01 研究背景

灾难性火灾和暴雨事故的报警和救援新型材料和装置对人员安全具有重要意义。然而，它们需要供电电源，并且在高温火场及水中极端环境方面容易失效和损毁。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、火焰对摩擦电材料的破坏及高湿引起的电荷中和极大限制了TENG的应用。因此，如何确保TENG在双重恶劣环境下的稳定及有效应用，仍是TENG发展的关键难题之一。

02 文章概述

近日，广西大学王双飞院士团队段青山副教授联合何娟霞博士开发了一种由羧基化多壁碳纳米管驱动的高性能摩擦电材料，实现了高温火场及水双重恶劣环境下稳定的自供电传感。该材料燃烧诱导的含氟自由基及凝聚相炭层，高压电场、机械拉伸及双氢键诱导高的PVDF的电活性β相和双氢键交联实现了阻燃、摩擦电和力学性能同时增强。构建的单电极无线自供电传感器在水中实现了报警，并在燃烧后可实时监测救援状态。这项成果以题为《Triple-enhanced triboelectric materials driven by carboxylated multi-walled carbon nanotubes: Flame retardancy, triboelectricity, and mechanical property》发表在《Composites Part B》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，杨李红、阮星哲、刘泽纯、廖克璋、谢学才、疏学明、湛永钟、庞兴志、杨文超参与研究。

03 文章导读

1.PVDF基摩擦电材料的设计策略

采用静电纺丝法制备了具有耐高温（200 ℃）、自熄性（<1 s）、防水（WCA=123°）性能的摩擦电材料。由于高压电场和静电纺丝的机械拉伸和C-MWCNT的互补作用，PVDF分子链中偶极子的原位极化提高了PVDF中β相的含量，使其在高温和水环境中的摩擦电性能得到了极大提升。同时，通过结合静电纺丝技术与双氢键交联策略，实现了优异的柔韧性与高抗拉强度。该材料对高温和水环境下动态识别、监测和报警具有重要意义。

2.PVDF基摩擦电材料的表征

改性后的PVDF基摩擦电材料纤维形成了纳米突起结构，表面粗糙化，纤维平均直径减小。XRD分析表明改性纤维膜的结晶度得到明显提升。FTIR中-COOH和-OH的红移表明双层氢键的存在，同时结合DSC分析发现改性纤维膜的β相得到明显提高。

3.PVDF基摩擦电材料的阻燃性能及力学性能

该PVDF基摩擦电材料具有优异耐火性，且在1 s内自熄，符合VTM-0阻燃等级。燃烧过程中PVDF分解产生的F·自由基消耗了H·和OH·自由基、C-MWCNT和双氢键催化形成了更致密稳定的炭层，阻挡了外部热量和氧气，中断了燃烧链式反应使材料自熄；且其热释放速率和总热释放量显着降低。另外，它还具有优异的疏水性，同时由于双氢键交联结构的增强效应，拉伸强度和断裂伸长率得到有效提升。

4.PVDF基摩擦电材料在室温下的的摩擦电性能

C-MWCNT和静电纺丝工艺的协同作用显著提高了PVDF的β晶相含量和摩擦有效接触面积，从而在接触分离过程中产生更大的转移电荷和表面电荷密度。与浇筑膜相比，P/CM5-TENG的开路电压和短路电流分别提升了9.6和5.3倍；在2 Hz频率下工作5000次后变得更加紧实，C-MWCNT在纤维上接触频繁，诱导更多的导电路径，因此其电压从95.3 V逐渐升高，最后稳定在117.9 V。

5.PVDF基摩擦电材料在高温和水环境下的摩擦电性能

该PVDF基摩擦电材料在100 ℃下保持了70.62%的输出电压，在200 ℃下相比纯PVDF纤维膜的电压提高了1.8倍，并且在燃烧30 s后仍能产生22.2 V的输出电压。此外，由于水的电荷屏蔽效应和电极-电解质界面效应的双重机制，纤维膜完全浸没水中时，摩擦电大幅降低，但能稳定输出8.9 V的电压，并且经过长达48 h的水下浸没耐久性测试后仍能正常工作，电压仅下降2.66 V。因此，该材料在高温和水环境下的自供电传感设备应用方面具有巨大的潜力。

6.高温多雨条件下的自供电传感和报警应用展示

在火场救援过程中实时的运动监测和高温/火灾/防水探测技术能提升人员安全保障。基于单电极PVDF阻燃TENG的高温和水下报警的无线自供电传感系统，可通过消防员运动如手掌拍打和弯曲转化为电信号并通过蓝牙传输至APP显示。通过设置电信号报警阈值，当手掌浸入水中弯曲超过45°时可不断触发4 mV以上的水下报警阈值。此外，燃烧30 s后仍能实现常用人体运动姿势的无线实时监测，表明其在高温自供电传感应用中具有良好的潜力。

04 结论

综上，本研究成功制备了一种由羧化多壁碳纳米管驱动的优良阻燃性（超快自熄性，<1 s）、摩擦电和力学性能的多功能摩擦电材料。构筑的阻燃疏水TENG在200 ℃、暴露于火焰30 s和完全浸入水中后的电压输出仍能分别达到44.17 V、22.23 V和8.90 V。基于单电极模式的自供电传感器可以在200 ℃、接触火源和完全浸入水中通过无线蓝牙系统实现人体运动状态监测和报警功能，有望在灾难性火灾和雨天环境中实现智能救援。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113091