青岛大学曲丽君教授/田明伟教授团队 AFM：用于水/火救援的自供电智能绳索

2022-11-13 来源：高分子科技

绳索在应急救援中起着不可或缺的作用。随着现代社会的不断发展，救生绳索已经从只有单一机械功能逐渐发展到多功能救生绳。然而，在某些复杂特别是极端环境下，由于救援设备缺乏对危险的智能主动预警，往往会导致人员的受伤甚至死亡。

近日，青岛大学曲丽君教授/田明伟教授团队在《Adv. Funct. Mater.》上发表了题为“A Smart Self-Powered Rope for Water/Fire Rescue”的研究论文。作者基于经典的纺织编织技术，将纤维基锌离子电池与传统绳索单元相结合，开发出一种具有良好电化学性能的自供电一体化智能绳索，适用于水/火紧急救援（图1）。该项工作在极端环境下展示了可漂浮式自供电绳索和耐高温性自供电绳索的应用潜力。智能绳索在保持其原有力学性能的同时，也成功实现了救援活动中的智能主动响应，极大地缩短了救援时间，保护了人体的安全和健康。

图1 自供电智能绳索的制备工艺和潜在应用

作者以连续化纤维锌离子电池为轴向纱，分别以超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维为编织纱，通过多轴编织机批量制备了可漂浮式智能绳索和耐高温性智能绳索（图2a-c, f)。得益于柔性编织技术，设备的输出电压窗口和电容可高度灵活调整，以满足电子需求。由三根纤维电池为轴向纱的智能绳索具有三倍长的放电时间，而70 cm长智能绳索的电压窗口为10 cm绳索的六倍（6 V）(图2d-e)。基于三根纤维电池为轴向纱的70 cm长的可漂浮性绳索可在浮于水面的同时，成功为“SOS”指示灯牌供电，实现求救信号的传递(图2g-h)。

图2可漂浮性智能绳索的制备和水中救援应用

此外，作者通过选用芳香族聚酰胺纤维为编织纱，制备了耐高温性智能绳索，并可与高温报警器相结合，构筑了智能穿戴式火灾报警系统集成了灵活的结构可设计性。该火灾报警装置可利用耐高温性智能绳索来进行有效供电，进一步监测温度变化，当处于高温环境时发出高达84分贝的警鸣。在此基础上，当消防员暴露在极端的火灾环境中时，集成系统可以提醒他们已身处高温环境。实时火灾预警同时也实现了精确定位，这将有助于救援人员在火灾中搜索和救援被困人员（图3a-b）。通过在高温环境下测量智能绳索的电化学性能和热稳定性，证明了耐高温性智能绳索可以在高温下保持正常的充放电过程，其比容量在火焰下基本保持不变，并可在20 min的高温下依然保持有效供电（图3c-g）。这些结果表明，具有稳定储能性能和耐高温性的智能绳索在可穿戴式火灾报警装置具有良好的应用潜力。

图3耐高温性智能绳索的性能和应用

综上所述，研究论文采用自制连续化电化学沉积工艺和工业编织技术制备了自供电智能绳索，其比容量为31.1 mAh/cm³，能量密度为33.5 mWh/cm³，循环1000次后的稳定性为81.95%。此外，论文论证了两种形式的多功能自供电绳索，即可漂浮式智能绳索和耐高温性智能绳索，表明了其在实际应急救援中的应用潜力。该项工作证明了纤维电池与传统绳索的成功结合，标志着向用于应急救援的智能绳索的实用化生产迈进了一步。

论文第一作者为青岛大学纺织服装学院博士生李明，通讯作者为青岛大学曲丽君教授、田明伟教授以及贺文展博士。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省自然科学基金、山东省重点研发计划等项目的资助。

论文信息：

A Smart Self-Powered Rope for Water/Fire Rescue

Ming Li, Zengqing Li, Xiaorui Ye, Wenzhan He*, Lijun Qu*, and Mingwei Tian*

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210111

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（责任编辑：xu）

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