Adv. Mater.：一种可规模化生产的3D蜂巢结构阻燃摩擦电织物，用于火灾逃生和救援

【引言】

火灾事故已成为造成严重人身烧伤和毁灭性损失、威胁公共安全和财产安全的常见灾害之一。大量的火灾案例表明，提高人的逃生能力和材料的阻燃能力对减少人员伤亡具有重要意义。发生火灾时，大部分的救援电子设备由于电力中断而无法使用。因此，迫切需要具有阻燃功能的自供电消防电子设备。在这种情况下，具有机械能收集和自供电传感能力的摩擦电纳米发电机（TENG）可以解决上述问题。此外，考虑到室内环境的装饰及其他功能需求，即具有阻燃功能的纺织品将是制造消防救援传感器的理想材料。装饰用纺织品具有降噪、轻量化、透气性、可洗性、可调性、柔性等附加功能性能。因此，与薄膜或条状电子器件相比，装饰用纺织品将是室内能量采集或信号监测的更好选择。目前，对织物TENGs的研究已有众多的进展，但仍存在几个阻碍其进一步应用的关键问题有待解决。首先，在整个织物上浸涂功能材料制造的织物摩擦纳米发电机（F-TENGs），织物通常硬度高，透水性极差，严重影响其穿着舒适性。其次，多层结构的F-TENGs一般都是通过复杂的工艺制备而成，导致器件体积庞大且刚性不足，既不利于采集人体日常小微运动的能量，也不适合软性传感和检测的需求。因此，用连续的TENG纱线通过织机制造F-TENG，保证其透气性、柔韧性和舒适性，是解决上述问题的关键。然而，最近报道的纤维（纱线）形TENG通常存在长度短、直径大、细度不均匀等问题，不适合纺织机械加工技术，直接影响织造效率和织物风格。此外，对于F-TENG这种具有阻燃性能、降噪性能、透气性等特殊功能的产品，目前还缺乏研究。因此，通过对纺纱工艺的控制以获得细度均匀、细度细的纱线，以及织物结构的设计及织造等均对功能性F-TENG的生产具有十分重要的意义。

【成果简介】

近日，在新疆大学青年教师马丽芸，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士，东华大学汪军教授和厦门大学郭文熹副教授团队等合作，开发了一种基于阻燃包缠纱的3D蜂巢结构机织摩擦电纳米发电机（F-TENG）。该包缠纱采用连续空心锭花式捻线技术，与传统的纺织生产工艺兼容。由此制备的3D F-TENG可作为自供电的逃生和救援系统，应用于智能地毯，可精准定位幸存者位置并指出逃生路线，及时协助受害者搜救。作为室内装饰，独特的蜂巢织造结构设计赋予了F-TENG织物优秀的降噪能力。此外，结合其良好的机洗性、透气性、阻燃性、耐用性、重复性等特点，3D F-TENG在消防救援、可穿戴传感器以及智能家居装饰等方面都有很大的应用潜力该成果以题为“A Machine-Fabricated 3D Honeycomb-Structured Flame-Retardant Triboelectric Fabric for Fire Escape and Rescue”发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 3D F-TENG和智能地毯的示意图

a）柔性3D F-TENG的制造过程示意图。

b）基于3D-F-TENG的智能地毯的示意图，具有阻燃、精确救援定位、实时路线引导和降噪四大功能。

c）3D F-TENG的照片。

图2全纤维阻燃单电极摩擦电纱（FRTY）的制造过程

a）连续空心轴花式捻线机技术工艺示意图。

b）芯纱控制装置的照片。

c，d）纱线包缠区域的装置和示意图。

e）用黑板法表征FRTY纱线质量的图片。

f）通过定量测试方法测定FRTY的重量，以表征纱线的细度和均匀性。

图3FRTY的性能

a）TENG纱线（比例尺：500 µm）的SEM图像，分别为T/C-32s，PI-32s和PI-60s。

b）TENG纱线非线性力学性能的本构模型的图示（注：σ表示TENG纱线上的应力，ε表示TENG纱线的应变，E1和E2表示虎克弹簧的弹性模量，η1和η2分别表示代表皮层纱和芯纱的黏壶的粘滞系数。

c）TENG纱线的应力-应变曲线与模型预测结果的比较，为实验结果提供预测依据。

d）FRTY的工作原理示意图。

e）COMSOL模拟的不同状态下的电位分布。

f）阻燃性能测试：g）T/C-32s TENG在燃烧测试后继续燃烧成灰烬，h）PI-32s FRTY在燃烧测试后外观保持稳定，i）测试后电气输出性能仅略有下降。

j）不同材料、频率和长度的TENG纱线的短路电流。

k）PI-32s FRTY在1 Hz频率和30 N力作用下的电容充电能力。

l）在1 Hz频率和30 N力作用下，在不同的外部负载电阻作用下测量PI-32s FRTY的电流和峰值功率。

图4基于FRTY的3D F-TENG的示意图和性能

a）FRTY的照片。

b）制造3D F-TENG的过程照片。

c，d）F-TENG的照片。

e）不同结构的F-TENGs的透气性和厚度。

f）不同结构的F-TENGs的短路电流。

g）不同面积的3D F-TENG的开路电压。

h）3D F-TENG的织物纹版图和示意图。

i）3D F-TENG和普通F-TENG厚度的比较。

j）3D F-TENG和普通F-TENG降噪的比较。

图5 3D F-TENG在自供电逃生和救援系统中的应用

a）基于3D-F-TENG的自供电逃生和救援系统的方案。

b）自供电逃生和救援系统。

c）可实时显示精确救援位置的自供电精确救援定位系统的照片。

d）由3D F-TENG驱动的路线引导系统的指示灯的照片。

【小结】

综上所述，本研究成功地制造了一种具有阻燃、降噪和自供电逃生和救援系统功能的全纤维3D F-TENG。基于聚酰亚胺纱线FRTY织造的3D F-TENG具有良好的阻燃性能。独特的蜂巢组织结构的设计，赋予织物卓越的降噪能力。此外，3D F-TENG还可以作为自供电的逃生救援系统在室内使用，可以精准定位幸存者位置，以便及时协助受害者的搜索和救援工作。FRTY与纺织加工技术兼容，能够大规模生产。此外，该织物具有良好的耐久性、阻燃性、透气性、可机洗性和可重复性。这种可规模化制造技术和3D F-TENG织物结构设计，为极端火灾条件下的能量收集和应急信号传输提供了一种高效可商业化的处理路线。

文献链接：A Machine-Fabricated 3D Honeycomb-Structured Flame-Retardant Triboelectric Fabric for Fire Escape and Rescue（Adv. Mater.，2020，DOI:10.1002/adma.202003897）

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