发现电阻产生明显的变化。比较疲劳试验前后的图像，并未形成可见的损伤或分层。

d）离子转换率与频率绘关系。可以观察到实验结果与文中理论结果的拟合在一个理想的水平。

图5：打印的单回路电阻应变仪

a）使用水凝胶作为导体和PDMS作为封装基底来制作的简单的基于电阻的应变计。

b）通过将传感器连接到柔性手套并弯曲手指，我们能够观察到在手指最大弯曲时，与初始值相比电阻变化高达30％。

c）展示了每个手指的手势变化引起的应变所导致得传感器电阻随着时间的变化。

【小结】

综上所述，本文描述了一种导电水凝胶的印刷方法。通过调节水凝胶预聚物的流变行为和进行PDMS表面的离子体处理后，打印出压毫米级的基于电阻的应变传感器。并且可以设计和打印复杂的结构，该方式可以应用和任何PDMS-水凝胶材料体系。总之，本文提供了一种简单的制备水凝胶和电解质弹性体的方式，可以用于柔性电气设备和软体机器人等领域。

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

该文献汇总由材料人编辑部杜征峥供稿，材料牛编辑整理。

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