Полимерные проводящие нанокомпозиты, особенно те, которые включают углеродные нанотрубки (УНТ), весьма перспективны для разработки гибкой электроники, мягкой робототехники и носимых устройств. Однако с УНТ сложно работать, поскольку они имеют тенденцию к агломерации, что затрудняет получение однородной дисперсии. Более того, традиционные методы ограничивают контроль над распределением и формой УНТ.
Преодоление проблем
Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи обращаются к методам аддитивного производства (АП) или 3D-печати, таким как ват-фотополимеризация (ВФП), которые обеспечивают отличную свободу проектирования с высокой точностью печати.
В этом методе для выборочного отверждения и затвердевания слоёв чернил в ванне используется свет, постепенно создавая 3D-объект. Несмотря на преимущества, этот метод также сопряжён с рядом проблем. Присутствие УНТ влияет на печатные свойства и свойства отверждения чернил. Кроме того, одновременное достижение высокой эластичности и электрической проводимости является серьёзной задачей.
Успехи исследовательской группы
Исследовательская группа под руководством профессора Кюн Пака и доцента Сунчжэ Пё из Департамента проектирования механических систем в Сеульском национальном университете науки и технологий в Корее успешно изготовила высокоэластичные электропроводящие нанокомпозиты с УНТ, используя 3D-печать типа ВФП.
«Наши новые нанокомпозиты с УНТ оптимизированы специально для процессов на основе ВФП, что позволяет изготавливать высокосложные 3D-структуры», — объясняет профессор Пак. «Мы также использовали эти материалы для аддитивного производства новых пьезорезистивных датчиков и интегрировали их в носимое устройство для мониторинга здоровья».
Их исследование опубликовано в журнале Composite Structures.
Команда сначала подготовила полимерные нанокомпозитные чернила путём равномерного диспергирования многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) в смоле алифатического уретана диакрилата (АУД) с концентрацией от 0,1 до 0,9% по весу. Для достижения однородной дисперсии они перемешивали смесь ультразвуковыми волнами. Затем подготовленные чернила были проанализированы для определения оптимальных условий печати.
Результаты показали, что состав с 0,9% УНТ по весу обеспечивает наилучший баланс свойств. Материал может растягиваться до 223% от первоначальной длины, прежде чем порвётся, при этом достигая замечательной электрической проводимости 1,64 × 10⁻³ S/м, превосходящей ранее сообщённые значения. Также было достигнуто разрешение печати 0,6 мм.
Для демонстрации практической применимости исследователи использовали оптимизированный нанокомпозит с УНТ для 3D-печати гибких пьезорезистивных датчиков на основе трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМ), которые показали высокую чувствительность и надёжную работу. Важно отметить, что они интегрировали эти датчики в стельку для создания платформы интеллектуальной стельки.
Используя эту платформу, команда может отслеживать распределение давления на нижней части стопы в режиме реального времени, обнаруживая различные движения и позы человека.
«Разработанное устройство демонстрирует потенциал наших нанокомпозитов с УНТ для 3D-печати следующего поколения высокоэластичных и проводящих материалов», — сказал профессор Пё. «Мы считаем, что эти материалы будут незаменимы для носимых устройств мониторинга здоровья, гибкой электроники и умного текстиля».
Предоставлено Сеульским национальным университетом науки и технологий.