陳濤潘曹峰王中林《先進材料》壓敏粘合自愈人機交互觸摸板水凝膠

2020-11-19 12:40:08 4772 views
摘要

相關論文Bioinspired Self‐Healing Human–Machine Interactive Touch Pad with Pressure‐Sensitive Adhesiveness on Targeted Substrates發表在11月《Advanced Materials》

【科研成果】


開發下一代觸摸板的興趣日益濃厚,這些觸摸板需要可拉伸性和生物相容性,以使其與人體整合,甚至模仿自我修復行為,並在損壞時快速恢復功能。但是,大多數觸摸板都是基於硬而脆的電極開發的,缺乏自愈的重要性質。最近,中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤中國科學院北京納米能源與系統研究所優青潘曹峰/王中林院士開發了聚兩性離子-粘土納米複合水凝膠作為一種柔軟,可拉伸和透明的離子導體,具有98.8%的透射率和超過1500%的斷裂應變,可用作自黏附自修復人機交互觸摸板,採用表面電容觸摸系統來感測觸摸位置。在逐點觸摸和連續移動過程中都可以感覺到手指的位置。水凝膠觸摸板粘附到彎曲或平坦的絕緣體上,通過繪畫,書寫和玩電子遊戲展示了高解析度和可自修復的輸入功能。相關論文Bioinspired Self‐Healing Human–Machine Interactive Touch Pad with Pressure‐Sensitive Adhesiveness on Targeted Substrates發表在11月《Advanced Materials》上


陳濤潘曹峰王中林《先進材料》壓敏粘合自愈人機交互觸摸板水凝膠


【圖文解析】

一維水凝膠觸摸條的結構如圖1a所示。條帶的兩端連接到銅電極和外部電阻(Re),然後連接到相同的交流(AC)電源。通過兩個相同的Re將相同相位的交流電壓(17 kHz,±0.6 V)施加到帶的兩端。 由於電極和電解質中的電荷是分開的,因此在電極/水凝膠界面中會形成雙層電容量(CEDL)。當手指觸摸時,在手指/水凝膠界面上會形成耦合電容(Cfinger),從而使電流通過人體流到手指和地面。水凝膠條是虛擬電阻(Rh),用手指分為兩部分,每一部分的電阻值與其標準化長度成正比,即圖1a中的x和1-x。

陳濤潘曹峰王中林《先進材料》壓敏粘合自愈人機交互觸摸板水凝膠

圖1 自愈和粘性兩性離子-粘土納米複合水凝膠的位置感應。

水凝膠網路由剝落的納米粘土通過可逆吸附(圖1b)與交聯的聚兩性離子組成,而移動的Na+離子則來自納米粘土作為電流載體。 然後,聚合物鏈進一步擴散,直到跨界面發生相鄰納米粘土的橋接(圖1c),這導致了癒合效率的提高。


為了提供舒適的觸感並避免水蒸發,作者在水凝膠上覆蓋了100μm厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜。隨著PDMS的存在,Cfinger仍然存在,並且水凝膠條仍顯示出手指的定位能力。為了實現無縫的PDMS-水凝膠粘合,在PDMS表面合成了水凝膠。 簡而言之,將PDMS膜固定在玻璃模具的內表面上,然後注入水凝膠前體,然後進行聚合。膜與水凝膠的無縫接觸以及水凝膠中的極性基團確保了PDMS與水凝膠的穩定粘附。通過搭接剪切和90°剝離試驗,PDMS-水凝膠粘附力的剪切強度和界面韌性分別為3.9 kPa和73 J m-2。在剝離PDMS的過程中,通過粘附力將水凝膠從桌子上抬起。 從重量-時間曲線和乾燥器中樣品隨時間變化的尺寸變化可以看出,PDMS覆蓋的水凝膠的失水率明顯低於裸露的水凝膠,這表明水凝膠表面覆蓋的PDMS可有效延遲水凝膠的蒸發 。


透明水凝膠可拉伸至超過1500%的應變(圖2a,b),斷裂應力為88 kPa(圖2b),並且在400–800 nm的波長範圍內顯示出98.8%的平均透射率(圖2c)。PDMS的骨折點為696%±121%。在PDMS覆蓋的水凝膠的拉伸測試過程中,PDMS首先以580–721%的應變斷裂(圖2b),然後水凝膠穩定地伸長直到斷裂。PDMS覆蓋了一個和兩個表面的水凝膠的平均透射率分別為98.6%和98.2%。覆蓋PDMS的水凝膠即使在摺疊,滾動,扭曲然後展開後(圖2d),或在應變為500%(圖2e)時,也具有很高的透明度。高拉伸性和透明度使水凝膠和PDMS覆蓋的水凝膠適合用作柔軟的觸摸板。


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圖2 水凝膠和PDMS覆蓋的水凝膠的可拉伸性和透明度。


水凝膠是對各種固體表面的壓敏粘合劑。該文內相關視頻還顯示了水凝膠片粘附在平坦或彎曲的絕緣基材上,包括濾紙,玻璃,丁腈橡膠,木材,棉織物,聚對苯二甲酸乙二酯(PET),丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),VHB膠帶,硅橡膠,尼龍,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)通過貼合和輕壓而製成。粘附的水凝膠片支撐其重量而不是向下爬行(圖3a)。通過搭接剪切(圖3b)和90°剝離(圖3c)測試評估了水凝膠與基材的粘合性能,並總結了這些水凝膠的剪切強度和界面韌性 –基材附著力(圖3d)。


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圖3 水凝膠的壓敏粘合力


水凝膠的機械性能和電導率可自我修復。通過延長在PE密封膜中的儲存時間,可將接縫後水凝膠的拉伸性能逐漸恢復(圖4a)。切割後立即加入,可以將水凝膠拉伸至323%的應變和7.2 kPa的應力。 在25°C癒合24小時後,水凝膠的最大拉伸應變為1492%,應力為63.5 kPa,接近於未破裂的水凝膠,就斷裂應變而言,其修復效率為98%。 圖4b顯示了兩個新切割的部分在連接後立即無縫整合在一起,然後進行拉伸。瞬時癒合可重建水凝膠中的離子通道,從而恢複電導率。如圖4c所示,切割後接縫的水凝膠中的直流電在21 s內恢復。

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圖4 一維觸摸條的自我修復和操作。


自愈後,水凝膠的手指定位功能也會恢復。作者以大約恆定的速度將手指從x = 0移至PDMS覆蓋的水凝膠觸摸條上(圖4d)。記錄的峰值V1電壓隨時間連續線性下降。當切割同一條帶然後將其連接時,在其上移動手指仍會導致峰值V1電壓連續且線性變化(圖4e)。在剪切然後加入之前和之後,都使用觸摸板來演奏鋼琴遊戲。條帶自粘到尼龍棒上。觸摸水凝膠後面標記的音符位置,播放一首著名的歌曲,叮噹鈴(見原文視頻)。播放時,會記錄產生的觸摸電壓,並由計算機同步轉換為相應的視頻和音頻信號。接下來,切下條形,然後將切割面連接在一起(圖4f)。通過播放同一首歌曲,已治癒的音樂帶恢復了其輸入功能(圖4g)。


為了驗證這種機制,我們沿著2D水凝膠觸摸板的對角線逐點觸摸了17個點(圖5a),並按時間記錄了V1,V2,V3和V4電壓。圖5b顯示了這些觸摸點的峰值電壓(U1,U2,U3和U4)。當手指遠離電壓表時,相應的峰值觸摸電壓會降低。


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圖5 手指位置和2D觸摸板的操作。


基於聚合物水凝膠觸摸板的2D位置,作者進行了進一步的實驗,以將觸摸板用作可穿戴輸入設備。 VHB 4910膠帶被用作水凝膠與人體之間的絕緣墊片。覆蓋PDMS的水凝膠粘附在膠帶表面上。然後,將金屬線插入到膠帶-水凝膠界面的四個角,並將水凝膠連接到計算機(圖6a)。作者將觸摸板戴在手臂上,並曾經玩過著名的電子遊戲憤怒的小鳥。觸摸板共形地粘附在手臂上(圖6b),這得益於VHB膠帶,水凝膠和PDMS的柔軟功能。當手指觸摸觸摸板上的任何位置時,將激活遊戲中的彈弓(圖6b)。一隻小鳥攜帶的彈弓通過在觸摸板上移動手指而拉長並拉緊(圖6c)。在手指移動過程中,計算機記錄了手指的位置,並計算了移動長度,將其轉換為彈弓的拉長長度。當手指移開時,小鳥被向上發射(圖6d),然後擊中目標(圖6e)


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圖6可穿戴觸摸板的操作。


參考文獻:

doi.org/10.1002/adma.202004290


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