可穿戴热引发火灾预警气凝胶电子织物的制备及性能研究

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火灾是对公众安全和社会发展威胁最大的自然灾害之一。在消防员灭火救援过程中,消防服是保护消防员免受烧伤的必备装备。当消防员暴露于过高的火场温度时(600-800℃),由于消防服装隔热层的存在,消防员无法实时、准确获知防护服外层温度,消防服装最外层极易遭受高温而烧损,威胁消防员生命安全。本课题基于半导体纳米材料的温度响应电阻变化特征,制备出一种兼具超灵敏温度响应与自供电能力的电子织物,并将其集成于消防服装中。当消防服表面温度达到350℃以上时,该预警电子织物在2~3 s内触发火灾预警系统,可发出预警信号提醒消防员及时远离高温火源。本课题以海藻酸钙(CA)、纳米四氧化三铁(Fe3O4NPs)和银纳米线(Ag NWs)为原材料,通过湿法纺丝、溶胶/凝胶转变、水/醇溶剂交换、冷冻干燥以及喷涂等一系列技术制备了热引发导电气凝胶纤维(TIC-AF)。通过控制水/醇溶剂交换体系中醇的浓度,实现了对TIC-AF内部孔隙形态的调控,实验结果表明:当水/醇混合浓度为30 wt%时,TIC-AF展现“多孔芯,致密鞘”的微观结构,孔隙直径范围分布在4-14 nm之间,拉伸断裂强力为13.5 MPa,纤维密度为0.033 g/cm~3,比表面积为38 m~2/g。基于制备的TIC-AF,编织构建自供电火灾预警(SFA)电子织物。Fe3O4NPs温度响应电阻变化特性赋予SFA高温预警能力。当电子织物遭遇高温时(>350℃),其电阻会在2.3 s内从10~4Ω迅速下降到10~2Ω,从而触发火灾预警系统。当电子织物二次遭遇高温时,其依然能够在3 s内发出预警信号,可实现在100-400℃温度范围内重复的高温预警能力。预警电子织物具有良好的柔韧性,经历200次弯曲循环测试(180°),遭遇高温时依然可以在2~3 s内触发火灾预警系统。此外,基于海藻酸钙和聚磷酸铵的协同阻燃效应,电子织物展现优异的阻燃性能,其热释放速率峰值为3.819 W/g,总热释放速率为0.1 KJ/g。以SFA电子织物为正极摩擦材料,聚四氟乙烯(PTFE)整理的棉织物为负极摩擦材料构建了SFA电子织物基摩擦纳米发电机(TENG),实现电子织物对人体机械能的收集和自供电传感能力。研究了气凝胶纤维直径,Ag NWs喷涂次数,PTFE浓度整理的棉织物以及温度对TENG的电输出性能的影响。实验结果表明:当PTFE浓度为10 wt%,Ag NWs喷涂次数为20次,纤维直径1.0 mm时,TENG具有最佳的电输出能力(3.8 V)。当遭受250℃高温时,TENG输出电压依然保留常温下开路电压的47.7%。因此,SFA电子织物基TENG可集成于消防服装中为火灾预警系统提供电能,以克服现有电源柔性差难以集成服装中的缺陷。本课题制备了兼具温度监测与自发电功能的火灾预警气凝胶电子织物,可作为火灾预警传感器应用于消防服装中赋予了消防服高温预警功能以及自供电能力,保障了消防员安全工作。
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