适应极端环境，智能响应：一种超疏水且阻燃的织物，适用于自供电传感和安全通信

《Sustainable Materials and Technologies》：Adapting to extreme environment, responding intelligently: A superhydrophobic and flame-retardant fabric for self-powered sensing and secure communication

　　

刘梓琪|刘慧|刘清华|黄宗瑞|薛坤|张瑞哲|王圆圆|田欣怡|何金梅|朱磊|曲梦楠

摘要

传统的信息传输设备在高温火灾和高湿度洪水等极端环境中经常因为环境适应性差而出现故障。在这项工作中，研究人员以棉布为基底，通过多步骤协同改性方法制备了一种超疏水且阻燃的多功能织物（HPPF），并进一步组装了接触分离模式的摩擦电纳米发电机（HPPF-TENG）。HPPF织物具有154°的接触角和出色的阻燃性能，并且具有很强的耐磨性、抗酸碱腐蚀性和抗紫外线辐射性。制备的HPPF-TENG最大功率密度可达1225 mW·m^?2，能够高效地将机械能转换为电能，为小型电子设备提供动力。令人印象深刻的是，该设备在200°C的高温和80%的相对湿度环境下仍能稳定实现摩尔斯电码通信，并能准确识别来自人体各种运动的电信号，用于智能自供电传感。这项工作实现了超疏水性、阻燃性、自供电传感和安全通信的协同集成，为适用于消防和应急救援等极端环境的可穿戴电子设备提供了新颖实用的解决方案。

引言

在消防救援和抗洪救灾等极端情况下[1]，信息传输设备[2]和便携式电子设备[3]的可靠运行对于确保人员安全和提高救援效率[4]至关重要。然而，这些环境通常伴随着高温[5]和高湿度[6]的双重挑战，这严重限制了传统电子设备的性能。高温会导致传统材料的结构退化，从而导致设备失效[7]；而持续的高湿度则会在摩擦电界面引起电荷耗散，导致信号传输中断和能量转换效率降低[8]。此外，传统电池供电设备的电池寿命限制也限制了它们在没有后勤支持的情况下持续工作的能力[9]，这突显了对自供电、耐环境功能设备的迫切需求[10]、[11]、[12]、[13]。

基于摩擦电效应[18]和静电感应[19]的摩擦电纳米发电机（TENG）[14]、[15]、[16]、[17]技术[14]，作为一种有前景的自供电技术，可以从人体运动或周围环境中收集低频机械能[20]、[21]。织物被誉为人体的“第二皮肤”[22]，由于其灵活性[27]、透气性[29]和结构兼容性[30]，基于织物的TENG特别适合可穿戴设备和极端环境应用[23]、[24]、[25]、[26]。这类设备可以直接将低频机械能（包括人体肢体运动和环境振动）转换为电能，实现自供电[31]。此外，它们与纺织基材的结构兼容性自然符合消防服和救援装备的穿戴要求[32]。近年来，关于基于织物 的TENG的电输出性能优化进行了大量研究。例如，Shi等人通过在织物表面调控微纳结构，制备了具有高摩擦电活性、高机械响应灵敏度和防水性能的功能层。这种设计不仅减少了高湿度环境下的电荷耗散，确保了输出稳定性，还提高了弱机械能量的捕获效率，从而提升了基于织物的TENG的电输出性能[33]。Feng等人通过将碳纳米管与聚乙烯亚胺接枝到商用天鹅绒织物上，制备的基于织物的TENG最大输出电压为119 V，短路电流为12.6 μA，最大功率密度为3.2 W/m²，同时具备耐洗性和操作稳定性，在可穿戴电子领域展现出良好的应用潜力[34]。然而，大多数现有的基于织物的TENG仅关注单一功能的改进，缺乏多种环境耐受性的协同集成，这使它们无法在高温和高湿度同时存在的极端环境中发挥作用，限制了其在应急救援、紧急通信和可穿戴传感等领域的实际应用。

在织物基底上协同集成超疏水性[35]和阻燃性[36]、[37]功能对于克服上述应用瓶颈至关重要。在消防救援场景中，阻燃性能可以防止织物在高温火焰中燃烧和降解，保持TENG的结构和性能稳定性[38]、[39]、[40]、[41]；在洪水等高湿度场景中，超疏水表面可以快速脱附界面水分，抑制电荷耗散，确保电输出的连续性[42]、[43]、[44]、[45]。然而，目前的改性过程要么成本高昂（因为步骤复杂），要么由于功能团之间的兼容性问题难以实现超疏水性和阻燃性能之间的高效协同。因此，基于织物的TENG在极端环境中的可靠性尚未达到实际应用的标准。

为了解决上述问题，本研究采用三步协同工艺，以商用棉布为基底制备了一种兼具阻燃性和超疏水性的多功能HPPF织物：首先使用3,4-乙二氧噻吩（EDOT）进行原位聚合改性，形成优异导电性的稳定导电网络；接着用磷酸浸泡进行阻燃改性；最后接枝十六烷基三甲氧硅烷（HDTMS）以实现超疏水性。随后基于接触分离模式组装了HPPF-TENG。该设备最大功率密度达到1225 mW·m^?2，可以为小型电子设备提供高效供电。同时，它能在200°C高温和80%相对湿度环境下稳定传输摩尔斯电码，并能准确响应来自人体多个部位的运动信号。这项研究为极端环境下自供电可穿戴设备的设计提供了新的技术解决方案，未来有望扩展到智能消防设备和紧急救援通信系统等领域，推动自供电电子技术在极端环境中的快速发展。

章节片段

材料

本实验使用的主要材料和试剂如下：商用棉布从当地市场购买；乙醇（分析级）、3,4-乙二氧噻吩单体（EDOT，纯度99%）、无水乙醇（分析级）和磷酸（分析级）均来自上海Roon化学技术有限公司；氢氧化钠（分析级）、六水合氯化铁（FeCl?·6H?O，纯度99%）等。

HPPF的制备与表征

如图1a所示，选择商用棉布（CF）作为原料，制备了一种具有增强正向摩擦电极性的超疏水阻燃织物基摩擦电纳米发电机（HPPF-TENG）。首先，用NaOH处理织物以增加其表面的活性位点和粗糙度，为后续功能化创造有利条件；随后在织物上原位聚合聚（3,4-乙二氧噻吩）（PEDOT）。

结论

本研究成功解决了传统基于织物的摩擦电纳米发电机的关键局限性，即它们缺乏在极端环境中可靠运行所需的综合多功能适应性。所开发的HPPF织物克服了环境稳定性和电性能之间的长期trade-off，将超疏水性、阻燃性和高导电性结合到单一纺织基底中，且不牺牲任何功能。

CRediT作者贡献声明

刘梓琪：撰写——原始草稿、方法论、概念构思。刘慧：可视化、研究、数据分析。刘清华：项目管理。黄宗瑞：软件开发。薛坤：资源协调。张瑞哲：数据管理。王圆圆：可视化分析。田欣怡：研究支持。何金梅：验证、资金获取、数据分析。朱磊：监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本论文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：22401228）、陕西省科学技术厅（项目编号：2024JC-JCQN-21、2024JC-YBMS-077）、陕西省教育厅（项目编号：25JC060）、陕西省高校青年创新团队（项目编号：24JP105、25JP108）以及湖北省自然科学基金（项目编号：2024DJC032、2025AFB889）的财政支持。