Nylon verkar vara material val för piezoelektriska textilier, eftersom textilindustrin baserad på nylon har varit mycket mogen, och nylon har också en bekväm piezoelektrisk kristall fas. Om du trycker på den, kommer du att få en perfekt laddning ackumulering. Tryckavkänning och skörd energi från miljörörelsen.
Det är dock inte enkelt att bilda nylon till en fiber samtidigt som det ger en piezoelektrisk kristallstruktur. Kamal Asadi, forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland och professor vid University of Bath i Storbritannien, förklarade: "Detta är nästan en utmaning för ett halvt sekel." I en färsk rapport "Advanced Functional Materials" beskrev han och hans medarbetare hur de löste problemet.
Den piezoelektriska fasen av nylon är inte bara attraktiv för elektroniska textilier, men också attraktiv för olika elektroniska apparater, särskilt för traditionell piezoelektrisk keramik med hög sprödhet. Men i årtionden, det enda sättet att producera kristallin nylon med en stark piezoelektrisk respons är att smälta den, kyla den snabbt, och sedan sträcka den för att kondensera till en δ'fas. Den resulterande strukturen är vanligtvis tiotals mikrometer tjock, som är för tjock för elektronisk utrustning eller elektroniska textilapplikationer.
Förekomsten av "piezoelektriska beteende" härrör från amidgrupper på de upprepande enheterna i nylon polymer kedjan och samspelet mellan dem och amidgrupper på de intilliggande kedjorna. När dessa amider fritt anpassa sina dipoler med det elektriska fältet, är det möjligt att dra nytta av den piezoelektriska effekten i materialet, som först observerades så tidigt som på 1980-talet. Men vad som händer i de flesta kristallina faser av nylon är att dessa amider bildar starka vätebindningar med amider på andra polymerkedjor, låsa sina positioner och hindrar dem från att omorientera och anpassa. Därför är utmaningen vi står inför att hitta ett sätt att producera en fas som gör det möjligt för amidet att omorientera fritt utan att begränsa den morfologi den producerar under smältning, kylning och stretching.
När de flesta forskargrupper i världen hade gett upp ansträngningarna att producera piezoelektriska filmer eller fibrer på 1990-talet, kom Asadis grupp till en "enastående student av textilingenjör" Saleem Anwar, vilket fick Asadi att uppmärksamma denna fråga. . Forskarna övervägde först de grundläggande faktorerna för att producera nylon i en fas med starka piezoelektriska egenskaper. Metoden för smältning, kylning och sträckning beror på snabbt kylande nylon, så Asadi och Anwar och deras medarbetare studerade hur man får samma effekt genom att lösa upp nylon i ett lösningsmedel och sedan snabbt extrahera lösningsmedlet. Lösningsmedel tenderar dock att lösa upp nylon genom att attackera vätebindningarna mellan amiderna och bilda vätebindningar i sina positioner, så det är nästan omöjligt att bli av med lösningsmedlet.
En dag, när Anwar använde aceton för att städa upp efter ett experiment, berättade han Asadi en märklig iakttagelse att han hade försökt att använda trifluoroättik syra (TFA) som ett lösningsmedel för att producera nylonfilm och gjorde ett genombrott. Den överfyllda nylonlösningen blev genomskinlig. Teamet misstänkte att den plötsliga öppenheten måste indikera en reaktion, så de använde trifluoroacetic syra och aceton för att göra en lösning och försökte använda den för att bearbeta nylon. Visst nog, följande vecka, forskarna fått önskat resultat.
Anwar upptäckte av misstag vätebindningen mellan aceton och TFA, som är en av de starkaste vätebindningarna som är kända i det vetenskapliga samfundet. Därför, när forskarna sprider lösningen på ett högvakuum substrat för att avdunsta lösningsmedlet, som Asadi sa: "Det är nästan som aceton håller TFA molekyler i handen, föra dem ur nylon, skapa en piezoelektrisk kristall fas."
Forskaren var den första att producera en nylonfilm med ett starkt piezoelektriskt svar. Men detta löser inte helt problemet med att producera fibrer, eftersom produktionsmetoden fortfarande är oförenlig med högt vakuum. Så de studerade andra sätt att kontrollera lösningsmedelsextraktionshastigheten. De fokuserade på produktion av fibrer genom elektrospinning. I elektrospinningsprocessen lockar det elektriska fältet in polymerlösningen i fibrerna med en så liten diameter som tiotals nanometer i bredd. Fiberns höga ytområdesförhållande ger hög lösningsmedelsextraktion. Betygsätt. Sedan är nyckeln att balansera detta med polymerlösningens viskositet och elektrospinningsförhållanden så att andra faktorer inte hindrar bildning av fibrer i den dyrbara δ'stage.
Forskare har funnit att fibrer om 200 nanometer bred har en "sweet spot" bland konkurrerande faktorer. Mätresultaten av den potential som genereras under en periodisk mekanisk chock med en frekvens på 8 Hz visar att 200-nanometer δ'fas fiber genererar 6 V, medan den smalare fiber genererar mindre än 0,6 V på grund av dessa bredder. Faktorer relaterade till smalhet orsakar den fas som bildas av fibern att inte ha någon piezoelektrisk respons.
I själva verket, i en bred fiber runt 1000nm, fibern är för tjock för att extrahera lösningsmedlet effektivt och snabbt. Nylon bildar en γ kristallin fas med endast en svag piezoelektrisk respons. I tjockare fibrer är den piezoelektriska responsen av γ-fasen dålig, vilket kompenseras till viss del av den större fibervolymen, vilket resulterar i en 4V-potential. Men 200nm δ'fas fiber har fortfarande fördelen av ett känsligare svar.
