01 研究背景
災(zāi)難性火災(zāi)和暴雨事故的報警和救援新型材料和裝置對人員安全具有重要意義。然而，它們需要供電電源，并且在高溫火場及水中極端環(huán)境方面容易失效和損毀。基于接觸起電和靜電感應(yīng)耦合效應(yīng)的摩擦納米發(fā)電機（TENG）為此提供了一個新的思路，但是高溫環(huán)境下熱離子發(fā)射效應(yīng)引發(fā)的電荷耗散、火焰對摩擦電材料的破壞及高濕引起的電荷中和極大限制了TENG的應(yīng)用。因此，如何確保TENG在雙重惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定及有效應(yīng)用，仍是TENG發(fā)展的關(guān)鍵難題之一。
02 文章概述
近日，廣西大學(xué)王雙飛院士團隊段青山副教授聯(lián)合何娟霞博士開發(fā)了一種由羧基化多壁碳納米管驅(qū)動的高性能摩擦電材料，實現(xiàn)了高溫火場及水雙重惡劣環(huán)境下穩(wěn)定的自供電傳感。該材料燃燒誘導(dǎo)的含氟自由基及凝聚相炭層，高壓電場、機械拉伸及雙氫鍵誘導(dǎo)高的PVDF的電活性β相和雙氫鍵交聯(lián)實現(xiàn)了阻燃、摩擦電和力學(xué)性能同時增強。構(gòu)建的單電極無線自供電傳感器在水中實現(xiàn)了報警，并在燃燒后可實時監(jiān)測救援狀態(tài)。這項成果以題為《Triple-enhanced triboelectric materials driven by carboxylated multi-walled carbon nanotubes: Flame retardancy, triboelectricity, and mechanical property》發(fā)表在《Composites Part B》上，何娟霞博士為本研究第一作者，段青山副教授為通訊作者，楊李紅、阮星哲、劉澤純、廖克璋、謝學(xué)才、疏學(xué)明、湛永鐘、龐興志、楊文超參與研究。
03 文章導(dǎo)讀
1.PVDF基摩擦電材料的設(shè)計策略
采用靜電紡絲法制備了具有耐高溫（200 ℃）、自熄性（<1 s）、防水（WCA=123°）性能的摩擦電材料。由于高壓電場和靜電紡絲的機械拉伸和C-MWCNT的互補作用，PVDF分子鏈中偶極子的原位極化提高了PVDF中β相的含量，使其在高溫和水環(huán)境中的摩擦電性能得到了極大提升。同時，通過結(jié)合靜電紡絲技術(shù)與雙氫鍵交聯(lián)策略，實現(xiàn)了優(yōu)異的柔韌性與高抗拉強度。該材料對高溫和水環(huán)境下動態(tài)識別、監(jiān)測和報警具有重要意義。
2.PVDF基摩擦電材料的表征
改性后的PVDF基摩擦電材料纖維形成了納米突起結(jié)構(gòu)，表面粗糙化，纖維平均直徑減小。XRD分析表明改性纖維膜的結(jié)晶度得到明顯提升。FTIR中-COOH和-OH的紅移表明雙層氫鍵的存在，同時結(jié)合DSC分析發(fā)現(xiàn)改性纖維膜的β相得到明顯提高。
3.PVDF基摩擦電材料的阻燃性能及力學(xué)性能
該PVDF基摩擦電材料具有優(yōu)異耐火性，且在1 s內(nèi)自熄，符合VTM-0阻燃等級。燃燒過程中PVDF分解產(chǎn)生的F·自由基消耗了H·和OH·自由基、C-MWCNT和雙氫鍵催化形成了更致密穩(wěn)定的炭層，阻擋了外部熱量和氧氣，中斷了燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使材料自熄；且其熱釋放速率和總熱釋放量顯著降低。另外，它還具有優(yōu)異的疏水性，同時由于雙氫鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)的增強效應(yīng)，拉伸強度和斷裂伸長率得到有效提升。
4.PVDF基摩擦電材料在室溫下的的摩擦電性能
C-MWCNT和靜電紡絲工藝的協(xié)同作用顯著提高了PVDF的β晶相含量和摩擦有效接觸面積，從而在接觸分離過程中產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)移電荷和表面電荷密度。與澆筑膜相比，P/CM5-TENG的開路電壓和短路電流分別提升了9.6和5.3倍；在2 Hz頻率下工作5000次后變得更加緊實，C-MWCNT在纖維上接觸頻繁，誘導(dǎo)更多的導(dǎo)電路徑，因此其電壓從95.3 V逐漸升高，最后穩(wěn)定在117.9 V。
5.PVDF基摩擦電材料在高溫和水環(huán)境下的摩擦電性能
該PVDF基摩擦電材料在100 ℃下保持了70.62%的輸出電壓，在200 ℃下相比純PVDF纖維膜的電壓提高了1.8倍，并且在燃燒30 s后仍能產(chǎn)生22.2 V的輸出電壓。此外，由于水的電荷屏蔽效應(yīng)和電極-電解質(zhì)界面效應(yīng)的雙重機制，纖維膜完全浸沒水中時，摩擦電大幅降低，但能穩(wěn)定輸出8.9 V的電壓，并且經(jīng)過長達48 h的水下浸沒耐久性測試后仍能正常工作，電壓僅下降2.66 V。因此，該材料在高溫和水環(huán)境下的自供電傳感設(shè)備應(yīng)用方面具有巨大的潛力。
6.高溫多雨條件下的自供電傳感和報警應(yīng)用展示
在火場救援過程中實時的運動監(jiān)測和高溫/火災(zāi)/防水探測技術(shù)能提升人員安全保障。基于單電極PVDF阻燃TENG的高溫和水下報警的無線自供電傳感系統(tǒng)，可通過消防員運動如手掌拍打和彎曲轉(zhuǎn)化為電信號并通過藍牙傳輸至APP顯示。通過設(shè)置電信號報警閾值，當(dāng)手掌浸入水中彎曲超過45°時可不斷觸發(fā)4 mV以上的水下報警閾值。此外，燃燒30 s后仍能實現(xiàn)常用人體運動姿勢的無線實時監(jiān)測，表明其在高溫自供電傳感應(yīng)用中具有良好的潛力。
04 結(jié)論
綜上，本研究成功制備了一種由羧化多壁碳納米管驅(qū)動的優(yōu)良阻燃性（超快自熄性，<1 s）、摩擦電和力學(xué)性能的多功能摩擦電材料。構(gòu)筑的阻燃疏水TENG在200 ℃、暴露于火焰30 s和完全浸入水中后的電壓輸出仍能分別達到44.17 V、22.23 V和8.90 V。基于單電極模式的自供電傳感器可以在200 ℃、接觸火源和完全浸入水中通過無線藍牙系統(tǒng)實現(xiàn)人體運動狀態(tài)監(jiān)測和報警功能，有望在災(zāi)難性火災(zāi)和雨天環(huán)境中實現(xiàn)智能救援。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113091