王中林院士团队《ACS Nano》:既能防火阻燃又能用火发电,双保险消防服!

火灾定义为在时间或空间上失去控制的燃烧。在各种灾害中,火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。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!一款防火阻燃的消防服对消防员来说意义重大。

最近,由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队报道一款既能防火阻燃,也能用火发电的阻燃纺织物,可为消防员提供智能定位和报警结合阻燃导电棉织物、聚四氟乙烯涂层棉织物和分压器,研制出一种低成本、环保的阻燃棉织物基摩擦纳米发电机(FT-TENG),具有优异的阻燃性能和卓越的能量采集能力。FT-TENG被成功用作消防员的能量收集器以及森林自救火灾报警系统的自供电传感器。该论文以“Flame-Retardant Textile-Based Triboelectric Nanogenerators for Fire Protection Applications”为题,发表在ACS Nano

王中林院士团队《ACS Nano》:既能防火阻燃又能用火发电,双保险消防服!

FT-TENG由两种阻燃的银涂层棉织物(FC),聚四氟乙烯涂层的棉织物(PC)和分隔物组成。通过将棉织物交替浸入阳离子聚电解质溶液(PEI&MEL)和阴离子电解质溶液(PA)中,通过LBL自组装方法制备阻燃棉织物。FT-TENG是通过FC和PC之间的连续接触分离产生连续的交流电输出,点亮“FIREMAN”LED灯。

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图1阻燃棉织物基摩擦纳米发电机,点亮“FIREMAN”LED灯

不同纺织物的阻燃测试

在明火,强热通量和高温条件下,对经过防火处理的棉织物的阻燃性能进行了讨论。垂直燃烧测试可以直观地显示明火下样品的性能。垂直燃烧测试后未经处理的棉织物和各种经过阻燃处理的棉织物的照片如图所示。所有处理过的棉织物都具有出色的自熄能力,而未处理的棉织物则完全燃烧。阻燃涂层可通过磷氮阻燃组合系统的协同作用来防止棉织物燃烧。增加沉积次数和溶液浓度会导致更多的阻燃涂层沉积,从而有助于进一步改善棉织物的阻燃性能。

王中林院士团队《ACS Nano》:既能防火阻燃又能用火发电,双保险消防服!

图2  不同棉织物的阻燃测试。通过LBL自组装技术,用不同的溶液浓度(a–e)和不同的沉积时间(f–j)处理的未经处理的棉织物和阻燃棉织物。(a,f)垂直燃烧测试后不同棉织物的照片。放热量(b,g)和总放热量(c,h)与锥形量热仪测试的温度成函数关系。TGA(d,i)和DTG(e,j)在空气中弯曲

电输出性能

机械直线电机被用来量化FT-TENG的电力输出性能,包括开路电压(VOC)、短路电流(ISC)和短路电荷转移(QSC)。薄棉织物和厚棉织物的厚度分别为0.36和0.64 mm。为了获得有效数据,将FT-TENG的面积控制在5×5 cm2在以下实验中。在相同的测试条件下,使用薄棉织物的FT-TENG的电输出要高于使用厚棉织物的FT-TENG的电输出。在700MΩ的外部负载电阻下,最大峰值输出功率密度可以达到343.19 mW/m2。此外,即使在17个不同的位置燃烧后,FT-TENG仍可保持49.2%的初始电输出。 当FT-TENG暴露于220°C时,也会保留34.48%的电输出。

王中林院士团队《ACS Nano》:既能防火阻燃又能用火发电,双保险消防服!

图3   FT-TENG的电输出性能。(a)中VOC,(b)中QSC,和(c)ISC下在用于不同数量的次数(1-5次)PTFE分散液浸渍薄棉的FT-TENG的。分压器折叠次数不同对电气输出性能的影响,包括FT-TENG的(d)VOC,(e)QSC和(f)ISC。(g)输出电流密度和功率密度随外部电阻的变化。(h)不同电容器的FT-TENG的充电电压曲线。(i)FT-TENG的稳定性和鲁棒性测量。

总结:该研究提出并制造了一种可穿戴阻燃FT-TENG,用于在易燃场景中收集机械能和自供电传感。在阻燃性方面,经LBL自组装技术处理后的棉织物均具有良好的自灭火能力,而未处理后的棉织物易被烧毁。 由于其出色的性能,FT-TENG可被用作消防员的能量收集器,用于将机械能转换为电能,以及用于森林自救和火灾报警系统的自供电传感器,可以准确地传输实时位置信息,即使火灾发现者不能正确描述的位置。

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07148

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