Nylon synes at være det valgmateriale til piezoelektriske tekstiler, fordi tekstilindustrien baseret på nylon har været meget moden, og nylon har også en bekvem piezoelektrisk krystalfase. Hvis du trykker på det, vil du få en perfekt ophobning. Trykfølsomning og høst af energi fra miljøbevægelser.
Men det er ikke nemt at danne nylon i en fiber og samtidig give det en piezoelektrisk krystal struktur. Kamal Asadi, en forsker ved Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland og en professor ved University of Bath i Storbritannien, forklarede: "Dette er næsten en udfordring for et halvt århundrede." I en nylig rapport om "Advanced Functional Materials" beskrev han og hans samarbejdspartnere, hvordan de løste problemet.
Den piezoelektriske fase af nylon er ikke kun attraktiv for elektroniske tekstiler, men også attraktiv for forskellige elektroniske enheder, især for traditionel piezoelektrisk keramik med høj skørhed. Men i årtier, den eneste måde at producere krystallinsk nylon med en stærk piezoelektrisk reaktion er at smelte det, køle det hurtigt, og derefter strække det til at kondensere ind i en glat δ'phase. Den resulterende struktur er normalt snesevis af mikron tyk, som er for tyk til elektronisk udstyr eller elektroniske tekstil applikationer.
Eksistensen af "piezoelektrisk adfærd" stammer fra amidgrupperne på de gentagne enheder i nylonpolymerkæden og samspillet mellem dem og de midtgrupper på de tilstødende kæder. Når disse amider frit tilpasse deres dipoler med det elektriske felt, er det muligt at drage fordel af den piezoelektriske effekt i materialet, som først blev observeret så tidligt som i 1980'erne. Men hvad der sker i de fleste krystallinske faser af nylon er, at disse amides danner stærke brint bindinger med amider på andre polymer kæder, låse deres positioner og forhindre dem i at omlægge og tilpasse. Derfor er den udfordring, vi står over for, at finde en måde at producere en fase, der gør det muligt for amide at omlægge frit uden at begrænse den morfologi, den producerer under smeltning, køling og stretching.
Når de fleste forskergrupper i verden havde opgivet bestræbelserne på at producere piezoelektriske film eller fibre i 1990'erne, Asadi's gruppe kom til en "fremragende studerende på tekstil ingeniør" Saleem Anwar, som fik Asadi at være opmærksom på dette spørgsmål. . Forskerne først overvejet de grundlæggende faktorer for at producere nylon i en fase med stærke piezoelektriske egenskaber. Metoden til smeltning, køling og stretching afhænger af hurtigt afkøling nylon, så Asadi og Anwar og deres samarbejdspartnere undersøgt, hvordan man opnår den samme effekt ved at opløse nylon i et opløsningsmiddel og derefter hurtigt udvinde opløsningsmidlet. Men opløsningsmidler har tendens til at opløse nylon ved at angribe brintbindinger mellem amider og danne brintbindinger i deres positioner, så det er næsten umuligt at slippe af med opløsningsmidlet.
En dag, da Anwar brugte acetone til at rydde op efter et eksperiment, fortalte han Asadi en mærkelig observation, at han havde forsøgt at bruge trifluorsyre (TFA) som et opløsningsmiddel til at producere nylonfilm og lavede et gennembrud. Den overfyldte nylonløsning blev gennemsigtig. Holdet mistanke om, at den pludselige gennemsigtighed skal angive en reaktion, så de brugte trifluoredsyre og acetone til at lave en løsning og forsøgte at bruge den til at behandle nylon. Sikker nok, den følgende uge, forskerne opnåede de ønskede resultater.
Anwar opdagede ved et uheld brintbindingen mellem acetone og TFA, som er en af de stærkeste brintbindinger, der er kendt i det videnskabelige samfund. Derfor, når forskerne sprede løsningen på et højvakuum substrat til at fordampe opløsningsmidlet, som Asadi sagde: "Det er næsten som acetone holder TFA molekyler ved hånden, bringe dem ud af nylon, hvilket skaber en piezoelektrisk krystal fase."
Forskeren var den første til at producere en nylon film med en stærk piezoelektrisk reaktion. Men dette løser ikke helt problemet med at producere fibre, fordi produktionsmetoden stadig er uforenelig med høj vakuum. Så de undersøgte andre måder at kontrollere opløsningsmiddel ekstraktion sats. De fokuserede på produktion af fibre ved elektrospinning. I elektrospinningsprocessen tiltrækker det elektriske felt polymeropløsningen ind i fibrene med en diameter så lille som snesevis af nanometer i bredden. Fiberens høje overfladearealforhold giver høj opløsningsmiddelekstraktion. Vurder. Derefter er nøglen til at afbalancere dette med viskositeten af polymeropløsningen og elektrospinningsbetingelserne, så andre faktorer ikke forhindrer dannelsen af fibre i den dyrebare δ'stage.
Forskere har konstateret, at fibre omkring 200 nanometer bred har en "sweet spot" blandt konkurrerende faktorer. Måleresultaterne af potentialet genereret under en periodisk mekanisk stød med en frekvens på 8 Hz viser, at 200-nanometer δ'phase fiber genererer 6 V, mens smallere fiber genererer mindre end 0,6 V på grund af disse bredder. Faktorer relateret til smalhed forårsage fase dannet af fiber til at have nogen piezoelektrisk respons.
Faktisk, i en bred fiber omkring 1000nm, fiberen er for tyk til at udtrække opløsningsmidlet effektivt og hurtigt. Nylon danner en γ krystallinsk fase med kun en svag piezoelektrisk respons. I tykkere fibre, piezoelektrisk reaktion af γ fase er dårlig, hvilket kompenseres til en vis grad af de større fiber volumen, hvilket resulterer i en 4V potentiale. Men den 200nm δ'phase fiber har stadig den fordel, at en mere følsom reaktion.
