3D Printable Strain Sensors from Deep Eutectic Solvents and Cellulose Nanocrystals

材料科学 自愈水凝胶 纳米复合材料 化学工程 深共晶溶剂 丙烯酸 光致聚合物 乙二醇 纳米技术 共晶体系 复合材料 聚合物 高分子化学 工程类 单体 合金 聚合
作者
Chun-Wei Lai,Shengsheng Yu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (30): 34235-34244 被引量:191
标识
DOI:10.1021/acsami.0c11152
摘要

Stretchable and conductive hydrogels have been intensively studied as wearable electronics to monitor the physiological activities of human bodies. However, it remains a challenge to fabricate robust hydrogels as sensors with complex 3D structures. Here, we designed a 3D printable ink from cellulose nanocrystals (CNCs), deep eutectic solvents (DESs), and ionically cross-linked polyacrylic acid (PAA). DESs composed of choline chloride and ethylene glycol served as a nonvolatile medium with high ionic conductivity. The dispersion of CNCs in a mixture of DESs, acrylic acid, and Al 3+ ions formed ionogels with a reversible physical network for 3D printing. After the printing process, the ionogel was solidified by the photopolymerization of acrylic acid in the presence of Al 3+ ions to form a second ionically cross-linked network. The first physical network of CNCs provides an energy-dissipating mechanism to make a strong and highly stretchable nanocomposite ionogel. When compared to hydrogels, we found that the DES/CNC nanocomposite ionogel was more stable in the air because of the low volatility of DESs. We further used the DES/CNC ink to 3D print an auxetic sensor with negative Poisson’s ratios so that the sensor provided a conformal contact with the skin during large deformation. In addition, the auxetic sensor could continuously monitor and identify different motions of the human body by the change in resistance. These results demonstrate a simple and rapid strategy to fabricate stable and sensitive strain sensors from cheap and renewable feedstock.
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