具有高回弹和低滞后特性的3D打印多功能柔性传感器
时间:2022-04-06 10:53 来源:3D科学谷 作者:admin 点击:次
柔性可穿戴传感器具有高延展性和便携性,它被广泛应用于健康诊断、运动监测和康复等领域。然而,由于软材料的固有粘弹性,迟滞现象在柔性传感器中普遍存在,这是一个有待解决的问题。 来自中国科学院的翁子骧和吴立新团队开发了一种含有离子液体(ILs)和丙烯酸单体的光固化树脂。通过数字光处理(DLP)3D打印定制的多孔离子凝胶柔性传感器(PIFS)表现出更高的压力灵敏度和更低的滞后性,在长期加载期间可提供稳定的信号。此外,PIFS 还具有抗菌和精确检测温度的功能。一系列结构定制的PIFS,可以用于监测脉搏、手指、步态和其它人体运动。 相关论文“Tailoring of photocurable ionogel toward high resilience and low hysteresis 3D printed versatile porous flexible sensor”发表于杂志Chemical Engineering Journal上。 如图1所示,研究人员利用基于丙烯酸单体和ILs的光固化树脂,使用DLP 3D打印机制备了PIFS。其中,丙烯酸-2-羟乙基酯(HEA)具有更快的光聚合速率,用作DLP 3D打印的基础单体。聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA-700)可以防止打印结构溶解在单体中,提高打印分辨率,用作交联剂。丙烯酸异冰片酯(IBOA)同样具有更快的光聚合速率,可以提高打印结构的拉伸强度,用作共聚单体。1-丁基-3-甲基咪唑氯化物([EMIM]Cl)是一种ILs,结合ILs制得的离子凝胶的导电性随温度和ILs浓度的增加而升高。一系列具有复杂多孔结构(如有机框架、空心足球和各种晶格结构)的PIFS已成功制备。 如图2所示,为了提高传感器的压缩应变能力,PIFS在设计上采用了以弯曲为主的晶格结构。在相同的表观体积下,具有晶格结构的柔性传感器重量约为实体结构的三分之一。具有晶格结构的PIFS表现出很好的弹性,更好的能量吸收能力,即使在被汽车碾压后也能迅速恢复,并且没有ILs从聚合物基体中泄漏。 如图3所示,研究人员通过动态循环加载实验,观察电阻信号变化,进一步研究了PIFS的传感性能。PIFS能够检测微小形变。得益于多孔晶格结构的设计,在压缩过程中,PIFS多孔结构的变形降低了弹性体基体粘弹性的影响,具有低滞后性。此外,在高速和长期循环加载期间,PIFS具有高弹性,可以快速恢复其原始形状,输出稳定信号来满足需求。 晶格结构的PIFS具有更好的压力灵敏度,它可用于检测极小的压力变化。如图4所示,研究人员设计了一系列结构定制的PIFS作为可穿戴传感器来监测人体运动。将具有多孔结构的柔性膜连接到腕部皮肤,以评估腕部的弯曲程度。传感器可以清楚地区分手腕的向前和向后弯曲姿势。将具有多孔网格结构的鞋垫放置在鞋子中,以记录人类的行走和跑步姿态。晶格结构的引入,使传感器足够轻巧,并改善了佩戴体验。 如图5所示,研究人员通过差示扫描量热法(DSC)测定了PIFS的玻璃化转变温度(Tg)。相对较低的Tg表明PIFS在低温环境中仍然可用。研究人员将手指套PIFS冷冻了一天,手指套PIFS依然能提供稳定且可逆的信号。PIFS在低温下具有更高的温度灵敏度,能检测到很小的温度变化,可用作温度传感器,实时监测温度。 综上所述,研究人员开发了一种含有离子液体(ILs)和丙烯酸单体的光固化树脂。通过数字光处理(DLP)3D打印定制的多孔离子凝胶柔性传感器(PIFS)表现出更高的压力灵敏度和更低的滞后性,在长期加载期间可提供稳定的信号。此外,PIFS还具有抗菌和精确检测温度的功能。一系列结构定制的PIFS,可以用于监测脉搏、手指、步态和其它人体运动。DLP 3D打印PIFS是一种很有前途的人类穿戴候选产品,它可以进一步促进可穿戴电子产品的发展。 (责任编辑:admin) |