弹性体上书写和渗透到弹性体中用于可塑性、防水和耐磨的离子电路

研究内容

离子电路需求的不断增长，推动了对具有优异耐磨性和易于制备的图案化方法的需求。然而，传统的表面改性电路方法在使用过程中经常出现磨损和脱落问题。在此，我们采用聚离子液体与聚氨酯的互穿网络结构，制备出一种可图案化的离子电路，该电路能够抵御砂纸摩擦或胶带剥离的磨损。疏水性离子液体成功在聚氨酯内部聚合，形成了防水离子电路，同时降低了环境湿度的影响。此外，这种离子电路在人工智能的辅助下，具备感知温度、压力和按压形状等多信号的能力。互穿网络结构为制备耐磨且稳定的图案化离子电路提供了一种简单实用的解决方案。

研究背景

离子导体因柔韧性、透明性、生物相容性及抗磁干扰性等优势，成为人机界面重要材料。在智能医疗、运动和家居等领域，人机界面应用对功能集成需求增加，精确图案化技术至关重要，它可控制电路结构、促进模块协同、推动设备小型化，还能助力可穿戴设备在医疗健康监测领域应用。 与传统集成电路制造不同，离子导体图案化技术更强调耐磨性，因人机界面常与物体直接接触，摩擦或致电路特性改变或断裂，开发坚固耐磨的图案化方法对推进该领域发展不可或缺。

目前，离子导体图案化主要技术有掩膜模板法、3D打印法和电化学方法。柔性多孔或反应性基底材料正革新柔性电路领域，纸张、织物等基底因轻便、透气和生物相容性受青睐，与导电油墨结合能设计出性能更优的柔性电路，但图案化电路易突出于基底表面而受磨损，且常用离子导体对湿度敏感，影响电精度。因此，急需一种简单、耐用且耐磨的图案化方法构建稳定离子电路。 为此，开发了直接离子墨水书写（DIIW）技术，利用疏水性离子液体与聚氨酯互穿，聚氨酯的机械性能可保护离子液体电路免受磨损，疏水性离子液体对环境湿度有高抗性，确保电信号稳定。该技术制备的图案化离子电路有望与人工智能结合，实现多信号监测和识别。

研究结果

图1. a)直接离子墨水书写（DIIW）的示意图以及基于聚氨酯（PU）和离子液体形成的互穿网络。b)不同功能化度的聚氨酯的应力-应变曲线。c)不同功能化度的聚氨酯的杨氏模量和断裂伸长率的比较。d)聚（离子液体）（PILs）聚合前后的FT-IR光谱。e)聚氨酯在离子液体中的溶胀和脱溶曲线。f)聚氨酯和PILs互穿聚氨酯的透明度比较。蛇形电路位于聚氨酯下方的纸上，虚线圆内的区域是PILs互穿聚氨酯。g)溶胀12小时前后PILs互穿聚氨酯的照片。插图是水滴在聚氨酯和PILs互穿聚氨酯表面接触角的照片。

图2.a-f)通过书写（a、d和f的左列）、盖印（b、e）和喷墨打印（c和f的右列）制备的图案的插图和光学照片。黑色标尺：5毫米。g)离子电路的横截面及其普通显微镜和荧光显微镜的光学图像。h)区域I和区域II中氟和磷的EDS强度。i-k)横截面的SEM和EDS图像。

图3. a，b)沙纸磨损和胶带剥离的示意图及电阻变化。c，d)磨损前后离子电路的SEM和EDS图像。e，f)沙纸磨损前(e)和磨损后(f)氟和磷元素的强度。g)不同湿度条件下离子电路的电稳定性。h，i)振荡搅拌水侵蚀下离子电路的电阻变化。

图4. a，b)测试方法示意图(a)和电极离子网络示意图(b)。c)离子网络上的温度、压力和压制形状。d)不同温度、压力和压制形状下电信号识别过程的示意图，包括信号输入、模型训练和预测。e–g)不同温度、压力和压制形状下分类结果的混淆矩阵。h–j)温度、压力和压制形状预测的ROC曲线及AUC面积。

研究结论

本研究介绍了一种用于离子电路的新型耐磨图案化技术——DIIW（动态互穿网络离子写入技术）。PIL（聚离子液体）与PU（聚氨酯）互穿网络的引入赋予了离子电路显著的抗损伤能力。该方法操作简便，支持通过直接书写、压印和喷墨打印等多种方式进行图案化。重要的是，磨损评估表明，通过DIIW技术制备的离子电路因其互穿网络结构而表现出优异的耐磨性。此外，与传统的水凝胶基离子电路相比，这些电路对湿度变化不敏感，更适合长期使用。 此外，通过该方法构建的离子网络对温度、压力和形状变化等外部刺激具有电响应性，且这种响应可通过机器学习进行感知。鉴于离子材料领域的发展以及电路性能提升的迫切需求，我们预期这种离子电路图案化技术将在推动离子器件领域的发展中发挥重要作用。

参考文献

https://doi.org/10.1002/adfm.202413434