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中國林科院木材所 CEJ：雙分子互穿網(wǎng)絡(luò)助力液態(tài)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(jī)器人、可穿戴設(shè)備、植入設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。液態(tài)金屬（LM）因其流動(dòng)性、高電導(dǎo)性、無毒、可回收，成為理想的柔性電子制造材料。



  中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所陳媛副研究員、盧蕓研究員、國家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心郭登康助理研究員聯(lián)合開發(fā)了LM基柔性電子器件直寫成型（DIW）3D打印技術(shù)，該DIW 3D打印策略基于生物質(zhì)納米纖維素纖維（CNF）和水性聚氨酯（WPU）的雙分子互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成超分子界面有效包載液態(tài)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(shù)。該工作展示了三元體系精準(zhǔn)的打印能力、LM基電子器超柔特性和靈敏的電響應(yīng)能力，有望實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的精準(zhǔn)、規(guī)模化打印生產(chǎn)。相關(guān)工作“Revolutionizing flexible electronics: integrating liquid metal DIW 3D printing by bimolecular interpenetrating network”發(fā)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(jié)構(gòu)，通過均質(zhì)分散形成雙分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其表面羥基/羧基和LM表面氧化鎵層（Ga2O3）形成超分子界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)LM微滴的穩(wěn)定包裹，不但解決了液態(tài)金屬柔性電子器件中LM泄露問題，同時(shí)建立了打印性能優(yōu)異的LM基三元體系。3D打印材料的形狀、尺寸和層數(shù)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(dǎo)電膜；兩步全打印技術(shù)制備的半封閉/全封閉電子器件。全打印設(shè)計(jì)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(tài)金屬打印油墨與打印過程示意圖


液態(tài)金屬打印油墨性質(zhì)與打印材料的柔性和導(dǎo)電性


機(jī)械性能對(duì)于柔性電子產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要。本研究評(píng)估了打印線條方向、濕度和干燥方法對(duì)機(jī)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(jīng)過500次兩點(diǎn)彎曲循環(huán)，表觀形貌基本保持不變，且呈現(xiàn)優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。循環(huán)動(dòng)態(tài)彎曲和180°循環(huán)翹曲彎曲均說明3D打印LM電子器件的穩(wěn)定性、電靈敏性和耐用性。這種LM基DIW 3D打印技術(shù)能夠生產(chǎn)大規(guī)模、復(fù)雜的導(dǎo)電圖案，通過按壓或刮擦激活，實(shí)現(xiàn)打印電子器件精確的電響應(yīng)，該技術(shù)可有望廣泛應(yīng)用于LM基打印領(lǐng)域，如可編程電子傳感器、柔性電子器件、軟機(jī)器人和可穿戴技術(shù)電路領(lǐng)域。 


打印LM電子器件的機(jī)械性能


柔性電子器件展示


  該工作受到中國林業(yè)科學(xué)研究院國家自然基金優(yōu)青配套項(xiàng)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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