[发明专利]一种兼具火灾预警与自发电功能的气凝胶纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及气凝胶纤维技术领域，公开了一种兼具火灾预警及自发电功能的气凝胶纤维及其制备方法。该方法包括：(1)将纳米四氧化三铁和去离子水混合形成分散液，然后加入海藻酸钠，搅拌后制得纺丝原液；(2)通过喷丝孔将纺丝原液挤入CaClsubgt;2/subgt;凝固浴中，再将水凝胶纤维置于醇溶液中浸泡，冷冻干燥制得初期气凝胶纤维；(3)将无卤阻燃剂溶液喷涂于初期气凝胶纤维表面，干燥，然后喷涂银纳米线悬浮液，经多次交替喷涂，干燥。与现有技术相比，本发明制备的气凝胶纤维基于纳米四氧化三铁热阻响应特性以及银纳米线高导电性能，纤维受热导致电阻发生变化，从而触发火灾预警系统，此纤维具有可重复温度检测(100‑400℃)与自供电的优点。

技术领域

本发明涉及气凝胶纤维技术领域，具体涉及一种兼具火灾预警与自发电功能的气凝胶纤维及其制备方法。

背景技术

近年来，火灾事故呈频发态势，火场环境也日益复杂，导致消防员在灭火救援过程中伤亡事件大幅增加，中国消防员伤亡数据统计表明在过去的5年里，大约已有144名消防员死亡在火灾救援过程中牺牲，每年有超过300名消防员烧伤。消防员已成为了“和平年代里牺牲最多的职业”。一般情况下，消防服装面料的主要成分(芳纶)可以承受400℃以下的温度，当消防服装表面温度超过以上温度时，将失去防护性能。目前，由于火场环境极其复杂，消防员无法随时、准确监测在火场环境中防护服装表面所承受的温度，造成消防员在不知情的情况下防护服装被烧损，而一旦防护服被烧坏，消防员极易被高温火焰烧伤而无法安全撤离。因此，开发灵敏、精准监测消防服装表面所承受温度的预警材料，能够挽救更多消防员生命。

传统的火灾预警材料包括温度、烟雾及红外传感器，然而这些传感器主要是块状或晶片，柔韧性较差，无法镶嵌于消防服装面料内。因此，开发柔性的火灾预警材料以适应复杂的火场环境成为研究热点。目前，氧化石墨烯是最常用的火灾预警导电材料，主要是通过将氧化石墨烯涂层于柔性织物表面，在高温下氧化石墨烯会快速发生热还原反应，导致内部电阻急剧下降，从而触发火灾预警系统。然而，氧化石墨烯的热还原反应不具有可逆性，导致氧化石墨烯的热阻响应预警功能是一次性的，无法二次触发火警警报，不可重复使用。另一方面，氧化石墨烯等热阻响应性材料应用于火灾预警系统中都需要连接外部电源发挥作用。然而，镶嵌在服装内部的电源具有体积较大，柔韧性差等缺点，且电源长期暴露在高温火焰中极易损坏，造成无法为预警系统持续供电的问题，因此以上问题限制了目前火灾预警材料在消防服装上的应用。

发明内容

本发明的目的是针对目前热阻响应火灾预警材料柔韧性差、无法实现可重复温度感知和火灾预警功能、且需要镶嵌外部电源提供电能等问题，提供一种兼具火灾预警与自发电功能的气凝胶纤维及其制备方法。

本发明基于纳米四氧化三铁热阻响应特性，将其加入海藻酸钠纺丝液中，通过湿法纺丝、钙离子交换、冷冻干燥和喷涂银纳米线等一系列操作，制备了具有灵敏温度感知火灾预警功能及自发电功能的柔性气凝胶纤维。由于纳米四氧化三铁热阻响应特性，在遭遇火灾时，含有纳米四氧化三铁的气凝胶纤维对消防服装表面温度具有灵敏的实时感知能力，并可以对消防员发出及时的预警信号。同时，基于摩擦起电与静电感应原理，喷涂在气凝胶纤维表面的高导电性银纳米线通过与皮肤或其它纤维基材摩擦可产生稳定的交流电压，赋予气凝胶纤维优异的自发电能力，可作为柔性电源为火灾预警系统提供电能。制得的兼具火灾预警及自发电功能的气凝胶纤维具有轻质、柔性、隔热及对温度灵敏的实时感知能力，应用于热防护服装面料时，当消防服装面料表面温度达到不可承受的温度时，对消防员发出及时预警信号，提醒消防员及时撤退到安全位置。因此，本发明提供的兼具火灾预警与摩擦自发电功能的可逆热阻响应柔性气凝胶纤维可应用于消防服装领域，能够精准检测消防服装表面温度，保障消防员安全。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种兼具火灾预警与自发电功能的气凝胶纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将去离子水和纳米四氧化三铁混合形成分散液，然后加入海藻酸钠，搅拌后制得纺丝原液；