本研究成功地制造了一(yī)種具有阻燃、降噪和自供電(diàn)逃生(shēng)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(wù)卓越的降噪能力。此外(wài)，3D F-TENG還可以作爲自供電(diàn)的逃生(shēng)救援系統在室内使用，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(gōng)作。
火(huǒ)災事故已成爲造成嚴重人身燒傷和毀滅性損失、威脅公共安全和财産安全的常見災害之一(yī)。大(dà)量的火(huǒ)災案例表明，提高人的逃生(shēng)能力和材料的阻燃能力對減少人員(yuán)傷亡具有重要意義。發生(shēng)火(huǒ)災時，大(dà)部分(fēn)的救援電(diàn)子設備由于電(diàn)力中(zhōng)斷而無法使用。因此，迫切需要具有阻燃功能的自供電(diàn)消防電(diàn)子設備。在這種情況下(xià)，具有機械能收集和自供電(diàn)傳感能力的摩擦電(diàn)納米發電(diàn)機（TENG）可以解決上述問題。此外(wài)，考慮到室内環境的裝飾及其他功能需求，即具有阻燃功能的紡織品将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(diàn)子器件相比，裝飾用紡織品将是室内能量采集或信号監測的更好選擇。目前，對織物(wù)TENGs的研究已有衆多的進展，但仍存在幾個阻礙其進一(yī)步應用的關鍵問題有待解決。首先，在整個織物(wù)上浸塗功能材料制造的織物(wù)摩擦納米發電(diàn)機（F-TENGs），織物(wù)通常硬度高，透水性極差，嚴重影響其穿着舒适性。其次，多層結構的F-TENGs一(yī)般都是通過複雜(zá)的工(gōng)藝制備而成，導緻器件體(tǐ)積龐大(dà)且剛性不足，既不利于采集人體(tǐ)日常小(xiǎo)微運動的能量，也不适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、柔韌性和舒适性，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(dà)、細度不均勻等問題，不适合紡織機械加工(gōng)技術，直接影響織造效率和織物(wù)風格。此外(wài)，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産品，目前還缺乏研究。因此，通過對紡紗工(gōng)藝的控制以獲得細度均勻、細度細的紗線，以及織物(wù)結構的設計及織造等均對功能性F-TENG的生(shēng)産具有十分(fēn)重要的意義。近日，在新疆大(dà)學青年教師馬麗芸，中(zhōng)科院北(běi)京納米能源與系統研究所王中(zhōng)林院士，東華大(dà)學汪軍教授和廈門大(dà)學郭文熹副教授團隊等合作，開(kāi)發了一(yī)種基于阻燃包纏紗的3D蜂巢結構機織摩擦電(diàn)納米發電(diàn)機（F-TENG）。該包纏紗采用連續空心錠花式撚線技術，與傳統的紡織生(shēng)産工(gōng)藝兼容。由此制備的3D F-TENG可作爲自供電(diàn)的逃生(shēng)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(shēng)路線，及時協助受害者搜救。作爲室内裝飾，獨特的蜂巢織造結構設計賦予了F-TENG織物(wù)優秀的降噪能力。此外(wài)，結合其良好的機洗性、透氣性、阻燃性、耐用性、重複性等特點，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(dà)的應用潛力該成果以題爲“A Machine-Fabricated 3D Honeycomb-Structured Flame-Retardant Triboelectric Fabric for Fire Escape and Rescue”發表在了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、精确救援定位、實時路線引導和降噪四大(dà)功能。
圖2全纖維阻燃單電(diàn)極摩擦電(diàn)紗（FRTY）的制造過程
a）連續空心軸花式撚線機技術工(gōng)藝示意圖。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(fēn)别爲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(fēn)别表示代表皮層紗和芯紗的黏壺的粘滞系數。c）TENG紗線的應力-應變曲線與模型預測結果的比較，爲實驗結果提供預測依據。e）COMSOL模拟的不同狀态下(xià)的電(diàn)位分(fēn)布。f）阻燃性能測試：g）T/C-32s TENG在燃燒測試後繼續燃燒成灰燼，h）PI-32s FRTY在燃燒測試後外(wài)觀保持穩定，i）測試後電(diàn)氣輸出性能僅略有下(xià)降。j）不同材料、頻(pín)率和長度的TENG紗線的短路電(diàn)流。k）PI-32s FRTY在1 Hz頻(pín)率和30 N力作用下(xià)的電(diàn)容充電(diàn)能力。l）在1 Hz頻(pín)率和30 N力作用下(xià)，在不同的外(wài)部負載電(diàn)阻作用下(xià)測量PI-32s FRTY的電(diàn)流和峰值功率。
圖4基于FRTY的3D F-TENG的示意圖和性能
f）不同結構的F-TENGs的短路電(diàn)流。g）不同面積的3D F-TENG的開(kāi)路電(diàn)壓。h）3D F-TENG的織物(wù)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(diàn)逃生(shēng)和救援系統中(zhōng)的應用
a）基于3D-F-TENG的自供電(diàn)逃生(shēng)和救援系統的方案。b）自供電(diàn)逃生(shēng)和救援系統。c）可實時顯示精确救援位置的自供電(diàn)精确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。綜上所述，本研究成功地制造了一(yī)種具有阻燃、降噪和自供電(diàn)逃生(shēng)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(wù)卓越的降噪能力。此外(wài)，3D F-TENG還可以作爲自供電(diàn)的逃生(shēng)救援系統在室内使用，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(gōng)作。FRTY與紡織加工(gōng)技術兼容，能夠大(dà)規模生(shēng)産。此外(wài)，該織物(wù)具有良好的耐久性、阻燃性、透氣性、可機洗性和可重複性。這種可規模化制造技術和3D F-TENG織物(wù)結構設計，爲極端火(huǒ)災條件下(xià)的能量收集和應急信号傳輸提供了一(yī)種高效可商(shāng)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）[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
