Le nylon semble être le matériau de choix pour les textiles piézoélectriques, parce que l’industrie textile à base de nylon a été très mature, et le nylon a également une phase de cristal piézoélectrique pratique. Si vous le touchez, vous obtiendrez une accumulation de charge parfaite. Détection de pression et récolte de l’énergie du mouvement environnemental.
Cependant, il n’est pas simple de former du nylon en fibre tout en lui donnant une structure en cristal piézoélectrique. Kamal Asadi, chercheur à l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères en Allemagne et professeur à l’Université de Bath au Royaume-Uni, a expliqué : « C’est presque un défi depuis un demi-siècle. » Dans un récent rapport intitulé « Advanced Functional Materials », lui et ses collaborateurs ont décrit comment ils ont résolu le problème.
La phase piézoélectrique du nylon est non seulement attrayante pour les textiles électroniques, mais aussi attrayante pour divers appareils électroniques, en particulier pour les céramiques piézoélectriques traditionnelles à haute fragilité. Cependant, pendant des décennies, la seule façon de produire du nylon cristallin avec une forte réponse piézoélectrique est de le faire fondre, le refroidir rapidement, puis l’étirer pour se condenser en une δ’phase lisse. La structure qui en résulte est généralement de plusieurs dizaines de microns d’épaisseur, ce qui est trop épais pour l’équipement électronique ou les applications textiles électroniques.
L’existence d’un « comportement piézoélectrique » provient des groupes amide sur les unités de répétition de la chaîne de polymères de nylon et de l’interaction entre eux et les groupes d’amide sur les chaînes adjacentes. Lorsque ces amides alignent librement leurs dipôles avec le champ électrique, il est possible de profiter de l’effet piézoélectrique dans le matériau, qui a été observé pour la première fois dès les années 1980. Cependant, ce qui se passe dans la plupart des phases cristallines du nylon, c’est que ces amides forment de fortes liaisons hydrogène avec des amides sur d’autres chaînes de polymères, verrouillant leurs positions et les empêchant de réorienter et d’aligner. Par conséquent, le défi auquel nous sommes confrontés est de trouver un moyen de produire une phase qui permet à l’amide de se réorienter librement sans restreindre la morphologie qu’elle produit lors de la fusion, du refroidissement et de l’étirement.
Lorsque la plupart des groupes de recherche dans le monde avaient renoncé à leurs efforts pour produire des films ou des fibres piézoélectriques dans les années 1990, le groupe d’Asadi s’est rendu à un « étudiant exceptionnel de l’ingénieur textile » Saleem Anwar, ce qui a incité Asadi à prêter attention à cette question. . Les chercheurs ont d’abord examiné les facteurs de base pour la production de nylon dans une phase avec de fortes propriétés piézoélectriques. La méthode de fusion, de refroidissement et d’étirement dépend du nylon qui refroidit rapidement, alors Asadi et Anwar et leurs collaborateurs ont étudié comment obtenir le même effet en dissolvant le nylon dans un solvant, puis en extrayant rapidement le solvant. Cependant, les solvants ont tendance à dissoudre le nylon en attaquant les liaisons hydrogène entre les amides et forment des liaisons hydrogène dans leurs positions, il est donc presque impossible de se débarrasser du solvant.
Un jour, quand Anwar a utilisé l’acétone pour nettoyer après une expérience, il a dit à Asadi une observation étrange qu’il avait essayé d’utiliser l’acide trifluoroacétique (TFA) comme solvant pour produire du film de nylon et a fait une percée. La solution en nylon débordant est devenue transparente. L’équipe a soupçonné que la transparence soudaine doit indiquer une réaction, alors ils ont utilisé de l’acide trifluoroacétique et de l’acétone pour faire une solution et ont essayé de l’utiliser pour traiter le nylon. Bien sûr, la semaine suivante, les chercheurs ont obtenu les résultats souhaités.
Anwar a accidentellement découvert le lien hydrogène entre l’acétone et la TFA, qui est l’une des liaisons d’hydrogène les plus fortes connues dans la communauté scientifique. Par conséquent, lorsque les chercheurs répandent la solution sur un substrat à vide élevé pour évaporer le solvant, comme asadi a dit: « C’est presque comme l’acétone tient les molécules TFA par la main, les faisant sortir de nylon, la création d’une phase de cristal piézoélectrique.
Le chercheur a été le premier à produire un film en nylon avec une forte réponse piézoélectrique. Mais cela ne résout pas complètement le problème de la production de fibres, parce que la méthode de production est encore incompatible avec le vide élevé. Ils ont donc étudié d’autres façons de contrôler le taux d’extraction des solvants. Ils se sont concentrés sur la production de fibres par électrospinning. Dans le processus d’électrospinning, le champ électrique attire la solution polymère dans les fibres d’un diamètre aussi petit que des dizaines de nanomètres de largeur. Le rapport de surface élevé de la fibre produit l’extraction élevée de solvant. Taux. Ensuite, la clé est d’équilibrer cela avec la viscosité de la solution polymère et les conditions d’électrospinning afin que d’autres facteurs n’empêchent pas la formation de fibres dans le précieux δ’étape.
Les chercheurs ont constaté que les fibres d’environ 200 nanomètres de large ont un « sweet spot » parmi les facteurs concurrents. Les résultats de mesure du potentiel généré sous un choc mécanique périodique avec une fréquence de 8 Hz montrent que la fibre de 200 nanomètres δ’phase génère 6 V, tandis que la fibre plus étroite génère moins de 0,6 V en raison de ces largeurs. Les facteurs liés à l’étroitesse causent la phase formée par la fibre d’avoir aucune réponse piézoélectrique.
En fait, dans une large fibre d’environ 1000nm, la fibre est trop épaisse pour extraire le solvant efficacement et rapidement. Le nylon forme une phase cristalline γ avec seulement une réponse piézoélectrique faible. Dans les fibres plus épaisses, la réponse piézoélectrique de la phase γ est pauvre, qui est compensée dans une certaine mesure par le plus grand volume de fibres, ce qui se traduit par un potentiel de 4V. Cependant, la fibre de δ phase de 200nm a toujours l’avantage d’une réponse plus sensible.
