隨著智能化時代的到來，物聯網、大數據和人工智能等先進技術推動了便攜式可穿戴設備的快速發展。然而，它們需要供電電源，并且在高溫及火災環境下容易失效和損毀。雖然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和火焰對摩擦電材料的破壞極大限制了TENG的應用。因此，如何確保TENG在高溫及火場環境下的穩定性能和有效應用，仍是TENG技術發展的關鍵難題。
近日，王雙飛院士團隊段青山副教授聯合資源環境與材料學院何娟霞博士開發了一種具有核殼結構的聚乳酸（PLA）基阻燃摩擦電材料，實現了高溫環境下穩定的自供電傳感。該材料的雙層氫鍵交聯結構提高了阻燃殼層（聚乳酸/植酸鈣，PLA/PA-Ca）和電性能增強核層（聚乳酸/羧基化碳納米管，PLA/C-MWCNT）的分散性，使得阻燃和摩擦電性能增強。構建的單電極無線自供電報警系統通過可調的報警閾值實現了高溫和火災報警。這項成果以題為《Micro-nano fibers with core-shell structure for enhancing flame retardancy and high-temperature resistance of biodegradable triboelectric materials》發表在《Nano Energy》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，阮星哲、楊李紅、劉澤純、廖克璋、解學才、疏學明、湛永鐘、龐興志、楊文超、張寒冰參與研究。
1.PLA基阻燃摩擦電材料的設計策略
通過同軸靜電紡絲法設計了優異性能的核層結構特征的阻燃摩擦電材料。殼層中的PA-Ca與PLA形成P=O···H氫鍵交聯，核層中的C-MWCNT與PLA形成C=O···H氫鍵交聯。雙層氫鍵交聯網絡增強了納米纖維膜的結構穩定性，同時促進了PA-Ca和C-MWCNT在殼層和核層中的分散性，避免了PA-Ca和C-MWCNT氫鍵交聯引起的團聚現象，同時增強了核殼纖維膜的阻燃性和摩擦電性。該阻燃PLA基摩擦電材料對高溫火災環境下的運動感知、高溫和火災報警具有重要意義。
2.PLA基阻燃摩擦電材料的表征
改性后的聚乳酸基阻燃摩擦電材料纖維表面均勻平滑，纖維平均直徑增大。FTIR中C=O和P=O的紅移表明雙層氫鍵的存在；XRD分析表明核殼纖維膜的結晶度得到明顯提升；XPS中出現了P的結合能峰，并且P-O和C=O的偏移共同印證氫鍵的存在。DSC中熔融峰由雙峰轉變為單峰，表明β相向更耐熱的α相轉變。另外，由于核殼結構的增強效應，拉伸強度和斷裂伸長率得到有效提升。
3.PLA基摩擦電材料的阻燃性能
改性后的阻燃PLA摩擦電材料隨著植酸鈣含量的提升，熔滴現象逐漸消失，且符合VTM-0阻燃等級；燃燒時產生的熔滴粘度急劇增大且峰值熱釋放量顯著降低。高粘度的熔體抑制PLA流動，阻礙其脫離材料表面形成液滴。植酸鈣抑制材料的燃燒強度，進而降低PLA的可燃性。凝聚相中形成的炭層有利于隔絕外界的氧氣和熱量、抑制材料的持續燃燒，其隨PA-Ca含量增加越來越致密；在氣相中PO·自由基捕獲H·和OH·自由基發揮猝滅作用使材料自熄。
4. PLA基阻燃摩擦電材料的可生物降解性
蛋白酶K溶液酶解實驗表明，PLA纖維降解過程先粘結斷裂，隨后出現團簇，最后溶解消失。該材料具有優異的可生物降解性，在第4天降解超過70%。隨降解時間的增加，C=O吸光度降低，表明PLA的酯基水解斷鍵，形成乳酸小分子，表明該材料對環境友好、無污染。
5.PLA基阻燃摩擦電材料的摩擦電性能
由于核層C-MWCNT增加了電子的導電路徑，氫鍵加強了PLA分子鏈之間的耦合極化，從而在接觸分離過程中產生了更多的誘導電荷并促進了電子遷移。PLA基阻燃摩擦電材料的開路電壓和短路電流比PLA澆筑膜分別提升了5.1和4.5倍，此外，改性的摩擦電材料在160 ℃下保持了71.29%的輸出電壓，并且在5000次循環后僅下降3%。燃燒20s后仍有原輸出電壓的13.40%，在高溫老化48 h后的電性能僅下降8.4%，表明其在高溫和火災環境下的自供電傳感設備應用方面具有巨大的潛力。
6.自供電高溫及火災報警應用
在火場救援過程中實時的運動監測和高溫/火災探測技術能提升人員安全保障。基于單電極PLA阻燃TENG的高溫和火災報警的無線自供電傳感系統，可通過消防員運動的機械能（例如：手指拍打和手掌彎曲）轉化為電信號并通過藍牙傳輸至APP顯示。通過設置報警閾值，在0.1-0.16 V的范圍內可實現160 ℃的高溫報警；當手掌接觸火焰后進行循環彎曲時電信號可不斷觸發30 mV以上的火災報警閾值，這對于高溫和火災雙重環境下的消防救援至關重要。此外，燃燒20 s后仍能實現常用人體運動姿勢的無線實時監測，表明其在高溫火場自供電傳感應用中具有良好的潛力。
本研究成功制備了一種具有優異阻燃性、耐高溫性和生物降解性的核殼納米纖維摩擦電材料。構筑的阻燃TENG在160 ℃和暴露于火焰20 s后的電壓輸出仍能分別達到52.19 V 和 9.81 V。并且，在160 ℃下工作5000個周期后，電壓僅下降了3%。基于單電極模式的自供電傳感器在160 ℃和接觸火源時通過電話報警，即使燃燒后仍能監測消防員常見的救援姿勢。制備的材料在高溫火災環境中表現出卓越的潛力，有望在智能消防領域實現人機交互和快速救援應用。
原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110848