Nylon lijkt het materiaal bij uitstek te zijn voor piëzo-elektrisch textiel, omdat de textielindustrie op basis van nylon zeer volwassen is en nylon ook een handige piëzo-elektrische kristalfase heeft. Als je erop tikt, krijg je een perfecte ladingstapeling. Drukdetectie en energie oogsten uit milieubeweging.
Het is echter niet eenvoudig om nylon tot een vezel te vormen terwijl het een piëzo-elektrische kristalstructuur krijgt. Kamal Asadi, een onderzoeker aan het Max Planck Institute for Polymer Research in Duitsland en een professor aan de University of Bath in het VK, legde uit:" Dit is bijna een uitdaging voor een halve eeuw." In een recente" Advanced Functional Materials" rapport, beschreven hij en zijn medewerkers hoe ze het probleem hebben opgelost.
De piëzo-elektrische fase van nylon is niet alleen aantrekkelijk voor elektronisch textiel, maar ook aantrekkelijk voor verschillende elektronische apparaten, vooral voor traditioneel piëzo-elektrisch keramiek met een hoge broosheid. Decennia lang is de enige manier om kristallijn nylon met een sterke piëzo-elektrische respons te produceren, het te smelten, snel af te koelen en vervolgens uit te rekken om te condenseren tot een gladde δ' -fase. De resulterende structuur is meestal tientallen micron dik, wat te dik is voor elektronische apparatuur of elektronische textieltoepassingen.
Het bestaan van" piëzo-elektrisch gedrag" komt voort uit de amidegroepen op de zich herhalende eenheden in de nylon polymeerketen en de interactie daartussen en de amidegroepen op de aangrenzende ketens. Wanneer deze amiden hun dipolen vrij uitlijnen met het elektrische veld, is het mogelijk om te profiteren van het piëzo-elektrische effect in het materiaal, dat al in de jaren tachtig voor het eerst werd waargenomen. Wat er echter gebeurt in de meeste kristallijne fasen van nylon, is dat deze amiden sterke waterstofbruggen vormen met amiden op andere polymeerketens, waardoor hun posities worden vergrendeld en ze niet kunnen worden heroriënteerd en uitgelijnd. Daarom is de uitdaging waar we voor staan om een manier te vinden om een fase te produceren waarmee het amide zich vrij kan heroriënteren zonder de morfologie die het produceert tijdens smelten, afkoelen en strekken te beperken.
Toen de meeste onderzoeksgroepen in de wereld hun pogingen om piëzo-elektrische films of vezels te produceren in de jaren negentig hadden opgegeven, kwam Asadi's groep tot een GG-quotum: uitstekende student van textielingenieur GG-quot; Saleem Anwar, wat Asadi ertoe bracht aandacht te schenken aan dit probleem. . De onderzoekers keken eerst naar de basisfactoren voor het produceren van nylon in een fase met sterke piëzo-elektrische eigenschappen. De methode van smelten, afkoelen en strekken hangt af van het snel afkoelen van nylon, dus Asadi en Anwar en hun medewerkers hebben onderzocht hoe hetzelfde effect kan worden verkregen door nylon op te lossen in een oplosmiddel en het oplosmiddel vervolgens snel te extraheren. Echter, oplosmiddelen hebben de neiging om nylon op te lossen door de waterstofbruggen tussen amiden aan te vallen en waterstofbruggen op hun posities te vormen, dus het is bijna onmogelijk om het oplosmiddel kwijt te raken.
Op een dag, toen Anwar aceton gebruikte om op te ruimen na een experiment, vertelde hij Asadi een vreemde observatie dat hij had geprobeerd trifluorazijnzuur (TFA) te gebruiken als oplosmiddel om nylonfilm te maken en een doorbraak had bereikt. De overlopende nylonoplossing werd transparant. Het team vermoedde dat de plotselinge transparantie een reactie moet aangeven, dus gebruikten ze trifluorazijnzuur en aceton om een oplossing te maken en probeerden ze hiermee nylon te verwerken. En ja hoor, de volgende week behaalden de onderzoekers de gewenste resultaten.
Anwar ontdekte per ongeluk de waterstofbrug tussen aceton en TFA, een van de sterkste waterstofbruggen die in de wetenschappelijke gemeenschap bekend is. Daarom, wanneer de onderzoekers de oplossing op een hoogvacuümsubstraat verspreiden om het oplosmiddel te verdampen, zoals Asadi zei:" Het is bijna alsof aceton de TFA-moleculen bij de hand houdt en ze uit nylon haalt, het creëren van een piëzo-elektrische kristalfase."
De onderzoeker was de eerste die een nylonfilm produceerde met een sterke piëzo-elektrische respons. Maar dit lost het probleem van het produceren van vezels niet helemaal op, omdat de productiemethode nog steeds niet compatibel is met hoog vacuüm. Dus bestudeerden ze andere manieren om de extractiesnelheid van het oplosmiddel te regelen. Ze concentreerden zich op de productie van vezels door middel van elektrospinnen. Bij het elektrospinproces trekt het elektrische veld de polymeeroplossing in de vezels met een diameter van slechts enkele tientallen nanometers breed. De hoge oppervlakteverhouding van de vezel zorgt voor een hoge oplosmiddelextractie. tarief. De sleutel is dan om dit in evenwicht te brengen met de viscositeit van de polymeeroplossing en de elektrospinomstandigheden, zodat andere factoren de vorming van vezels in het kostbare δ' -stadium niet verhinderen.
Onderzoekers hebben ontdekt dat vezels van ongeveer 200 nanometer breed een GG-quotum hebben; sweet spot GG-quot; onder concurrerende factoren. De meetresultaten van het potentieel gegenereerd onder een periodieke mechanische schok met een frequentie van 8 Hz laten zien dat de 200-nanometer δ' fasevezel 6 V genereert, terwijl de smallere vezel vanwege deze breedtes minder dan 0,6 V genereert. Factoren die verband houden met de smalheid zorgen ervoor dat de fase die door de vezel wordt gevormd geen piëzo-elektrische respons heeft.
In feite is in een brede vezel rond 1000 nm de vezel te dik om het oplosmiddel efficiënt en snel te extraheren. Nylon vormt een γ-kristallijne fase met slechts een zwakke piëzo-elektrische respons. Bij dikkere vezels is de piëzo-elektrische respons van de γ-fase slecht, wat enigszins wordt gecompenseerd door het grotere vezelvolume, wat resulteert in een 4V-potentiaal. De 200nm δ' -fasevezel heeft echter nog steeds het voordeel van een gevoeliger respons.
