3D-Druck von UV-härtbaren Ionogelen mit bikontinuierlichen Nanostrukturen
SUSTech-Forscher haben eine hohe Leitfähigkeit erreicht, ohne die 3D-Druckbarkeit und die mechanischen Eigenschaften des Materials zu beeinträchtigen
Nach Angaben der Southern University of Science and Technology (SUSTech) in China hat das Forschungsteam von Professor Qi Ge vom Fachbereich Maschinenbau und Energietechnik ein UV-härtbares Ionogel mit bikontinuierlichen Nanostrukturen entwickelt, um eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen, ohne seine 3D-Druckbarkeit und mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Die entsprechenden Ergebnisse mit dem Titel „Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance“ wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Das SUSTech-Team schlug eine durch Photopolymerisation induzierte Strategie der Mikrophasentrennung vor, um bikontinuierliche Ionogele herzustellen. Diese Ionogele bestehen aus leitenden Nanokanälen, die mit einem vernetzten Polymergerüst verflochten sind. Die bikontinuierliche Struktur bietet einen geordneten und kontinuierlichen Kanal für den Ionentransport. Dieser Ansatz verleiht den Ionengelen eine hohe Leitfähigkeit, ohne die Druckbarkeit und die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Die entwickelten Ionogele weisen eine hohe Ionenleitfähigkeit (über 3 S-m-1), eine hohe Dehnbarkeit (über 1500 %), eine geringe Hysterese (0,4 % bei 50 % Dehnung) und eine Thermostabilität über einen weiten Temperaturbereich (-72 ~ 250 ℃) auf.
Aufgrund der niedrigen Viskosität und der hohen Photoreaktivität eignen sich die bikontinuierlichen nanostrukturierten Ionogele hervorragend für den DLP-3D-Druck, um hochkomplexe Geometrien mit hoher Auflösung zu drucken. Außerdem weisen die mit dem Ionogel gedruckten 3D-Strukturen eine hohe Verformbarkeit und eine hohe Leitfähigkeit in einem breiten Temperaturbereich auf. Wie in den Abbildungen 2g und 2h dargestellt, ist die 3D-gedruckte Oktett-Fachwerkstruktur sowohl bei 100 ℃ als auch bei -30 ℃ stark verformbar. Die hohe Leitfähigkeit der Oktett-Fachwerkstruktur bleibt sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen erhalten.
Die gute Druckbarkeit der bikontinuierlichen nanostrukturierten Ionogele ermöglicht die Herstellung komplizierter Geometrien, die zur weiteren Verbesserung der Kapazität der kapazitiven EDL-Sensoren verwendet werden können, indem der Kontaktierungsprozess zwischen der CSN-Ionogelschicht und den metallbasierten Elektroden verändert wird. Die Forscher druckten für den kapazitiven EDL-Sensor eine halbkugelförmige Struktur mit Höhengradient, die die Empfindlichkeit erheblich steigern und gleichzeitig die Linearität der Druckreaktion erweitern kann.
Die 3D-gedruckten kapazitiven EDL-Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Linearität, eine schnelle dynamische Reaktion, eine ausgezeichnete zyklische Stabilität und einen großen Betriebstemperaturbereich aus. Die gedruckten Sensoren wurden in einen Robotergreifer integriert, der Greifsignale in einem breiten Temperaturbereich von -30 °C bis 150 °C erfassen und verschiedene Signalkombinationen beim Greifen verschiedener Objekte sammeln kann. Darüber hinaus wurde ein Drucksensor-Array aus 4 × 4 gedruckten Sensoren hergestellt, das eine hochauflösende Druckabbildung in Echtzeit ermöglicht.
Der Doktorand Xiangnan He von der Abteilung für Maschinenbau und Energietechnik der SUSTech ist der Erstautor dieser Arbeit. Professor Qi Ge ist der korrespondierende Autor.
Diese Forschungsarbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (NSFC), dem Key Talent Recruitment Program der Provinz Guangdong und der Science, Technology, and Innovation Commission of Shenzhen Municipality unterstützt.
