本研究成功地制造了一種具有阻燃、降噪和自供電逃生和救援系統(tǒng)功能的全纖維3D F-TENG。基于聚酰亞胺紗線FRTY織造的3D F-TENG具有良好的阻燃性能。獨(dú)特的蜂巢組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，賦予織物卓越的降噪能力。此外，3D F-TENG還可以作為自供電的逃生救援系統(tǒng)在室內(nèi)使用，可以精準(zhǔn)定位幸存者位置，以便及時(shí)協(xié)助受害者的搜索和救援工作。
火災(zāi)事故已成為造成嚴(yán)重人身燒傷和毀滅性損失、威脅公共安全和財(cái)產(chǎn)安全的常見災(zāi)害之一。大量的火災(zāi)案例表明，提高人的逃生能力和材料的阻燃能力對減少人員傷亡具有重要意義。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，大部分的救援電子設(shè)備由于電力中斷而無法使用。因此，迫切需要具有阻燃功能的自供電消防電子設(shè)備。在這種情況下，具有機(jī)械能收集和自供電傳感能力的摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）可以解決上述問題。此外，考慮到室內(nèi)環(huán)境的裝飾及其他功能需求，即具有阻燃功能的紡織品將是制造消防救援傳感器的理想材料。裝飾用紡織品具有降噪、輕量化、透氣性、可洗性、可調(diào)性、柔性等附加功能性能。因此，與薄膜或條狀電子器件相比，裝飾用紡織品將是室內(nèi)能量采集或信號監(jiān)測的更好選擇。目前，對織物TENGs的研究已有眾多的進(jìn)展，但仍存在幾個(gè)阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵問題有待解決。首先，在整個(gè)織物上浸涂功能材料制造的織物摩擦納米發(fā)電機(jī)（F-TENGs），織物通常硬度高，透水性極差，嚴(yán)重影響其穿著舒適性。其次，多層結(jié)構(gòu)的F-TENGs一般都是通過復(fù)雜的工藝制備而成，導(dǎo)致器件體積龐大且剛性不足，既不利于采集人體日常小微運(yùn)動的能量，也不適合軟性傳感和檢測的需求。因此，用連續(xù)的TENG紗線通過織機(jī)制造F-TENG，保證其透氣性、柔韌性和舒適性，是解決上述問題的關(guān)鍵。然而，最近報(bào)道的纖維（紗線）形TENG通常存在長度短、直徑大、細(xì)度不均勻等問題，不適合紡織機(jī)械加工技術(shù)，直接影響織造效率和織物風(fēng)格。此外，對于F-TENG這種具有阻燃性能、降噪性能、透氣性等特殊功能的產(chǎn)品，目前還缺乏研究。因此，通過對紡紗工藝的控制以獲得細(xì)度均勻、細(xì)度細(xì)的紗線，以及織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及織造等均對功能性F-TENG的生產(chǎn)具有十分重要的意義。近日，在新疆大學(xué)青年教師馬麗蕓，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士，東華大學(xué)汪軍教授和廈門大學(xué)郭文熹副教授團(tuán)隊(duì)等合作，開發(fā)了一種基于阻燃包纏紗的3D蜂巢結(jié)構(gòu)機(jī)織摩擦電納米發(fā)電機(jī)（F-TENG）。該包纏紗采用連續(xù)空心錠花式捻線技術(shù)，與傳統(tǒng)的紡織生產(chǎn)工藝兼容。由此制備的3D F-TENG可作為自供電的逃生和救援系統(tǒng)，應(yīng)用于智能地毯，可精準(zhǔn)定位幸存者位置并指出逃生路線，及時(shí)協(xié)助受害者搜救。作為室內(nèi)裝飾，獨(dú)特的蜂巢織造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了F-TENG織物優(yōu)秀的降噪能力。此外，結(jié)合其良好的機(jī)洗性、透氣性、阻燃性、耐用性、重復(fù)性等特點(diǎn)，3D F-TENG在消防救援、可穿戴傳感器以及智能家居裝飾等方面都有很大的應(yīng)用潛力該成果以題為“A Machine-Fabricated 3D Honeycomb-Structured Flame-Retardant Triboelectric Fabric for Fire Escape and Rescue”發(fā)表在了Adv. Mater.上。
圖1 3D F-TENG和智能地毯的示意圖
b）基于3D-F-TENG的智能地毯的示意圖，具有阻燃、精確救援定位、實(shí)時(shí)路線引導(dǎo)和降噪四大功能。
圖2全纖維阻燃單電極摩擦電紗（FRTY）的制造過程
a）連續(xù)空心軸花式捻線機(jī)技術(shù)工藝示意圖。e）用黑板法表征FRTY紗線質(zhì)量的圖片。f）通過定量測試方法測定FRTY的重量，以表征紗線的細(xì)度和均勻性。
圖3FRTY的性能
a）TENG紗線（比例尺：500 μm）的SEM圖像，分別為T/C-32s，PI-32s和PI-60s。b）TENG紗線非線性力學(xué)性能的本構(gòu)模型的圖示（注：σ表示TENG紗線上的應(yīng)力，ε表示TENG紗線的應(yīng)變，E1和E2表示虎克彈簧的彈性模量，η1和η2分別表示代表皮層紗和芯紗的黏壺的粘滯系數(shù)。c）TENG紗線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與模型預(yù)測結(jié)果的比較，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供預(yù)測依據(jù)。e）COMSOL模擬的不同狀態(tài)下的電位分布。f）阻燃性能測試：g）T/C-32s TENG在燃燒測試后繼續(xù)燃燒成灰燼，h）PI-32s FRTY在燃燒測試后外觀保持穩(wěn)定，i）測試后電氣輸出性能僅略有下降。j）不同材料、頻率和長度的TENG紗線的短路電流。k）PI-32s FRTY在1 Hz頻率和30 N力作用下的電容充電能力。l）在1 Hz頻率和30 N力作用下，在不同的外部負(fù)載電阻作用下測量PI-32s FRTY的電流和峰值功率。
圖4基于FRTY的3D F-TENG的示意圖和性能
e）不同結(jié)構(gòu)的F-TENGs的透氣性和厚度。f）不同結(jié)構(gòu)的F-TENGs的短路電流。i）3D F-TENG和普通F-TENG厚度的比較。j）3D F-TENG和普通F-TENG降噪的比較。
圖5 3D F-TENG在自供電逃生和救援系統(tǒng)中的應(yīng)用
a）基于3D-F-TENG的自供電逃生和救援系統(tǒng)的方案。c）可實(shí)時(shí)顯示精確救援位置的自供電精確救援定位系統(tǒng)的照片。d）由3D F-TENG驅(qū)動的路線引導(dǎo)系統(tǒng)的指示燈的照片。綜上所述，本研究成功地制造了一種具有阻燃、降噪和自供電逃生和救援系統(tǒng)功能的全纖維3D F-TENG?；诰埘啺芳喚€FRTY織造的3D F-TENG具有良好的阻燃性能。獨(dú)特的蜂巢組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，賦予織物卓越的降噪能力。此外，3D F-TENG還可以作為自供電的逃生救援系統(tǒng)在室內(nèi)使用，可以精準(zhǔn)定位幸存者位置，以便及時(shí)協(xié)助受害者的搜索和救援工作。FRTY與紡織加工技術(shù)兼容，能夠大規(guī)模生產(chǎn)。此外，該織物具有良好的耐久性、阻燃性、透氣性、可機(jī)洗性和可重復(fù)性。這種可規(guī)?；圃旒夹g(shù)和3D F-TENG織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為極端火災(zāi)條件下的能量收集和應(yīng)急信號傳輸提供了一種高效可商業(yè)化的處理路線。文獻(xiàn)鏈接：A Machine-Fabricated 3D Honeycomb-Structured Flame-Retardant Triboelectric Fabric for Fire Escape and Rescue（Adv. Mater.，2020，DOI:10.1002/adma.202003897）[1] Ma LY, Zhou MJ, et al. Continuous and Scalable Manufacture of Hybridized Nano-Micro Triboelectric Yarns for Energy Harvesting and Signal Sensing. ACS Nano. 2020. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00524[2] Ma LY, Wu RH, et al. Full-Textile Wireless Flexible Humidity Sensor for Human Physiological Monitoring [J]. Advanced Functional Materials. 2019. https://doi.org/10.1002/adfm.201904549[3] Ma LY, Liu Q, et al. From Molecular Re-Construction of New Mesoscopic Functional Conductive Silk Fibrous Materials to Remote Respiration Monitoring [J]. Small. 2020. https://doi.org/10.1002/smll.202000203[4] Wu RH?, Ma LY?, et al. Graphene Decorated Carbonized Cellulose Fabric for Physiological Signal Monitoring and Energy Harvesting [J]. Journal of Materials Chemistry A. 2020. https://doi.org/10.1039/D0TA02221G[5] Wu RH?, Ma LY?, et al. All in One Core-Sheath Structured Inductive Yarn Stretch Sensor and its Mechanical Behavior Theoretical Analysis [J]. Materials Today physics. 2020, https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100243
