尼龙终于取代了压电纺织品

尼龙似乎是电子纺织品的不二之选-不仅存在以尼龙为基础的纺织品行业，而且它方便地具有压电的结晶相-轻敲它，您就会积聚起压力完美的电荷从周围运动中感应和收集能量。

不幸的是，要使尼龙形成纤维同时使其具有具有压电响应的晶体结构并不是一件容易的事。“这是一个挑战，近半个世纪以来，”卡迈勒·阿萨迪，在德国马普高分子研究所，德国的研究人员，在英国巴斯大学的教授在最近的一次解释了新型功能材料报告中，他和他的合作者描述了他们现在如何终于克服了这一难题。

尼龙的压电相不仅对电子纺织品具有吸引力，而且对各种电子设备也具有吸引力，特别是在需要比常规压电陶瓷更脆的东西的地方。但是，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融，快速冷却然后拉伸，使其凝成近晶型δ'相。这会产生通常为几十微米厚的平板，对于在电子设备或电子纺织品中的应用而言，这太厚了。

压电行为的存在源于尼龙聚合物链中重复单元上的酰胺部分，以及它们与相邻链上的酰胺部分的相互作用。当这些酰胺自由地将其偶极与电场对准时，就有可能利用这种材料中的压电效应，最早可以追溯到1980年代。但是，在大多数尼龙的结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牢固的氢键，从而将它们锁定在适当的位置，从而阻止了它们的重新取向和排列。因此，面临的挑战是找到一种方法来生产可使酰胺自由取向的相，但在熔融，冷却和拉伸方法中所能产生的形态方面并不受限于此。

取得成功

到1990年代，虽然世界上大多数研究小组都放弃了生产压电薄膜或纤维的工作，但Asadi的小组中“一位出色的纺织工程师学生” Saleem Anwar的到来促使Asadi着手研究这个问题。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必要因素。熔融，冷却和拉伸方法取决于迅速冷却尼龙，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。但是，溶剂倾向于通过攻击酰胺之间的氢键并在其位置形成氢键来溶解尼龙，因此几乎不可能除去溶剂。

突破发生在一天，当安华(Anwar)尝试用三氟乙酸(TFA)作为溶剂生产尼龙薄膜后，他告诉阿萨迪(Asadi)在用丙酮清洗时观察到一个奇怪的发现。尼龙溶液溢出物变成透明的。该团队怀疑突然的透明性必须表明已经发生了反应，该团队用TFA和丙酮制成了溶液，并尝试从中加工尼龙。果然，在接下来的一周，“ Saleem带着他的'eureka'时刻回来了-'我拥有了!'” Asadi说。

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，当研究人员像Asadi所说的那样，将溶液高真空地放在基板上以蒸发溶剂时，“字面上就像丙酮抓住了TFA分子的手，将它们带出尼龙，产生了压电晶体相。 ”

纤维甜蜜点

研究人员是第一个生产具有强烈压电响应的尼龙薄膜的人。但这并不能完全解决生产纤维的问题，因为生产方法仍与高真空度不兼容。因此，他们研究了可以控制溶剂萃取速率的其他方法。他们专注于通过静电纺丝生产纤维，其中电场将聚合物溶液吸入直径可小至数十纳米宽的纤维中，其中高的表面积/体积比的纤维可产生高溶剂提取率。然后，诀窍是在聚合物溶液的粘度和静电纺丝条件之间取得平衡，以使其他因素不会妨碍纤维在有价值的δ'相中形成。

研究人员发现，竞争因素之间的最佳点是大约200 nm宽的光纤。在频率为8 Hz的周期性机械冲击下产生的电势的测量结果表明，200 nmδ'相纤维产生6 V，而较窄的纤维产生的电压小于0.6 V，因为与这些宽度上的狭窄度相关的因素导致纤维形成无压电响应的相。

实际上，在大约1000 nm的较宽纤维中，尼龙形成的γ晶相仅具有较弱的压电响应，因为该纤维太粗，无法进行有效的快速溶剂萃取。较粗纤维中γ相的较差压电响应在某些方面被较大体积的纤维所补偿，从而导致产生4V的电势。但是，200nmδ'相纤维仍然具有响应更灵敏的优点。

导线对敲击的敏感性暗示了可能的激动人心的应用范围，从生物测量监控(例如脉冲测量)到可以让您仅在尼龙服装中走动即可为手机充电的设备。

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