武汉纺织大学考研难度，武汉纺织大学考研难度相当于上海哪个学校
消防服是消防员在灭火救援过程中保护自身免受烧伤的必备装备。然而，由于服装的隔离，消防员无法准确获知服外环境温度，往往导致防护服遭受高温损伤而不自知，给消防员的生命安全带来极大隐患。因此，开发适用于消防服的可穿戴火灾预警纺织品，赋予消防服高温预警功能，对消防员的安全防护意义重大。
目前，高温及早期火灾预警材料的制备，多数集中于基于氧化石墨烯(GO)的温敏材料，主要包括涂层纺织品、热敏复合纸和耐火气凝胶/泡沫等。但以上高温预警材料实际应用于消防服装高温预警系统，仍存在一些问题，如氧化石墨烯遇热还原后无法重复使用，材料柔性差难与消防服的高效结合，以及透气性差等问题。此外，坚硬电池的使用也额外增加了火灾报警系统的复杂性和不稳定性。因此，研发自供电可穿戴早期火灾预警材料仍是智能消防服领域中的一项重大挑战。
针对上述问题，近日，武汉纺织大于志财&何华玲课题组提出了一种同轴湿法纺丝技术，以n型的MXene和p型的MXene/SWCNT-COOH作为芯材，坚韧的芳纶纳米纤维作为保护壳，制备了连续交替的p-n串联分段式热电气凝胶纤维。同时将该热电纤维编织到芳纶织物中，成功构建了基于热电纺织品（TET）的自供电火灾预警传感器。基于其电信号与温度变化之间的线性相关性，在火场环境下，该热电织物可对消防服装的温度进行实时、精准监测，为消防服用自供电火灾预警电子纺织品的设计制备提供了一条新思路。相关成果以题“Temperature‑Arousing Self‑Powered Fire Warning E‑Textile Based on p–n Segment Coaxial Aerogel Fibers for Active Fire Protection in Firefighting Clothing”发表在《Nano-Micro Letters》上，文章第一作者为武汉纺织大学教师何华玲博士，通讯作者为武汉纺织大学于志财特聘教授。该工作得到先进纺纱织造及清洁生产国家地方联合工程实验室、国家先进功能纤维创新中心的项目资助。
交替p-n分段式热电气凝胶纤维的构筑
图1.连续交替p-n分段式热电气凝胶纤维的制备。（a-b）p-n分段式热电气凝胶纤维同轴湿纺工艺流程；（c）热电芯材MXene、SWCNT-COOH与PDA之间氢键的形成和p-p相互作用；（d）p段和n段热电纤维氮吸附/解吸等温线；（e）制备的p-n分段式热电气凝胶纤维与商用纤维密度和LOI值比较。
如图1所示，通过连续交替同轴湿法纺丝技术，以n型的MXene和p型的MXene/SWCNT-COOH作为核层，坚韧的芳纶纳米纤维作为壳层，制备了交替的p-n串联分段热电纤维。高性能ANFs壳层在提升MXene可纺性的同时，大大增强了MXene基纤维的力学性能及环境稳定性。其次，基于其热电输出电压与温度变化之间的线性相关性，该热电纤维基火灾预警传感器可被集成到消防服装，在100-400℃环境下实现对防护服装所承受温度的实时、精准监测。
p-n分段式热电气凝胶纤维的形态与结构
图2.连续交替p-n分段式热电气凝胶纤维微观结构表征。（a-d）p-n分段式热电气凝胶纤维SEM图; (e) p型芯材EDX元素图；（f）纯ANFs/MMT纤维、p型纤维和n型纤维XRD比较；（f）MXene、SWCNT-COOH、p型纤维和n型纤维FTIR光谱；(h-j) n型MXene和p型MXene/SWCNT-COOH XPS光谱图。
如图2所示，制备的壳核结构p-n分段式热电气凝胶纤维具有规则的同心圆结构。XPS进一步证实了热电芯材MXene和SWCNT-COOH之间形成了稳定的Ti−O−C共价键，其有利于热电纤维内部电荷间的转移。
热电织物（TET）结构设计
图3. 热电织物（TET）结构设计。（a-b）p-n结交替出现在TET的冷热面；（c）TET的电传输过程电路图；（注:R和r分别为TET的外阻和内阻）。（d-f）基于有限元分析得到的TET以及p-n热电纤维温度分布图；(g) TET光学照片与柔韧性展示；（h）TET在100 ~ 400 ℃不同加热温度下的输出电压曲线；（i）开路电压和电流随温度的函数；（j）不同温度下制备的TET的最大功率密度；（k）TET输出电压随温差变化曲线。
通过将该热电气凝胶纤维，编织到具有一定厚度芳纶织物中，成功构建了含有50对p-n片段的TET（5 cm × 4.5 cm，厚度:0.5 mm)。该TET中p-n对的密度为~2.2对/cm2，连续p-n结交替暴露于冷热面，实现了p-n热电单元中载流子的定向流动（图3a）。其次，结合有限元模拟系统研究了热电织物在温差发电模式下的热电传输机制，建立了基于热电织物的热路图和电路图 (图3b-f)。TET展现了良好的动态表面一致性，如弯曲和折叠，可集成到消防服中(图3g-h)。另外，TET的输出电压与温度变化之间具有良好的线性关系，当温差为300K时，输出电压为0.79 mV (图3i-k)。
TET基可穿戴自供电火灾预警传感
图4. TET基火灾预警传感器预警性能。（a）暴露于酒精灯火焰时TET基传感器火灾预警试验；（b）火灾预警响应机制示意图；（c）重复火灾预警试验中的TET电压输出变化曲线；（d）重复预警次数与触发时间；（e）暴漏在不同温度下的火灾预警触发时间；（f）TET基传感器与其它已报道火灾报警传感器的比较。
基于TET输出电压与温度的线性关系，将其集成到消防服装中，可实现对防护服装的实时、精准监测。该研究中，TET通过电线连接到毫伏电压报警器，无需外部电源即可构建早期火灾报警系统。当遭受火焰灼烧时，该TET基柔性传感器在1.47 s即可触发火灾预警系统。当TET自供电火灾预警传感器再次暴露于火焰时，其依然能够在2 s内触发预警系统，表明其具有灵敏与可重复的温度感知能力（图4）。
TET基自供电火灾预警传感器在消防服中的集成应用
图5.TET基火灾预警传感器在消防服中的集成应用。（a-b）将TET集成到消防服上实现自供电火灾预警及工作机理；（c）基于TET的自供电无线火灾报警系统电路图；（d）TET在消防服中的组装位置(从外到内依次为防火层、TET、防潮层、保温层、舒适层)；（e）消防服中自供电火灾报警TET的工作示意图。
如图5所示，为充分利用TET的热电特性，该研究将TET基传感器与能够发出蜂鸣警报声的火灾预警硬件系统集成到消防服装中。TET作为自供电信号转换模块，在高温下产生电压信号，当输出电压对应温度达到消防服所承受的安全阈值时，可触发火灾预警系统，进而提醒消防员远离火源，避免防护服装的热损伤（图5）。
总结：该研究提供了一种用于制备柔性高热电性能的热电纱线及TET基自供电火灾预警柔性传感器的方法，为消防服用自供电火灾预警电子纺织品的设计构建开辟了一条新途径。该工作也是课题组在纤维基火灾预警柔性传感器研究方向的最近进展之一，是前期研究工作ACS Nano, 2022, 16:2953-2967 (ESI高被引论文)、Chemical Engineering Journal, 2023, 460:141661 (ESI高被引论文)、Composites Part B: Engineering, 2022, 247:110348、Carbohydrate Polymers, 2021, 255:117485的延续。
原文连接：
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01200-8
通讯作者简介
于志财，武汉纺织大学特聘教授，硕士生导师，博士毕业于天津工业大学，并先后在逢甲大学（台湾）、东华大学、恒力集团从事访学或博士后研究工作。主要从事可穿戴智能火灾预警电子织物的设计制备。在ACS Nano、Nano-Micro Letters、Chemical Engineering Journal、Composites part B-Engineering等SCI期刊以第一(含通讯）作者发表论文30余篇（ESI高被引论文2篇），出版学术专著一部，授权发明专利8项。入选辽宁省百千万人才工程千人层次，兼任首批及第四批湖北省服务中小微企业“科技副总”，及《武汉纺织大学学报》、《现代纺织技术》、SCI期刊《International Journal of Smart and Nano Materials》青年编委、学术桥评审专家。荣获武汉纺织大学“科研标兵”、凡科优秀评审专家等荣誉称号。
来源：高分子科学前沿
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