随着智能化时代的到来，物联网、大数据和人工智能等先进技术推动了便携式可穿戴设备的快速发展。然而，它们需要供电电源，并且在高温及火灾环境下容易失效和损毁。虽然基于接触起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机（TENG）为此提供了一个新的思路，但是高温环境下热离子发射效应引发的电荷耗散和火焰对摩擦电材料的破坏极大限制了TENG的应用。因此，如何确保TENG在高温及火场环境下的稳定性能和有效应用，仍是TENG技术发展的关键难题。
近日，王双飞院士团队段青山副教授联合资源环境与材料学院何娟霞博士开发了一种具有核壳结构的聚乳酸（PLA）基阻燃摩擦电材料，实现了高温环境下稳定的自供电传感。该材料的双层氢键交联结构提高了阻燃壳层（聚乳酸/植酸钙，PLA/PA-Ca）和电性能增强核层（聚乳酸/羧基化碳纳米管，PLA/C-MWCNT）的分散性，使得阻燃和摩擦电性能增强。构建的单电极无线自供电报警系统通过可调的报警阈值实现了高温和火灾报警。这项成果以题为《Micro-nano fibers with core-shell for enhancing flame retardancy and high-temperature resistance of biodegradable triboelectric materials》发表在《Nano Energy》上，何娟霞博士为本研究第一作者，段青山副教授为通讯作者，阮星哲、杨李红、刘泽纯、廖克璋、解学才、疏学明、湛永钟、庞兴志、杨文超、张寒冰参与研究。
1.PLA基阻燃摩擦电材料的设计策略
通过同轴静电纺丝法设计了优异性能的核层结构特征的阻燃摩擦电材料。壳层中的PA-Ca与PLA形成P=O···H氢键交联，核层中的C-MWCNT与PLA形成C=O···H氢键交联。双层氢键交联网络增强了纳米纤维膜的结构稳定性，同时促进了PA-Ca和C-MWCNT在壳层和核层中的分散性，避免了PA-Ca和C-MWCNT氢键交联引起的团聚现象，同时增强了核壳纤维膜的阻燃性和摩擦电性。该阻燃PLA基摩擦电材料对高温火灾环境下的运动感知、高温和火灾报警具有重要意义。
2.PLA基阻燃摩擦电材料的表征
改性后的聚乳酸基阻燃摩擦电材料纤维表面均匀平滑，纤维平均直径增大。FTIR中C=O和P=O的红移表明双层氢键的存在；XRD分析表明核壳纤维膜的结晶度得到明显提升；XPS中出现了P的结合能峰，并且P-O和C=O的偏移共同印证氢键的存在。DSC中熔融峰由双峰转变为单峰，表明β相向更耐热的α相转变。另外，由于核壳结构的增强效应，拉伸强度和断裂伸长率得到有效提升。
3.PLA基摩擦电材料的阻燃性能
改性后的阻燃PLA摩擦电材料随着植酸钙含量的提升，熔滴现象逐渐消失，且符合VTM-0阻燃等级；燃烧时产生的熔滴粘度急剧增大且峰值热释放量显着降低。高粘度的熔体抑制PLA流动，阻碍其脱离材料表面形成液滴。植酸钙抑制材料的燃烧强度，进而降低PLA的可燃性。凝聚相中形成的炭层有利于隔绝外界的氧气和热量、抑制材料的持续燃烧，其随PA-Ca含量增加越来越致密；在气相中PO·自由基捕获H·和OH·自由基发挥猝灭作用使材料自熄。
4. PLA基阻燃摩擦电材料的可生物降解性
蛋白酶K溶液酶解实验表明，PLA纤维降解过程先粘结断裂，随后出现团簇，最后溶解消失。该材料具有优异的可生物降解性，在第4天降解超过70%。随降解时间的增加，C=O吸光度降低，表明PLA的酯基水解断键，形成乳酸小分子，表明该材料对环境友好、无污染。
5.PLA基阻燃摩擦电材料的摩擦电性能
由于核层C-MWCNT增加了电子的导电路径，氢键加强了PLA分子链之间的耦合极化，从而在接触分离过程中产生了更多的诱导电荷并促进了电子迁移。PLA基阻燃摩擦电材料的开路电压和短路电流比PLA浇筑膜分别提升了5.1和4.5倍，此外，改性的摩擦电材料在160 ℃下保持了71.29%的输出电压，并且在5000次循环后仅下降3%。燃烧20s后仍有原输出电压的13.40%，在高温老化48 h后的电性能仅下降8.4%，表明其在高温和火灾环境下的自供电传感设备应用方面具有巨大的潜力。
6.自供电高温及火灾报警应用
在火场救援过程中实时的运动监测和高温/火灾探测技术能提升人员安全保障。基于单电极PLA阻燃TENG的高温和火灾报警的无线自供电传感系统，可通过消防员运动的机械能（例如：手指拍打和手掌弯曲）转化为电信号并通过蓝牙传输至APP显示。通过设置报警阈值，在0.1-0.16 V的范围内可实现160 ℃的高温报警；当手掌接触火焰后进行循环弯曲时电信号可不断触发30 mV以上的火灾报警阈值，这对于高温和火灾双重环境下的消防救援至关重要。此外，燃烧20 s后仍能实现常用人体运动姿势的无线实时监测，表明其在高温火场自供电传感应用中具有良好的潜力。
本研究成功制备了一种具有优异阻燃性、耐高温性和生物降解性的核壳纳米纤维摩擦电材料。构筑的阻燃TENG在160 ℃和暴露于火焰20 s后的电压输出仍能分别达到52.19 V 和 9.81 V。并且，在160 ℃下工作5000个周期后，电压仅下降了3%。基于单电极模式的自供电传感器在160 ℃和接触火源时通过电话报警，即使燃烧后仍能监测消防员常见的救援姿势。制备的材料在高温火灾环境中表现出卓越的潜力，有望在智能消防领域实现人机交互和快速救援应用。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110848