400°C高温下三秒预警！中国科学家研发防烧伤电子织物，结合气凝胶纤维和半导体纳米材料打造高温防护利器

2019 年 3 月 30 日，四川省凉山州木里县雅砻江镇立尔村发生森林火灾。期间，扑火人员在转场途中，由于受风力风向突变影响，造成 31 名扑火队员不幸殉职。

“我听到后非常震惊与伤心。后来我了解到，每年中国消防队员火灾出警次数大约在 30 万。近 5 年来，平均每年有 300 名消防员发生伤亡事故，其中很多由于消防服装防护失效所致。”武汉纺织大学教授王金凤表示。

图 | 右一为王金凤（来源：王金凤）

如果说消防员是老百姓的防线，那消防服就是消防员的防线。“3.30 事件”发生后，作为一名科学家，王金凤在想能否开发一款可集成到消防服装上、并且兼具灵敏火灾预警与自供电能力的超轻型可穿戴火灾预警器。

如此一来，当消防服暴露在高温下，就能进行实时温度监测，并在消防服被高温火焰损坏之前，及时向穿戴者发送报警信号，提醒消防员安全撤离。

基于此，王金凤团队结合气凝胶纤维的轻质性和可编织性、以及半导体纳米材料因温度变化而发生电阻变化的性能，将这三种重要特性同时赋予在一种柔性电子织物上。

最终，他们研发出这种兼具超灵敏温度响应、和自供电能力的传感织物，并将其用于消防员防护服的高温预警。

（来源：王金凤）

实验结果显示，将电子织物与消防服面料结合，制备出来的防护服表面遭受 350℃ 以上高温火焰时，即可实现即时报警，从而提醒消防员及时撤离到火源周围的安全距离，以免防护服遭受高温从而失去防护性能。

同时，该电子织物还可用作消防服的能量收集器，为消防员提供自供电定位功能，以便自我营救。

制备过程中，王金凤团队采用了智能柔性火灾预警传感材料，该材料具备出色的阻燃性、隔热性、轻质性及柔韧性，克服了传统烟雾探测器响应时间长、早期预警差、无法集成到消防服装上等缺点。

1 月 27 日，相关论文以《一种用于消防服的、具有可重复的温度监测性能的基于导电气凝胶纤维的超轻自供电火灾报警电子纺织品》（An Ultralight Self-Powered Fire Alarm e-Textile Based on Conductive Aerogel Fiber with Repeatable Temperature Monitoring Performance Used in Firefighting Clothing）为题，发表在 ACS Nano 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：ACS Nano）

下一步，王金凤将与消防服装企业合作，进行火灾预警电子织物传感器的工艺优化，并将考察放大制备后的性能稳定性。另据悉，该材料在建筑、矿山、交通、军事、森林等领域，也具有良好应用前景。

400°C 高温下，电子织物只需 3 秒即可发出警报

该研究要解决的具体痛点在于，火灾是最常发生的威胁公众安全和社会发展的灾害之一。在消防人员的灭火过程中，消防服是一种可保护其免受烧伤的基本装备。

由于消防服隔热层的存在，消防员在火灾救援作业时，无法实时、准确地获知消防服的外层温度，服内温度也仅能通过自身主观感受。

在高度复杂和危险的火场环境中，高温环境极易导致消防服受损，这会给消防员们的生命安全带来极大隐患。

就研究过程来说，王金凤先是通过湿法纺丝工艺，制备出不同直径的气凝胶纤维，并将其进一步编织成织物，工艺如下图所示。

图 | 制备工艺（来源：ACS Nano）

制备好织物后，又考察了表面功能性涂层、对织物本身透气性和导电性能的影响。织物在穿着过程中，不可避免会产生弯曲变形。不过，该团队通过测试发现，电子织物可在不同弯曲角度下维持稳定电阻。

同时，王金凤团队还发现即使在 180° 弯曲条件下，反复弯曲几百次，电子织物也能维持稳定的电阻变化、以及稳定的火灾报警触发时间。这表明电子织物在实际使用中，可以比较稳定地输出信号，并不会受到织物变形的影响。

（来源：ACS Nano）

研究中，王金凤还把电子纺织品集成到消防防护服中。期间，圣欧集团（中国）有限公司赞助了该团队一些消防服装与消防服用面料。

一般来说，消防防护服可分为四层：第一至第四层分别为阻燃层、防潮层、隔热层和舒适层。研究中，王金凤在第一层和第二层之间的防护服中，集成了一块电子织物作为额外层，以监测服装的表面温度。在极端火灾环境下，当防护服出现故障时，电子织物可以发出报警信号。

（来源：ACS Nano）

为进一步证明该电子织物火灾报警性能的可重复性，该团队将电子织物以 20 秒和 40 秒的周期，反复暴露并远离火焰，同时记录电流变化。

结果表明，当织物暴露在火焰下，其输出的电流非常稳定，标准偏差为 5%，这说明电子织物具备良好的稳定性、以及可重复的火灾报警能力。

此外，王金凤团队还观察到电子织物受热前和受热后的电阻比值，会随外部温度的升高而降低，电子织物的响应时间也会随温度升高而显著缩短。

例如，在 150°C 时，织物的响应时间为 32 秒；温度升至 300°C 时，响应时间降为 11 秒；而在 400°C 时，响应时间只需 3 秒。这说明在高火灾风险下，电子织物具备快速灵敏的警报能力。

（来源：ACS Nano）

进一步地，基于电子纺织品的柔韧性和高传感性能，该团队以该电子织物为正极摩擦材料、以聚四氟乙烯整理的棉织物为负极摩擦材料，构建了摩擦发电机（TENG，Triboelectric nanogenerator），所制备的 TENG 可以附着在人体不同部位，从而实现将生物力学能量转化为电能。

以 TENG 为动力，该团队设计出一个自救定位系统，结合消防服的综合消防救援定位系统，可通过按 TENG 键发送紧急求救信号，该信号可被接收、并准确显示被困消防人员在消防站控制中心的位置。这时，被困的消防员就能得到实时路径引导，从而在极端火灾条件下及时疏散。

目前，传统火灾预警传感器主要以烟雾报警和红外报警为主。但由于其体积大，不适合结合到消防防护服的面料上。森林火灾一旦点燃，通常会迅速燃烧，火焰迅速蔓延到大片区域，这可能会导致消防员迷路，无法确定正确的疏散路线，从而增加不必要的伤亡。

因此，将自动消防救援定位系统纳入消防服中，以发送遇险信号非常重要。而此次一并开发的可穿戴智能火灾预警器，可让消防服具备高温预警功能，借此保障灭火作业时的安全防护。

（来源：ACS Nano）

据悉，该火灾预警传感器具有柔性、高灵敏、可重复监测火灾温度的性能，克服了传统火灾探测器响应时间长、无法结合到消防面料等缺陷，借此打开了柔性电子织物火灾预警器的应用大门。

概括来说，此次制备的火灾预警电子纺织品，兼具灵敏火灾预警性能和自供电能力。它既是纺织品，也是柔性传感器件，可被编织在消防服内部，实现可重复的温度监测，且具有隔热、快速、实时、阻燃等特点。

下一步，该团队将制备基于芳纶的气凝胶纤维，芳纶纤维是制备消防服用面料的主要原料，具有高强力和高阻燃的特点。作为高温预警传感材料，把其整合到防护服中，能更好地适应火灾高温环境。目前，该工作正在开展中。

（来源：ACS Nano）

在澳工作生活十余年，国内疫情防控得力坚定回国信心

据介绍，王金凤本科毕业于吉林大学化学学院，博士毕业于澳大利亚迪肯大学材料工程专业，先后作为博士后、研究员和高级研究员任职于澳大利亚 DEAKIN 大学先进材料研究所。

对于回国并来到武汉，她说：“我和武汉纺织大学的结缘比较早。2018 年前后，就和学校一些年轻老师建立了联系，并开始科研合作。回国之前，我在澳洲工作生活了 10 余年，也曾像在国外工作的朋友们一样，对于全职回国充满担心和犹豫，担心会不会不适应，科研空窗期会不会很长，能不能顺利建立团队……但我总觉得缺少归属感，尤其是这次疫情，更坚定了我对祖国制度和文化的信心，加快了我们全家回国的步伐。”

2021 年 8 月，王金凤全职加入武汉纺织大学，目前已经顺利组建以功能纤维材料和纤维清洁生产为导向的科研团队，团队成员近 30 人。

其表示：“我期待在武汉纺织大学这个大讲台上，能够点亮学子们心中之光，激荡研究新秀们的动力，并和他们一起为纺织学科的发展，贡献自己的一份力量。”

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参考：

1、He, H., Liu, J., Wang, Y., Zhao, Y., Qin, Y., Zhu, Z., ... & Wang, J. (2022). An Ultralight Self-Powered Fire Alarm e-Textile Based on Conductive Aerogel Fiber with Repeatable Temperature Monitoring Performance Used in Firefighting Clothing. ACS nano.