Adv. Mater.:一種可規模化生產的3D蜂巢結構阻燃摩擦電織物,用于火災逃生和救援

【引言】
火災事故已成為造成嚴重人身燒傷和毀滅性損失、威脅公共安全和財產安全的常見災害之一。大量的火災案例表明,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。發生火災時,大部分的救援電子設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備。在這種情況下,具有機械能收集和自供電傳感能力的摩擦電納米發電機(TENG)可以解決上述問題。此外,考慮到室內環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能量采集或信號監測的更好選擇。目前,對織物TENGs的研究已有眾多的進展,但仍存在幾個阻礙其進一步應用的關鍵問題有待解決。首先,在整個織物上浸涂功能材料制造的織物摩擦納米發電機(F-TENGs),織物通常硬度高,透水性極差,嚴重影響其穿著舒適性。其次,多層結構的F-TENGs一般都是通過復雜的工藝制備而成,導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動的能量,也不適合軟性傳感和檢測的需求。因此,用連續的TENG紗線通過織機制造F-TENG,保證其透氣性、柔韌性和舒適性,是解決上述問題的關鍵。然而,最近報道的纖維(紗線)形TENG通常存在長度短、直徑大、細度不均勻等問題,不適合紡織機械加工技術,直接影響織造效率和織物風格。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品,目前還缺乏研究。因此,通過對紡紗工藝的控制以獲得細度均勻、細度細的紗線,以及織物結構的設計及織造等均對功能性F-TENG的生產具有十分重要的意義。
【成果簡介】
近日,在新疆大學青年教師馬麗蕓,中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士,東華大學汪軍教授廈門大學郭文熹副教授團隊等合作,開發了一種基于阻燃包纏紗的3D蜂巢結構機織摩擦電納米發電機(F-TENG)。該包纏紗采用連續空心錠花式捻線技術,與傳統的紡織生產工藝兼容。由此制備的3D F-TENG可作為自供電的逃生和救援系統,應用于智能地毯,可精準定位幸存者位置并指出逃生路線,及時協助受害者搜救。作為室內裝飾,獨特的蜂巢織造結構設計賦予了F-TENG織物優秀的降噪能力。此外,結合其良好的機洗性、透氣性、阻燃性、耐用性、重復性等特點,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”發表在了Adv. Mater.上。
【圖文導讀】

圖1 3D F-TENG和智能地毯的示意圖

a)柔性3D F-TENG的制造過程示意圖。
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、實時路線引導和降噪四大功能。
c)3D F-TENG的照片。

圖2全纖維阻燃單電極摩擦電紗(FRTY)的制造過程

a)連續空心軸花式捻線機技術工藝示意圖。
b)芯紗控制裝置的照片。
c,d)紗線包纏區域的裝置和示意圖。
e)用黑板法表征FRTY紗線質量的圖片。
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紗線非線性力學性能的本構模型的圖示(注:σ表示TENG紗線上的應力,ε表示TENG紗線的應變,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。
c)TENG紗線的應力-應變曲線與模型預測結果的比較,為實驗結果提供預測依據。
d)FRTY的工作原理示意圖。
e)COMSOL模擬的不同狀態下的電位分布。
f)阻燃性能測試:g)T/C-32s TENG在燃燒測試后繼續燃燒成灰燼,h)PI-32s FRTY在燃燒測試后外觀保持穩定,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

a)FRTY的照片。
b)制造3D F-TENG的過程照片。
c,d)F-TENG的照片。
e)不同結構的F-TENGs的透氣性和厚度。
f)不同結構的F-TENGs的短路電流。
g)不同面積的3D F-TENG的開路電壓。
h)3D F-TENG的織物紋版圖和示意圖。
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中的應用

a)基于3D-F-TENG的自供電逃生和救援系統的方案。
b)自供電逃生和救援系統。
c)可實時顯示精確救援位置的自供電精確救援定位系統的照片。
d)由3D F-TENG驅動的路線引導系統的指示燈的照片。
【小結】
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。獨特的蜂巢組織結構的設計,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在室內使用,可以精準定位幸存者位置,以便及時協助受害者的搜索和救援工作。FRTY與紡織加工技術兼容,能夠大規模生產。此外,該織物具有良好的耐久性、阻燃性、透氣性、可機洗性和可重復性。這種可規模化制造技術和3D F-TENG織物結構設計,為極端火災條件下的能量收集和應急信號傳輸提供了一種高效可商業化的處理路線。
文獻鏈接:A Machine-Fabricated 3D Honeycomb-Structured Flame-Retardant Triboelectric Fabric for Fire Escape and Rescue(Adv. Mater.,2020,DOI:10.1002/adma.202003897)
【相關文獻推薦】
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