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  火災(zāi)救援現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，高溫、高濕等極端條件對(duì)消防裝備的性能提出了嚴(yán)苛要求。目前，智能消防服的發(fā)展主要有兩個(gè)方向：一是將剛性傳感器縫在消防服上，但這些傳感器不僅影響服裝的靈活性和透氣性，其依賴的電池在高溫下還存在泄漏、爆炸風(fēng)險(xiǎn)；二是開發(fā)柔性紡織基自供電傳感器，但現(xiàn)有產(chǎn)品普遍存在一個(gè)短板 - 環(huán)境濕度升高會(huì)導(dǎo)致電輸出性能下降，嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸。

  針對(duì)這些痛點(diǎn)，西安工程大學(xué)樊威教授團(tuán)隊(duì)及其合作者借鑒耐高溫導(dǎo)線的同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過層級(jí)紡織組裝技術(shù)開發(fā)出一種超級(jí)智能防火紗線（SIFY）。這種紗線不僅具備優(yōu)異的阻燃性、高強(qiáng)度和耐磨性，更突破了傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）在高濕度環(huán)境下的性能限制，實(shí)現(xiàn)了濕度越高、電輸出越強(qiáng)的“反常識(shí)”突破。相關(guān)成果發(fā)表于《Advanced Science》。

一、SIFY的“三層鎧甲”：結(jié)構(gòu)決定性能

  SIFY采用獨(dú)特的三層同軸結(jié)構(gòu)，每層材料各司其職，共同鑄就其“硬核”性能：

• 芯層：以聚二甲基硅氧烷（PDMS）纖維為基底，纏繞高導(dǎo)電的鍍銀銅線（電導(dǎo)率達(dá) 1.92×10? S/m），形成可伸縮的電極，確保在形變下不易斷裂。

  
  

• 中間層：通過同軸濕紡技術(shù)，將苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）與聚磷酸銨（APP）、磷氮阻燃劑（PNFR）的混合物涂覆在芯層外，形成防水阻燃層。它像一道“屏障”，既能隔絕外界濕氣對(duì)電極的影響，又能在高溫下發(fā)揮阻燃作用。

  
  

• 外層：采用聚對(duì)苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維通過二維編織技術(shù)包裹，賦予紗線超高的機(jī)械強(qiáng)度和阻燃性，滿足火災(zāi)現(xiàn)場的極端力學(xué)需求。

圖1 展示了SIFY的制備流程和三層結(jié)構(gòu)的微觀形貌：從PDMS纖維到纏繞導(dǎo)線，再到涂覆中間層，最后編織外層PBO纖維，一步步構(gòu)建出均勻的同軸結(jié)構(gòu)

二、性能“天花板”：阻燃、強(qiáng)度、耐磨性拉滿

1. 極致阻燃，烈火難侵

  火災(zāi)現(xiàn)場，阻燃性能是“保命線”。SIFY的中間層SEBS/APP/PNFR通過物理混合阻燃劑，極限氧指數(shù)（LOI）從純SEBS的18.6%提升至33.6%，燃燒時(shí)會(huì)形成連續(xù)致密的炭層和氣泡，隔絕氧氣并抑制火焰蔓延。外層PBO纖維進(jìn)一步強(qiáng)化阻燃效果：SIFY的LOI高達(dá)50.2%（遠(yuǎn)超消防服常用芳綸紗線的29%），經(jīng)12秒燃燒后損傷幾乎可忽略（圖2）。這意味著即使在烈火中，SIFY也能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。SIFY與已報(bào)道阻燃摩擦電紗線的核心指標(biāo)，在LOI、拉伸強(qiáng)度、高溫電性能保留率等方面，SIFY均位居第一。

圖2. SIFY的阻燃性能

2. 力學(xué)“扛把子”，耐磨抗造

  SIFY的拉伸強(qiáng)度達(dá)550.72 MPa，是商用芳綸紗線（250 MPa）的2倍多；經(jīng)過12000次摩擦循環(huán)后，結(jié)構(gòu)仍完好無損，電輸出性能穩(wěn)定。此外，其抗切割性能也表現(xiàn)優(yōu)異，能應(yīng)對(duì)救援現(xiàn)場的尖銳物體摩擦。

三、濕度“助推器”：高濕環(huán)境下性能反升

  傳統(tǒng)紡織基TENG在高濕度環(huán)境下，因纖維吸濕會(huì)導(dǎo)致電輸出下降，而SIFY卻走出了“逆襲”路線：

• 當(dāng)相對(duì)濕度（RH）低于80%時(shí)，SIFY的開路電壓（V_OC）緩慢上升；

  
  

• 當(dāng)RH升至95%時(shí)，V_OC較初始值提升53.57%，穩(wěn)定在25-27V。

  這一突破的關(guān)鍵在于：中間層SEBS/APP/PNFR和外層PBO纖維均為疏水材料（水接觸角分別為126.6°和136.3°），能阻擋水分侵入芯層；而在超高濕度下，水分會(huì)沿纖維界面擴(kuò)散，與PBO纖維形成氫鍵，水分子作為帶正電材料參與摩擦起電，從而增強(qiáng)電輸出。此外，SIFY在高溫下也能穩(wěn)定工作：200℃時(shí)，V_OC仍保持初始值的66.57%，且300秒內(nèi)信號(hào)穩(wěn)定，完全適配火災(zāi)現(xiàn)場的高溫環(huán)境。

圖3. SIFY的摩擦電性能

四、從紗線到裝備：智能消防的“多面手”

  SIFY不僅是一種高性能紗線，更能通過紡織加工制成電子紡織品，實(shí)現(xiàn)“一材多用”：

• 自供電傳感器：編織成的電子織物可用于手勢識(shí)別——接觸的手指數(shù)量不同（1-5根），輸出電壓從0.23 V增至3.93 V，信號(hào)能實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為指令并通過藍(lán)牙傳輸(圖5b)，解決火災(zāi)現(xiàn)場語音、視覺通信受阻的問題；

  
  

• 智能消防繩：與芳綸纖維編織成的消防繩，能通過摩擦產(chǎn)生的電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測自身狀態(tài)(圖5)。若繩子磨損、斷裂，電信號(hào)消失，可及時(shí)預(yù)警，避免救援中因裝備失效造成的危險(xiǎn)；

  
  

• 微型電源：3.5cm×3.5cm 的SIFY電子織物可點(diǎn)亮57盞LED組成的“FIRE”圖案（圖4f），還能為低功耗傳感器供電，擺脫電池依賴。

圖4. SIFY織物的電學(xué)性能

圖5. SIFY及其電子織物的應(yīng)用, a) 集成到消防服中的 SIFY 電子織物的應(yīng)用示意圖, b) SIFY在不同手勢下的開路電壓（V_OC）, c) 敲擊SIFY電子織物時(shí)，與摩爾斯電碼“FIRE”對(duì)應(yīng)的開路電壓（V_OC）, d) 智能繩索的應(yīng)用場景圖, e) 智能繩索的實(shí)物圖, f) 智能繩索損壞前后的開路電壓（V_OC）

  SIFY的出現(xiàn)為智能消防裝備提供了全新解決方案。未來，這種集阻燃、高強(qiáng)度、耐切割、耐磨損、自供電、濕度適應(yīng)于一體的紗線，有望在消防、極限運(yùn)動(dòng)、應(yīng)急救援等極端環(huán)境中發(fā)揮重要作用，為消防員的安全再添一道“科技防線”。

  該工作第一作者為西安工程大學(xué)碩士研究生孫瑩，通訊作者為西安工程大學(xué)功能性紡織材料及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室樊威教授和西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院王淑娟教授。研究得到國家自然科學(xué)基金、陜西省杰出青年科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

  原文鏈接：Ying Sun, Yong Zhang, Haoyu Shi, et al. Hierarchically Engineered Flame -Retardant Triboelectric Yarn Exhibiting Robust Mechanical Performance and Humidity-Boosted Electrical Output for Firefighting Applications. Advanced Science, 2025, DOI: 10.1002/advs.202507673.

  https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202507673