Nano Res.[探测]│西安工程大学樊威教授团队：基于激光直写的Janus石墨烯/PBO织物在智能消防服饰中的应用

背景介绍

火灾事故由于不同的原因而频繁发生，对人类安全和社会稳定产生了巨大的影响。因此，消防队员有效的灭火工作对于避免人员伤亡和经济损失起着至关重要的作用。然而，火灾产生的大量有害烟雾和高温火焰条件(> 200 ℃)阻碍了消防员的救援行动，导致消防员受伤甚至死亡的事情时有发生。传统的消防服和消防面罩可以在一定程度上保证消防人员的安全。然而，火灾现场往往瞬息万变，有时消防人员会因未能及时判断风险而被困在火场中。在这种情况下，消防员也需要被救援。因此，亟需开发可感知火灾风险和有效过滤火灾烟尘的智能消防服饰。

成果简介

近日，西安工程大学樊威教授团队联合清华大学张莹莹教授团队者通过CO₂激光直写法制备了两种Janus石墨烯/聚对苯撑苯并二唑织物（PBO）织物，并将其作为智能消防服和消防面罩的性能进行了评估。获得的Janus石墨烯/PBO织物具有较高的导电性、优良的阻燃性和热防护性能。基于石墨烯/PBO机织物的传感器在人体运动监测和火灾中有毒气体NO₂的检测方面表现出良好的可重复性和稳定性。此外，以石墨烯/PBO非织造织物为电极层，以阻燃整理后的PVDF静电直写膜为压电层，制备了智能消防面罩。该面罩表现出舒适的透气性（103.8 mm/s）、良好的烟雾过滤效果（对PM_2.5和PM_3.0的过滤效率分别达到95%和100%）和较低的呼吸阻力（46.8 Pa）。还可以对人体呼吸的速度和强度敏感，这对于间接反映人体的健康状况至关重要。因此，本工作开发的Janus石墨烯/PBO织物有望在智能消防服饰中获得应用。

图文导读

图1 Janus石墨烯/PBO织物的制备与表征

如图1所示，首先将商用PBO纤维织成PBO机织物。然后，在空气中用CO₂激光诱导。计算机控制的激光写入使得从PBO织物上写入各种形状变得简单而快速。SEM和TEM图像表明，获得的石墨烯呈连续、多孔的形态。此外，多孔材料在拉曼光谱中显示出石墨烯的特征峰。上述结果表明，在CO₂激光诱导下成功形成了石墨烯。

图2 石墨烯/PBO织物的性能优化

如图2所示，在6.0-8.0 W的激光功率下，可以制造出正面是石墨烯、背面是PBO纤维的Janus石墨烯/PBO织物。不同激光功率下石墨烯的代表性拉曼光谱表明，IG/ID值在8.0 W时达到最大并趋于稳定，表明此时石墨烯的缺陷较小。优化后的Janus石墨烯/PBO织物具有良好的导电性（∼17 Ω）并可以维持原PBO织物84%的拉伸强度。此外，将其与透明胶带粘合10次或300次弯曲循环后，其相对电阻值基本保持不变，这说明石墨烯与基体之间有良好的粘附性和稳定性。

图3 阻燃性和热防护性能

此外，我们采用针刺工艺制备了Janus石墨烯/PBO非织造织物，如图3所示。其在火焰中几乎不可燃，并具有优异的热防护性能(158.8 J/cm²)，热防护时间高达18.91 s，这是迄今为止报道的相关参数的最大值。值得注意的是，Janus石墨烯/PBO织物传感器在520 ℃以上的高温下仍可以稳定使用并能保持84%以上的传感性能（在暴露在火焰中90 s后）。

图4 基于石墨烯/PBO传感器的人体运动监测和NO₂气体检测

如图4所示，石墨烯/PBO机织物传感器在实际应用中表现出色。在检测人体运动方面，可以检测微小运动，包括语音识别和人体关节运动检测，具有较高的稳定性。并在火灾产生的有毒气体NO₂的检测方面表现出良好的重复性和稳定性。因此，当石墨烯/PBO传感器集成到消防服中时，可以动态监测周围环境和消防员的体征体态，从而帮助消防员有效地避开危险。

图5 基于压电传感器的消防面罩的过滤性能测试和呼吸监测

采用石墨烯/PBO非织造织物作为上下电极层，阻燃PVDF静电直写膜作为中间压电层之别了自供电智能消防面罩。该面罩表现出舒适的透气性（103.8 mm/s）、良好的烟雾颗粒过滤效果（对PM_2.5和PM_3.0的过滤效率分别达到95%和100%）和较低的呼吸阻力（46.8 Pa）。此外，智能消防面罩对人体呼吸的速度和强度敏感，可以通过呼吸信号来监测人体健康。因此，本工作为智能消防服饰的低成本制备与应用提供了新的思路。

通讯作者简介

樊威，西安工程大学柔性电子与智能纺织研究院院长，纺织材料系教授，博士生导师，陕西省高层次人才。美国University of North Texas博士后（国家公派），清华大学访问学者。全国党建“双创”样板支部书记，陕西高校青年创新团队带头人，陕西省“青年托举人才”，陕西省“优秀科技工作者宣传人选”，湖州市“南太湖精英计划”领军型创业团队带头人，中国化学纤维工业协会优秀青年教师，中国纺织工业联合会“纺织之光”教师奖获得者，“桑麻”教师奖获得者，纺织科技成果转化贡献奖获得者，“王善元优秀博士论文”获得者。主要从事三维纺织复合材料结构与性能、智能纤维及智能可穿戴、废旧纺织品循化利用、安全与防护用纺织品等方面的研究工作。近年来主持国家级、省部级、厅局级以及企业合作项目30余项，发表期刊论文100余篇，申请国际、国内专利40余件，已授权20余件，成果转化5件，出版专著1部，教材2部，译著1部，省部级获奖3项，厅局级2项。

课题组主页：https://fangzhixy.xpu.edu.cn/info/1412/3405.htm。

文章信息

Yu Luo, Yaping Miao, Huiming Wang, Kai Dong, Lin Hou, Yanyan Xu, Weichun Chen, Yao Zhang, Yingying Zhang, Wei Fan*. Laser-induced Janus Graphene/Poly(p-phenylene benzobisoxazole) Fabrics with Intrinsic Flame Retardancy as Flexible Sensors and Breathable Electrodes for Fire-fighting Field. Nano Research, 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5382-y.