武汉纺织大学于志财/何华玲课题组《CEJ》：芳纶基热电纤维制备及自供电火灾预警柔性传感器

近日，武汉纺织大学化工学院于志财/何华玲课题组在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“A wearable self-powered fire warning e-textile enabled by aramid nanofibers/MXene/silver nanowires aerogel fiber for fire protection used in firefighting clothing” 研究论文。化工学院教师何华玲为该论文的第一作者, 硕士研究生秦怡为共同第一作者，通讯作者为武汉纺织大学于志财特聘教授，武汉纺织大学技术研究院王金凤教授为共同作者。该工作得到国家先进功能纤维创新中心，武汉纺织大学先进纺纱织造及清洁生产国家地方联合工程实验室开放基金的资助。

基于热电材料的传感器可将热能转换成为电能，从而产生电信号，实现自供电火灾预警功能。其中，基于热电纤维的自供电火灾预警柔性器件，以非干扰的“人-衣”接口，实现系统所覆盖物理空间中监测对象的局部物联，且具有穿着舒适、耐水洗、形状自适应性等优点，是构建火灾预警穿戴系统的理想载体。其次，相比被广泛报道的氧化石墨烯（GO）基热阻响应传感器，MXene基火灾预警传感器具有可重复使用的优点，且整个器件无需其他辅助外部电源即可主动实现对外界“高温”做出快速、可靠的响应，近几年已迅速成为该领域的研究热点。

近期，该课题组通过湿法纺丝技术将Ti3C2Tx MXene与银纳米线(Ag NWs)引入芳纶纳米纤维气中，并在内部构建Ag NWs/MXene的3D导电网络结构，实现了自供电的火灾超前精确预警。该热电纤维可编制成织物基柔性传感器，实现将外界温度信号转化为电压信号，根据所产生的电压与所暴漏温度的线性关系，实现对100-400℃范围内温度的实时监测。其次，该芳纶基热电纤维还具有拉伸、弯曲以及扭曲等形变特性，使其制备的柔性传感器具备极佳的灵敏度和柔韧性，有望被集成于消防服装并赋予高温预警功能。当消防服在恶行高温热辐射火灾环境中所承受温度超过一定安全要求阈值，从而触发火灾预警系统，提醒消防员及时撤退火场环境，对消防员在灭火作业时的安全防护意义重大（图1）。

图1. 芳纶基热电纤维制备及自供电火灾预警柔性传感器。(a)芳纶纳米纤维纺丝液的制备；(b)芳纶基热电纤维湿纺纺丝工艺及电子织物；(c)纤维基火灾预警柔性传感器；(d)柔性传感器轻质性展示；(e)柔性传感器氮吸附/脱附等温线；(f) 芳纶基热电纤维与其他商用纤维的密度比较；(g) 自供电火灾预警柔性传感器在智能消防服中的潜在应用。

在火灾高温环境下，优异的阻燃性能对火灾预警传感器来说至关重要。基于芳纶纳米纤维的柔性火灾预警传感器表现出了优异的热稳定性能，最大热降解温度和残碳量分别高达450 ℃和73.8 wt% (图2)。MXene中C和Ti的氧化作用，可在芳纶纤维的表面形成致密的炭层可作为物理屏障，来抑制热量和氧气传递。另外，得益于MXene与ANFs的协同阻燃作用，其热释放速率峰值和热释放总量较纯芳纶气凝胶纤维分别降低了80%和45%。

图2. 柔性火灾预警传感电子织物阻燃性能测试。(a)棉织物传感电子织物的垂直燃烧测试；(b)纯芳纶气凝胶纤维和传感电子织物燃烧后的形貌图；(c) 火灾预警电子织物燃烧后的元素分布图；(d) 传感织物燃烧残渣的EDX光谱；(e)MXene、纯芳纶气凝胶纤维和传感织物的TG和DTG曲线；(f) 纯芳纶气凝胶纤维和传感织物热释放速率曲线；(g)传感织物暴露于酒精灯火焰中0、5、10和15秒时的FTIR光谱；(h)传感织物3D TG-FTIR光谱；(i)火灾预警传感织物的阻燃机理示意图。

基于2D MXene纳米片的热电响应特性和高导电性及1D Ag NWs 桥接2D MXene的互连导电网络协同作用，该热电纤维基火灾预警传感器实现无需外部电源可重复的火灾预警能力。当遭受火焰灼烧时，该柔性传感器在1.6 s即可触发火灾预警系统。当电子织物第二次暴露于火焰时，受热的传感器依然能够在2 s内触发预警系统，具有可重复的温度监测能力。此外，模拟建立了由传感织物、手机和带蓝牙模块的数字万用表组成的无线检测火灾预警传感系统。当该传感织物被集成在消防服装的背部，一旦电压超过阈值时，在热防护服被高温火焰烧毁前向消防人员发出报警或警告信号（图3）。

图3. 火灾预警传感电子织物火灾预警性能展示。(a) 传感织物在酒精灯火焰下火灾预警测试过程；(b, c) 不同循环时间(20和40 s)传感织物产生电压的变化曲线；(d) 传感织物火灾预警重复性测试；(e)传感织物的火灾报警触发时间与其它材料比较；(f) 传感织物在火警系统中的工作模式。

总结：该研究将MXene和Ag NWs引入芳纶纳米纤维气凝胶纤维中，通过湿法纺丝和织造技术制备了芳纶基热电纤维及自供电火灾预警柔性传感器，实现了1.6 s内的火灾预警快速响应，同时具有优异的力学性能和阻燃隔热性能。该研究成果为火灾预警智能消防服的研发提供了可行途径。同时，该工作也是课题组近期在纤维基火灾预警柔性传感器的最新进展之一，是前期研究工作ACS Nano (2022)：16, 2953-2967(高被引论文)、Composites Part B: Engineering（2022）：110348、Carbohydrate Polymers（2021）：117485等的延续。

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原文连接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141661

来源：高分子科学前沿

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