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中國林科院木材所 CEJ：雙分子互穿網絡助力液態金屬直寫成型3D打印-制備超柔性電子器件

2024-04-28 來源：高分子科技

柔性電子材料在軟體機器人、可穿戴設備、植入設備等領域展現了巨大的應用潛力。液態金屬（LM）因其流動性、高電導性、無毒、可回收，成為理想的柔性電子制造材料。

中國林業科學研究院木材工業研究所陳媛副研究員、盧蕓研究員、國家林業和草原局竹子研究開發中心郭登康助理研究員聯合開發了LM基柔性電子器件直寫成型（DIW）3D打印技術，該DIW 3D打印策略基于生物質納米纖維素纖維（CNF）和水性聚氨酯（WPU）的雙分子互穿網絡結構，形成超分子界面有效包載液態金屬，制備DIW打印墨水，并研制了柔性電子器件整體打印技術。該工作展示了三元體系精準的打印能力、LM基電子器超柔特性和靈敏的電響應能力，有望實現柔性電子器件的精準、規模化打印生產。相關工作“Revolutionizing flexible electronics: integrating liquid metal DIW 3D printing by bimolecular interpenetrating network”發表在Chemical Engineering Journal上。 TEMPO氧化纖維素納米纖維（CNF）作為乳化劑和增粘劑，水性聚氨酯（WPU）作為柔性分子鏈條結構，通過均質分散形成雙分子網絡結構，其表面羥基/羧基和LM表面氧化鎵層（Ga₂O₃）形成超分子界面，實現對LM微滴的穩定包裹，不但解決了液態金屬柔性電子器件中LM泄露問題，同時建立了打印性能優異的LM基三元體系。3D打印材料的形狀、尺寸和層數由計算機設計精確控制。本研究展示了兩種類型的3D打印電子器件：一步法打印CNF/WPU/LM超柔性導電膜；兩步全打印技術制備的半封閉/全封閉電子器件。全打印設計極大提升了基芯嵌入式電路和基芯封裝電路的靈活性。

液態金屬打印油墨與打印過程示意圖

液態金屬打印油墨性質與打印材料的柔性和導電性

機械性能對于柔性電子產品的可靠性至關重要。本研究評估了打印線條方向、濕度和干燥方法對機械性能的影響。3D打印的CNF/WPU/LM薄膜（5mm寬），可以支撐2.12 kg的金屬塊；打印電子器件在50%高度壓縮下經過500次兩點彎曲循環，表觀形貌基本保持不變，且呈現優異的循環穩定性。循環動態彎曲和180°循環翹曲彎曲均說明3D打印LM電子器件的穩定性、電靈敏性和耐用性。這種LM基DIW 3D打印技術能夠生產大規模、復雜的導電圖案，通過按壓或刮擦激活，實現打印電子器件精確的電響應，該技術可有望廣泛應用于LM基打印領域，如可編程電子傳感器、柔性電子器件、軟機器人和可穿戴技術電路領域。

打印LM電子器件的機械性能

柔性電子器件展示

該工作受到中國林業科學研究院國家自然基金優青配套項目 (CAFYBB2022XD004)的資助。

原文鏈接：

Yuan Chen, Yun Lu*, Dongbin Fan, Jun Li, Chan Kyung Kim, Dengkang Guo*, Gaiyun Li. Revolutionizing flexible electronics: integrating liquid metal DIW 3D printing by bimolecular interpenetrating network. Chemical Engineering Journal, 2024, 488, 151013.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724025002

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（責任編輯：xu）

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