中国林科院木材所 CEJ：双分子互穿网络助力液态金属直写成型3D打印-制备超柔性电子器件

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柔性电子材料在软体机器人、可穿戴设备、植入设备等领域展现了巨大的应用潜力。液态金属（LM）因其流动性、高电导性、无毒、可回收，成为理想的柔性电子制造材料。

中国林业科学研究院木材工业研究所陈媛副研究员、卢芸研究员、国家林业和草原局竹子研究开发中心郭登康助理研究员联合开发了LM基柔性电子器件直写成型（DIW）3D打印技术，该DIW 3D打印策略基于生物质纳米纤维素纤维（CNF）和水性聚氨酯（WPU）的双分子互穿网络结构，形成超分子界面有效包载液态金属，制备DIW打印墨水，并研制了柔性电子器件整体打印技术。该工作展示了三元体系精准的打印能力、LM基电子器超柔特性和灵敏的电响应能力，有望实现柔性电子器件的精准、规模化打印生产。相关工作“Revolutionizing flexible electronics: integrating liquid metal DIW 3D printing by bimolecular interpenetrating network”发表在Chemical Engineering Journal上。

TEMPO氧化纤维素纳米纤维（CNF）作为乳化剂和增粘剂，水性聚氨酯（WPU）作为柔性分子链条结构，通过均质分散形成双分子网络结构，其表面羟基/羧基和LM表面氧化镓层（Ga₂O₃）形成超分子界面，实现对LM微滴的稳定包裹，不但解决了液态金属柔性电子器件中LM泄露问题，同时建立了打印性能优异的LM基三元体系。3D打印材料的形状、尺寸和层数由计算机设计精确控制。本研究展示了两种类型的3D打印电子器件：一步法打印CNF/WPU/LM超柔性导电膜；两步全打印技术制备的半封闭/全封闭电子器件。全打印设计极大提升了基芯嵌入式电路和基芯封装电路的灵活性。

液态金属打印油墨与打印过程示意图

 液态金属打印油墨性质与打印材料的柔性和导电性

机械性能对于柔性电子产品的可靠性至关重要。本研究评估了打印线条方向、湿度和干燥方法对机械性能的影响。3D打印的CNF/WPU/LM薄膜（5mm宽），可以支撑2.12 kg的金属块；打印电子器件在50%高度压缩下经过500次两点弯曲循环，表观形貌基本保持不变，且呈现优异的循环稳定性。循环动态弯曲和180°循环翘曲弯曲均说明3D打印LM电子器件的稳定性、电灵敏性和耐用性。这种LM基DIW 3D打印技术能够生产大规模、复杂的导电图案，通过按压或刮擦激活，实现打印电子器件精确的电响应，该技术可有望广泛应用于LM基打印领域，如可编程电子传感器、柔性电子器件、软机器人和可穿戴技术电路领域。

打印LM电子器件的机械性能

 柔性电子器件展示

该工作受到中国林业科学研究院国家自然基金优青配套项目 (CAFYBB2022XD004)的资助。

原文链接：

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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