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《产业用纺织品》
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科技资讯
新方法让尼龙成为有竞争力的压电纺织品
时间:2020年11月11日

    尼龙似乎是压电纺织品的首选材料,因为以尼龙为基础的纺织业已经很成熟了,而且尼龙还具有方便的压电结晶相,如果轻拍它,就会得到一个完美的电荷积累,用于压力感应和从环境运动中收集能量。

  不过,将尼龙形成纤维,同时让它具有压电反应的晶体结构并不简单。德国马克斯-普朗克聚合物研究所研究员、英国巴斯大学教授Kamal Asadi解释说:"这几乎是半个世纪以来的一个挑战。"在最近的一份《Advanced Functional Materials》报告中,他和他的合作者描述了他们是如何解决这个问题的。

  尼龙的压电相不仅对电子纺织品有吸引力,其实对各种电子设备都有吸引力,尤其对脆性高的传统压电陶瓷更有需求。然而,几十年来,生产具有强烈压电响应的结晶相尼龙的唯一方法是将其熔化,迅速冷却,然后拉伸,使其凝结成光滑的δ'相。这产生的结构通常有几十微米厚,对于电子设备或电子纺织品的应用来说,太厚了。

  压电行为的存在源于尼龙聚合物链中重复单元上的酰胺基团,以及它们与邻近链上的酰胺基团之间的相互作用。当这些酰胺自由地将它们的偶极子与电场对齐时,就有可能利用材料中的压电效应,这一点早在20世纪80年代就被首次观察到。然而,在尼龙的大多数晶相中发生的情况是,这些酰胺与其他聚合物链上的酰胺形成强烈的氢键,锁定它们的位置,阻止它们重新定向和对齐。因此,我们面临的挑战是要找到一种方法,生产出既能让酰胺自由地重新定向,又能在熔融、冷却和拉伸过程中不至于限制其产生的形态的相。

  当世界上大多数研究小组在20世纪90年代已经放弃了生产压电薄膜或纤维的努力时,Asadi的小组里来了一位"纺织工程师的优秀学生"Saleem Anwar,这促使Asadi开始关注这个问题。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。熔融、冷却和拉伸的方法取决于快速冷却尼龙,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,然后快速提取该溶剂来获得相同的效果。然而,溶剂往往会通过攻击酰胺之间的氢键来溶解尼龙,并在其位置上形成氢键,因此几乎不可能摆脱溶剂。

  有一天,Anwar在一次实验后用丙酮清理时,告诉Asadi一个奇怪的观察结果,他曾尝试用三氟乙酸(TFA)作为溶剂生产尼龙薄膜,取得了突破性的进展。溢出的尼龙溶液变成了透明的。团队怀疑突然的透明一定说明发生了反应,于是用三氟乙酸和丙酮制成溶液,并尝试用它加工尼龙。果然,接下来的一周,研究人员获得了想要的结果。

  Anwar偶然发现的是丙酮和TFA之间的氢键,这是科学界已知的最强氢键之一。因此,当研究人员将溶液铺在高真空的基板上蒸发溶剂时,正如Asadi所说:"简直就像丙酮牵着TFA分子的手,将它们带出尼龙,产生了压电晶相。"

  研究人员是第一个生产出具有强烈压电反应的尼龙薄膜的人。但这并没有完全解决生产纤维的问题,因为生产方法仍然与高真空不兼容。于是他们研究了其他可以控制溶剂萃取率的方法。他们把重点放在了通过电纺生产纤维上,在电纺过程中,电场将聚合物溶液吸引到直径可以小到几十纳米宽的纤维中,纤维的高表面积比产生了很高的溶剂萃取率。然后,关键是平衡这一点与聚合物溶液的粘度和电纺条件,以便其他因素不妨碍纤维在珍贵的δ'阶段形成。

  研究人员发现,200纳米宽左右的纤维在竞争因素之间有一个“甜蜜点”。在频率为8赫兹的周期性机械冲击下产生的电位测量结果显示,200纳米的δ'相纤维产生了6个V,而更窄的纤维产生的电压不到0.6个V,因为在这些宽度上与窄度相关的因素导致纤维形成的相位没有压电响应。

  事实上,在1000nm左右的较宽纤维中,由于纤维太粗,无法有效地快速提取溶剂,尼龙形成的是γ结晶相,只有微弱的压电响应。较粗的纤维中γ相的压电响应较差,在某种程度上被纤维体积较大导致产生4V的电位所补偿。但是,200nm的δ'相纤维仍然具有更灵敏的响应的优势。

  论文标题为《Piezoelectric Nylon11 Fibers for Electronic Textiles, Energy Harvesting and Sensing》。

  (来源:科技报告与资讯)

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