新方法使尼龙成为竞争性压电纺织品

尼龙似乎是压电纺织品的首选材料，因为基于尼龙的纺织工业已经非常成熟，并且尼龙还具有方便的压电晶体相。如果点击它，您将获得完美的电荷积累，可用于压力感应和环境运动中的能量收集。然而，在赋予尼龙压电晶体结构的同时将尼龙制成纤维并不简单。德国马克斯·普朗克聚合物研究所的研究员，英国巴斯大学的教授Kamal Asadi解释说：“这几乎是半个世纪以来的挑战。”在最近的“高级功能材料”报告中，他和他的合作者描述了他们如何解决该问题。尼龙的压电相不仅对电子纺织品具有吸引力，而且对各种电子设备也具有吸引力，特别是对于具有高脆性的传统压电陶瓷而言。

然而，几十年来，生产具有强压电响应的结晶尼龙的唯一方法是将其熔融，快速冷却，然后拉伸使其凝结成平滑的δ'相。最终的结构通常为几十微米厚，对于电子设备或电子纺织品应用而言，该厚度太厚。压电行为归因于尼龙聚合物链中重复单元上的酰胺基以及它们与相邻链上酰胺基之间的相互作用。当这些酰胺使它们的偶极子与电场自由对准时，就有可能利用材料中的压电效应，这种效应最早可追溯到1980年代。然而，在尼龙的大多数结晶相中发生的是，这些酰胺与其他聚合物链上的酰胺形成牢固的氢键，从而锁定了它们的位置并阻止了它们的重新取向和排列。因此，我们面临的挑战是找到一种生产不含酰胺的方法地面的重新定向不能限制在熔化，冷却和拉伸过程中产生的形貌相。 1990年代，当世界上大多数研究小组放弃生产压电薄膜或纤维的努力时，Asadi的研究小组遇到了一位“纺织工程师的杰出学生” Saleem Anwar，这促使Asadi关注这一问题。 。研究人员首先考虑了在具有强压电特性的相中生产尼龙的基本因素。熔化，冷却和拉伸的方法取决于迅速冷却尼龙，因此Asadi和Anwar及其合作者研究了如何通过将尼龙溶解在溶剂中然后快速提取溶剂来获得相同的效果。但是，溶剂倾向于通过侵蚀酰胺之间的氢键来溶解尼龙，并在其位置形成氢键，因此几乎不可能摆脱溶剂。

一天，安瓦尔经过实验后用丙酮清洗时，他告诉阿萨迪一个奇怪的发现，他曾尝试使用三氟乙酸（TFA）作为溶剂生产尼龙薄膜，并取得了突破。溢出的尼龙溶液变成透明的。该小组怀疑突然的透明性一定表明有反应，因此他们用三氟乙酸和丙酮制成溶液，并试图用它来加工尼龙。果然，接下来的一周，研究人员获得了预期的结果。安瓦尔意外发现的是丙酮和TFA之间的氢键，这是科学界已知的最强的氢键之一。因此，当研究人员将溶液散布在高真空基质上以蒸发溶剂时，正如Asadi所说：“这就像丙酮用手握住TFA分子，将其从尼龙中带出来，形成压电晶体相。”员工是第一个生产具有强压电响应性的尼龙薄膜的人。但这并不能完全解决生产纤维的问题，因为生产方法仍然高真空不兼容。因此，他们研究了控制溶剂萃取速率的其他方法。他们专注于通过静电纺丝生产纤维。在静电纺丝过程中，电场将聚合物溶液吸引到直径仅为几十纳米的宽度的纤维中。纤维的高表面积比产生高溶剂萃取。率。然后，关键是要在聚合物溶液的粘度和静电纺丝条件之间取得平衡，以便其他因素不会阻止在宝贵的δ'阶段形成纤维。研究人员发现，大约200纳米宽的纤维在竞争因素中有一个“最佳点”。在频率为8 Hz的周期性机械冲击下产生的电势的测量结果表明，200纳米的δ'相光纤产生6 V，而较窄的光纤由于这些宽度而产生的电压小于0.6V。与窄度有关的因素导致由纤维形成的相没有压电响应。实际上，在大约1000nm的宽纤维中，由于纤维太粗而无法高效，快速地提取溶剂，因此尼龙形成的γ相仅具有较弱的压电响应。在较粗的纤维中，γ相的压电响应较差，这在一定程度上被较大的纤维体积所补偿，从而产生了4V的电势。但是，200nmδ'相光纤仍然具有响应更灵敏的优点。