新方法讓尼龍成為有競爭力的壓電紡織品
來源：科技報告與資訊
尼龍似乎是壓電紡織品的******材料，因?yàn)橐阅猃垶榛A(chǔ)的紡織業(yè)已經(jīng)很成熟了，而且尼龍還具有方便的壓電結(jié)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(yīng)和從環(huán)境運(yùn)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(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)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(xué)教授Kamal Asadi解釋說："這幾乎是半個世紀(jì)以來的一個挑戰(zhàn)。"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(shí)對各種電子設(shè)備都有吸引力，尤其對脆性高的傳統(tǒng)壓電陶瓷更有需求。然而，幾十年來，生產(chǎn)具有強(qiáng)烈壓電響應(yīng)的結(jié)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(jié)成光滑的δ'相。這產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)通常有幾十微米厚，對于電子設(shè)備或電子紡織品的應(yīng)用來說，太厚了。
壓電行為的存在源于尼龍聚合物鏈中重復(fù)單元上的酰胺基團(tuán)，以及它們與鄰近鏈上的酰胺基團(tuán)之間的相互作用。當(dāng)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(yīng)，這一點(diǎn)早在20世紀(jì)80年代就被首次觀察到。然而，在尼龍的大多數(shù)晶相中發(fā)生的情況是，這些酰胺與其他聚合物鏈上的酰胺形成強(qiáng)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(zhàn)是要找到一種方法，生產(chǎn)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(chǎn)生的形態(tài)的相。
當(dāng)世界上大多數(shù)研究小組在20世紀(jì)90年代已經(jīng)放棄了生產(chǎn)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(yōu)秀學(xué)生"Saleem Anwar，這促使Asadi開始關(guān)注這個問題。研究人員首先考慮了在具有強(qiáng)壓電特性的相中生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)后用丙酮清理時，告訴Asadi一個奇怪的觀察結(jié)果，他曾嘗試用三氟乙酸(TFA)作為溶劑生產(chǎn)尼龍薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。溢出的尼龍溶液變成了透明的。團(tuán)隊(duì)?wèi)岩赏蝗坏耐该饕欢ㄕf明發(fā)生了反應(yīng)，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(jié)果。
Anwar偶然發(fā)現(xiàn)的是丙酮和TFA之間的氫鍵，這是科學(xué)界已知的最強(qiáng)氫鍵之一。因此，當(dāng)研究人員將溶液鋪在高真空的基板上蒸發(fā)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(chǎn)生了壓電晶相。"
研究人員是第一個生產(chǎn)出具有強(qiáng)烈壓電反應(yīng)的尼龍薄膜的人。但這并沒有完全解決生產(chǎn)纖維的問題，因?yàn)樯a(chǎn)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(diǎn)放在了通過電紡生產(chǎn)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(chǎn)生了很高的溶劑萃取率。然后，關(guān)鍵是平衡這一點(diǎn)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(fā)現(xiàn)，200納米寬左右的纖維在競爭因素之間有一個“甜蜜點(diǎn)”。在頻率為8赫茲的周期性機(jī)械沖擊下產(chǎn)生的電位測量結(jié)果顯示，200納米的δ'相纖維產(chǎn)生了6個V，而更窄的纖維產(chǎn)生的電壓不到0.6個V，因?yàn)樵谶@些寬度上與窄度相關(guān)的因素導(dǎo)致纖維形成的相位沒有壓電響應(yīng)。
事實(shí)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(jié)晶相，只有微弱的壓電響應(yīng)。較粗的纖維中γ相的壓電響應(yīng)較差，在某種程度上被纖維體積較大導(dǎo)致產(chǎn)生4V的電位所補(bǔ)償。但是，200nm的δ'相纖維仍然具有更靈敏的響應(yīng)的優(yōu)勢。
