01 研究背景
災難性火災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境方面容易失效和損毀。基于接觸起電和靜電感應耦合效應的摩擦納米發電機（TENG）為此提供了一個新的思路，但是高溫環境下熱離子發射效應引發的電荷耗散、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的應用。因此，如何確保TENG在雙重惡劣環境下的穩定及有效應用，仍是TENG發展的關鍵難題之一。
02 文章概述
近日，廣西大學王雙飛院士團隊段青山副教授聯合何娟霞博士開發了一種由羧基化多壁碳納米管驅動的高性能摩擦電材料，實現了高溫火場及水雙重惡劣環境下穩定的自供電傳感。該材料燃燒誘導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高的PVDF的電活性β相和雙氫鍵交聯實現了阻燃、摩擦電和力學性能同時增強。構建的單電極無線自供電傳感器在水中實現了報警，并在燃燒后可實時監測救援狀態。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、謝學才、疏學明、湛永鐘、龐興志、楊文超參與研究。
03 文章導讀
1.PVDF基摩擦電材料的設計策略
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，使其在高溫和水環境中的摩擦電性能得到了極大提升。同時，通過結合靜電紡絲技術與雙氫鍵交聯策略，實現了優異的柔韌性與高抗拉強度。該材料對高溫和水環境下動態識別、監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構，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，同時結合DSC分析發現改性纖維膜的β相得到明顯提高。
3.PVDF基摩擦電材料的阻燃性能及力學性能
該PVDF基摩擦電材料具有優異耐火性，且在1 s內自熄，符合VTM-0阻燃等級。燃燒過程中PVDF分解產生的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定的炭層，阻擋了外部熱量和氧氣，中斷了燃燒鏈式反應使材料自熄；且其熱釋放速率和總熱釋放量顯著降低。另外，它還具有優異的疏水性，同時由于雙氫鍵交聯結構的增強效應，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生更大的轉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，誘導更多的導電路徑，因此其電壓從95.3 V逐漸升高，最后穩定在117.9 V。
5.PVDF基摩擦電材料在高溫和水環境下的摩擦電性能
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后仍能產生22.2 V的輸出電壓。此外，由于水的電荷屏蔽效應和電極-電解質界面效應的雙重機制，纖維膜完全浸沒水中時，摩擦電大幅降低，但能穩定輸出8.9 V的電壓，并且經過長達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境下的自供電傳感設備應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用展示
在火場救援過程中實時的運動監測和高溫/火災/防水探測技術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，可通過消防員運動如手掌拍打和彎曲轉化為電信號并通過藍牙傳輸至APP顯示。通過設置電信號報警閾值，當手掌浸入水中彎曲超過45°時可不斷觸發4 mV以上的水下報警閾值。此外，燃燒30 s后仍能實現常用人體運動姿勢的無線實時監測，表明其在高溫自供電傳感應用中具有良好的潛力。
04 結論
綜上，本研究成功制備了一種由羧化多壁碳納米管驅動的優良阻燃性（超快自熄性，<1 s）、摩擦電和力學性能的多功能摩擦電材料。構筑的阻燃疏水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實現人體運動狀態監測和報警功能，有望在災難性火災和雨天環境中實現智能救援。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113091