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    科技資訊
    新方法讓尼龍成為有競爭力的壓電紡織品
    時間:2020年11月11日

        尼龍似乎是壓電紡織品的首選材料,因為以尼龍為基礎的紡織業已經很成熟了,而且尼龍還具有方便的壓電結晶相,如果輕拍它,就會得到一個完美的電荷積累,用于壓力感應和從環境運動中收集能量。

      不過,將尼龍形成纖維,同時讓它具有壓電反應的晶體結構并不簡單。德國馬克斯-普朗克聚合物研究所研究員、英國巴斯大學教授Kamal Asadi解釋說:"這幾乎是半個世紀以來的一個挑戰。"在最近的一份《Advanced Functional Materials》報告中,他和他的合作者描述了他們是如何解決這個問題的。

      尼龍的壓電相不僅對電子紡織品有吸引力,其實對各種電子設備都有吸引力,尤其對脆性高的傳統壓電陶瓷更有需求。然而,幾十年來,生產具有強烈壓電響應的結晶相尼龍的唯一方法是將其熔化,迅速冷卻,然后拉伸,使其凝結成光滑的δ'相。這產生的結構通常有幾十微米厚,對于電子設備或電子紡織品的應用來說,太厚了。

      壓電行為的存在源于尼龍聚合物鏈中重復單元上的酰胺基團,以及它們與鄰近鏈上的酰胺基團之間的相互作用。當這些酰胺自由地將它們的偶極子與電場對齊時,就有可能利用材料中的壓電效應,這一點早在20世紀80年代就被首次觀察到。然而,在尼龍的大多數晶相中發生的情況是,這些酰胺與其他聚合物鏈上的酰胺形成強烈的氫鍵,鎖定它們的位置,阻止它們重新定向和對齊。因此,我們面臨的挑戰是要找到一種方法,生產出既能讓酰胺自由地重新定向,又能在熔融、冷卻和拉伸過程中不至于限制其產生的形態的相。

      當世界上大多數研究小組在20世紀90年代已經放棄了生產壓電薄膜或纖維的努力時,Asadi的小組里來了一位"紡織工程師的優秀學生"Saleem Anwar,這促使Asadi開始關注這個問題。研究人員首先考慮了在具有強壓電特性的相中生產尼龍的基本因素。熔融、冷卻和拉伸的方法取決于快速冷卻尼龍,因此Asadi和Anwar及其合作者研究了如何通過將尼龍溶解在溶劑中,然后快速提取該溶劑來獲得相同的效果。然而,溶劑往往會通過攻擊酰胺之間的氫鍵來溶解尼龍,并在其位置上形成氫鍵,因此幾乎不可能擺脫溶劑。

      有一天,Anwar在一次實驗后用丙酮清理時,告訴Asadi一個奇怪的觀察結果,他曾嘗試用三氟乙酸(TFA)作為溶劑生產尼龍薄膜,取得了突破性的進展。溢出的尼龍溶液變成了透明的。團隊懷疑突然的透明一定說明發生了反應,于是用三氟乙酸和丙酮制成溶液,并嘗試用它加工尼龍。果然,接下來的一周,研究人員獲得了想要的結果。

      Anwar偶然發現的是丙酮和TFA之間的氫鍵,這是科學界已知的最強氫鍵之一。因此,當研究人員將溶液鋪在高真空的基板上蒸發溶劑時,正如Asadi所說:"簡直就像丙酮牽著TFA分子的手,將它們帶出尼龍,產生了壓電晶相。"

      研究人員是第一個生產出具有強烈壓電反應的尼龍薄膜的人。但這并沒有完全解決生產纖維的問題,因為生產方法仍然與高真空不兼容。于是他們研究了其他可以控制溶劑萃取率的方法。他們把重點放在了通過電紡生產纖維上,在電紡過程中,電場將聚合物溶液吸引到直徑可以小到幾十納米寬的纖維中,纖維的高表面積比產生了很高的溶劑萃取率。然后,關鍵是平衡這一點與聚合物溶液的粘度和電紡條件,以便其他因素不妨礙纖維在珍貴的δ'階段形成。

      研究人員發現,200納米寬左右的纖維在競爭因素之間有一個“甜蜜點”。在頻率為8赫茲的周期性機械沖擊下產生的電位測量結果顯示,200納米的δ'相纖維產生了6個V,而更窄的纖維產生的電壓不到0.6個V,因為在這些寬度上與窄度相關的因素導致纖維形成的相位沒有壓電響應。

      事實上,在1000nm左右的較寬纖維中,由于纖維太粗,無法有效地快速提取溶劑,尼龍形成的是γ結晶相,只有微弱的壓電響應。較粗的纖維中γ相的壓電響應較差,在某種程度上被纖維體積較大導致產生4V的電位所補償。但是,200nm的δ'相纖維仍然具有更靈敏的響應的優勢。

      論文標題為《Piezoelectric Nylon11 Fibers for Electronic Textiles, Energy Harvesting and Sensing》。

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