Новости космоса и технологий. » Химия » Нейлон, наконец, занимает свое место в качестве пьезоэлектрического текстиля

Нейлон, наконец, занимает свое место в качестве пьезоэлектрического текстиля

Опубликовал: Admin, 3-11-2020, 01:01, Химия, 47, 0

Нейлон, наконец, занимает свое место в качестве пьезоэлектрического текстиля

Нейлон может показаться очевидным материалом для электронного текстиля - не только существует устоявшаяся текстильная промышленность, основанная на нейлоне, но и в нем удобно есть кристаллическая фаза, которая является пьезоэлектрической - коснитесь ее, и вы получите накопление заряда, идеально подходящее для давления ощущая и собирая энергию окружающего движения.

К сожалению, формирование нейлон в волокна, заставляя его принимать кристаллическую структуру, которая имеет пьезоэлектрический отклик не однозначно. «Это было проблемой почти полвека», - объясняет Камаль Асади, исследователь из Института исследования полимеров Макса-Планка, Германия, и профессор Университета Бата, Великобритания, в недавнем сообщении Расширенные функциональные материалы отчет, он и его сотрудники описывают, как они теперь наконец преодолели это.

Пьезоэлектрическая фаза нейлона привлекательна не только для электронного текстиля, но и для всех видов электронных устройств, особенно там, где есть спрос на что-то менее хрупкое, чем обычная пьезоэлектрическая керамика. Однако в течение десятилетий единственным способом производства нейлона с кристаллической фазой, обладающей сильным пьезоэлектрическим откликом, было его расплавление, быстрое охлаждение и последующее растягивание до образования смектической δ 'фазы. В результате получаются плиты толщиной в десятки микрометров, что слишком велико для применения в электронных устройствах или электронном текстиле.

Наличие пьезоэлектрического поведения проистекает из амидных фрагментов на повторяющихся звеньях в нейлоновой полимерной цепи и их взаимодействия с фрагментами соседней цепи. Когда эти амиды могут свободно выстраивать свои диполи с электрическим полем, можно использовать пьезоэлектрический эффект в материале, который впервые наблюдался еще в 1980-х годах. Однако в большинстве кристаллических фаз нейлона эти амиды образуют сильные водородные связи с амидами на других полимерных цепях, которые фиксируют их положение, предотвращая их переориентацию и выравнивание. Таким образом, задача заключалась в том, чтобы найти способ получить фазу, которая позволяла бы амидам свободно переориентироваться, но не была настолько ограничена морфологией, которую она могла получить, как подход плавления, охлаждения и растяжения.

Чистый успех

Хотя к 1990-м годам большинство исследовательских групп по всему миру отказались от попыток производить пьезоэлектрические пленки или волокна, появление в группе Асади «блестящего студента, который был инженером по текстилю» - Салима Анвара - побудило Асади взглянуть на проблему. Исследователи начали с рассмотрения основных факторов производства нейлона в фазе с сильными пьезоэлектрическими свойствами. Подход «плавление, охлаждение и растяжение» зависит от быстрого охлаждения нейлона, поэтому Асади и Анвар и их сотрудники посмотрели, как они могут получить тот же эффект, растворяя нейлон в растворителе и затем быстро извлекая этот растворитель. Однако растворители, как правило, растворяют нейлон, разрушая водородные связи между амидами и образуя вместо них водородные связи, так что в этом случае почти невозможно избавиться от растворителя.

Прорыв произошел однажды, когда Анвар рассказал Асади о странном наблюдении во время очистки ацетоном после эксперимента, в котором он пытался произвести нейлоновые пленки с использованием трифторуксусной кислоты (TFA) в качестве растворителя. Пролитый раствор нейлона стал прозрачным. Подозревая, что внезапная прозрачность должна указывать на реакцию, команда сделала раствор из TFA и ацетона и попыталась обработать из него нейлон. Разумеется, на следующей неделе «Салим вернулся со своим моментом« эврики »-« У меня оно есть! », - говорит Асади.

Анвар наткнулся на водородную связь между ацетоном и TFA, которая является одной из самых прочных водородных связей, известных науке. Поэтому, когда исследователи поместили раствор на подложку в высоком вакууме для испарения растворителя, как выразился Асади, «это буквально похоже на то, как ацетон берет за руку молекулы TFA и выносит их из нейлона, образуя пьезоэлектрическую кристаллическую фазу. "

Зона восприятия волокна

Исследователи первыми создали тонкие пленки нейлона с сильным пьезоэлектрическим откликом. Но это не совсем решило проблему производства волокон, поскольку методы производства по-прежнему были несовместимы с высоким вакуумом. Поэтому они посмотрели на другие способы управления скоростью экстракции растворителем. Они сосредоточились на производстве волокон методом электроспиннинга, в котором электрическое поле втягивает раствор полимера в волокна с диаметром, который может достигать десятков нанометров в ширину, где высокое отношение площади поверхности к объему волокна обеспечивает высокую скорость экстракции растворителем. Уловка заключалась в том, чтобы уравновесить это с вязкостью раствора полимера и условиями электропрядения, чтобы другие факторы не мешали формированию волокна в желаемой δ 'фазе.

Исследователи обнаружили золотую середину между конкурирующими факторами для волокон шириной около 200 нм. Измерения потенциала, генерируемого при периодическом механическом воздействии с частотой 8 Гц, показали, что волокна с δ'-фазой 200 нм генерируют 6 В, тогда как более узкие волокна генерируют менее 06 В, поскольку факторы, связанные с узостью при такой ширине, приводят к волокна формируются в фазе без пьезоэлектрического отклика.

Фактически, в более широких волокнах около 1000 нм нейлон образует γ кристаллическая фаза , который имеет только слабый пьезоэлектрический отклик, поскольку волокна были слишком толстыми для эффективной быстрой экстракции растворителем. Более слабый пьезоэлектрический отклик γ-фазы в более толстых волокнах был до некоторой степени компенсирован большим объемом волокон, приводящим к генерации потенциалов 4 В. Тем не менее, волокна с δ 'фазой 200 нм по-прежнему обладали преимуществом более чувствительной характеристики.

Чувствительность проводов к прослушиванию предполагает широкий спектр возможных применений, от биометрического мониторинга, такого как измерение пульса, до устройства, которое позволит вам заряжать свой мобильный телефон, просто ходя в нейлоновой одежде.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии