一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线

1.本发明涉及柔性电子技术领域，具体为一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线。


背景技术：

2.随着消防工程技术发展的突飞猛进，在高层建筑楼内的装饰材料多为阻燃材料，在降低火灾发生风险和增加救援时间方面都取得了大幅度进展。但是，由于火灾发生时长的增加，仍旧会给人们生命财产安全带来重大威胁。考虑到智慧消防时代的到来，要求阻燃装饰材料不仅需要有阻燃特性，还需要火灾感知特性来预警火灾的发生，这使柔性电子技术在阻燃性能方面具有突破式创新。因此，开发出具有火灾感知预警和阻燃特性的高层建筑场所装饰材料对于降低火灾事故带来的危害具有重要的科学意义和应用价值。
3.织物以其柔韧性、舒适性和可降解性在高层建筑楼内的装饰材料中得到了广泛的应用。将织物与现代电子科技结合形成织物基的柔性电子器件已成为柔性可穿戴电子设备研究领域的新挑战。为了提高其防火安全性，人们开发了许多含卤素、磷、氮或硅元素的阻燃剂，用于喷覆或者浸涂于棉织物表面，但是，会影响柔性功能材料的电子感知器件的性能。另外，棉织物基的柔性电子器件在反复测试过程中功能介质易脱落的缺点，需要利用柔性聚合物（例如，硅胶、聚二甲基硅氧烷， 聚氨酯等）进行外部封装，但是由于液态状聚合物在固化分子交联过程中会影响电子感知器件的性能。因此，开发出一种具有火灾感知预警和阻燃特性的柔性布基智能防火线是十分有必要的，不仅可以作为智能装饰材料用于高层建筑楼内的智慧消防工程中，还可以作为智能防火服饰用于监测消防救援人员的动作识别。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术中柔性压阻电子器件缺乏阻燃和火灾感知特性的问题，提供了一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线及其制备方法。
5.本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线，包括柔性中心导电芯、双螺旋中间功能层和外部阻燃层。
6.优选的，所述外部阻燃层为带有阻燃剂的热收缩织物套管防火层，所述双螺旋中间功能层为带有热敏感导电材料的管状阻燃玻璃纤维织物。热收缩织物套管防火层在热处理后具有收缩效应，使其能够紧密的包覆整体器件，有效避免在反复测试过程中功能介质易脱落的弊端，提升智能防火线的稳定性和可靠性。双螺旋中间功能层的热敏感导电材料内部载流子会沿着温差的方向移动形成电位差，随着温度的升高，输出电压会增大，即温度梯度与输出电压之间存在正函数关系，当感知温度超过火灾发生温度时，通过设置火灾触发电压，对火灾发生进行报警。更进一步的，双螺旋中间功能层具有压力-电阻耦合性能，能够响应不同频率下的轻敲、踩踏和关节弯曲等常见动作，可以集成到消防服饰或消防机器人的电子皮肤中用于监控人体多姿态动作和消防设备操作状况。
7.上述一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线的制备方法，包括如下步骤：（1）柔性中心导电芯的制备：a、基体材料包含为质量比为100:1~3的固态硅胶与铂金硫化剂，放入开放式混炼机搅拌30-50min；b、将体积分数为60%~90%的金属粉体放入到基体材料中，利用开放式混炼机搅拌2-3h；c、放入到挤出机中，在110~150℃温度调节下固化成型，制成直径为0.2mm-1mm的柔性中心导电芯；（2）双螺旋中间功能层的制备：a、将热敏感导电材料与去离子水按质量分数比2%~10%进行磁控搅拌12~24h，并超声30~60min，形成混合均匀的热敏感导电材料水分散液；b、将两根柔性中心导电芯分别插入同等内径的两根管状阻燃玻璃纤维织物中，并作为基底材料分5~8次浸入到热敏感材料水分散液中，每次浸入时间为5~10min；c、将两根带有中心导电芯的管状阻燃玻璃纤维织物进行双螺旋扭转，利用夹子固定双螺旋结构，并放置在加热台上于80-110℃下烘干1-3h；（3）外部阻燃层的制备：a、将直径为0.5mm~5mm的热收缩织物套管放入到液态阻燃剂中浸泡30~50min，然后放置在加热台上于70~110℃下烘干1~2h，形成阻燃性热收缩织物套管；b、将双螺旋扭转的带有中心导电芯的中间功能层放入到阻燃性热收缩织物套管中，并用热风枪在120~170℃下加热1min，使阻燃性热收缩织物套管紧密包覆双螺旋中间功能层。
8.优选的，所述金属粉体为银粉、银铜粉、银铝粉或镀银玻璃粉等。
9.优选的，所述热敏感导电材料为石墨烯、碳纳米管或mxene等。
10.优选的，所述热收缩编织套管为聚酯纤维和聚烯烃单丝编织而成。
11.优选的，所述液态阻燃剂为含卤素、磷、氮或硅元素的阻燃剂。
12.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线及其制备方法，可以制作成智能装饰材料用于高层建筑楼内的智慧消防工程中，也可以制作成智能防火服饰用于监测消防救援人员的动作识别。利用双螺旋中间功能层的热敏感导电材料内部载流子会沿着温差的方向移动形成电位差，随着温度的升高，输出电压会增大，即温度梯度与输出电压之间存在正函数关系；当感知温度超过火灾发生温度时，通过设置火灾触发电压，对火灾发生进行报警。双螺旋中间功能层具有压力-电阻耦合性能，能够响应不同频率下的轻敲、踩踏和关节弯曲等常见动作，可以集成到消防服饰或消防机器人的电子皮肤中用于监控人体多姿态动作和消防设备操作状况。本发明在作为高层建筑场所装饰材料时，具有高阻燃性，对防御火灾的发生起到十分重要的作用，可广泛使用。
附图说明
13.图1为本的一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线的结构示意
图和圆圈标记处的结构剖面图。
14.图2为本发明的一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线制备过程示意图。
15.图3为本发明制备的一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线的放大图，其中（1）为切面示意图，（2）为扫描电子显微镜切面图。
16.图4为分别测试（1）中间功能层的基体材料由管状阻燃玻璃纤维织物替换成管状棉织物织物，同时热收缩编织套管不进行阻燃处理的器件；（2）中间功能层的基体材料由管状阻燃玻璃纤维织物替换成管状棉织物；（3）热收缩编织套管不进行阻燃处理器件；（4）本发明的一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线，在以每30s为燃烧周期、100n压力载荷下测试器件的压阻性能。
17.图5为热敏感导电材料为mxene的温度-电压拟合函数图。
18.图6为本发明的智能防火线应用于人体不同位置的压阻性能测试图：（1）胳膊关节的不同弯曲角度；（2）胳膊关节的不同弯曲频率；（3）脚底部的踩踏行为；（4）膝关节的行走行为。
19.图中标记如下：1-金属粉体，2-固态硅胶与铂金硫化剂的基体材料，3-1和2的混合物，4-柔性中心导电芯，5-管状阻燃玻璃纤维织物，6-热敏感材料水分散液，7-双螺旋中间功能层，8-热收缩织物套管防火层。
具体实施方式
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
21.一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线，如图1所示包括柔性中心导电芯、双螺旋中间功能层和外部阻燃层。本实施例中采用了优选方案，所述外部阻燃层为带有阻燃剂的热收缩织物套管防火层，所述双螺旋中间功能层为带有热敏感导电材料的管状阻燃玻璃纤维织物。
22.上述基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：（1）柔性中心导电芯的制备：a、基体材料包含为质量比为100:2的的固态硅胶与铂金硫化剂，放入开放式混炼机搅拌30min；b、将体积分数为80%的金属粉体放入到基体材料中，利用开放式混炼机搅拌2h；c、将制备完成的混合物放入到挤出机中，在120℃温度调节下固化成型，制成直径为0.5mm的柔性中心导电芯；（2）双螺旋中间功能层的制备：a、将热敏感导电材料与去离子水按质量分数比5%进行磁控搅拌15h，并超声40min，形成混合均匀的热敏感导电材料水分散液；b、将两根柔性中心导电芯分别插入同等内径的两根管状阻燃玻璃纤维织物中，并作为基底材料分6次浸入到热敏感材料水分散液中，每次浸入时间为8min；c、将两根带有中心导电芯的管状阻燃玻璃纤维织物进行双螺旋扭转，利用夹子固
定双螺旋结构，并放置在加热台上于100℃下烘干2h；（3）外部阻燃层的制备：a、将直径为2mm的热收缩织物套管放入到液态阻燃剂中浸泡40min，然后放置在加热台上于100℃下烘干1.5h，形成阻燃性热收缩织物套管；b、将双螺旋扭转的带有中心导电芯的中间功能层放入到阻燃性热收缩织物套管中，并用热风枪在150℃下加热1min，使阻燃性热收缩织物套管紧密包覆双螺旋中间功能层。即制成基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线。
23.一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线的切面示意图和扫描电子显微镜切面图的结构示意图如图3，利用聚合物交联反应和辐射加工技术，热收缩织物套管在热风枪下进行热处理后具有收缩效应，使其能够紧密的包覆整体器件，有效避免在反复测试过程中功能介质易脱落的弊端，提升智能防火线的稳定性和可靠性。
24.图4为分别测试（1）中间功能层的基体材料由管状阻燃玻璃纤维织物替换成管状棉织物，同时热收缩编织套管不进行阻燃处理的器件；（2）热收缩编织套管不进行阻燃处理器件；（3）中间功能层的基体材料由管状阻燃玻璃纤维织物替换成管状棉织物；（4）本实施例的一种基于热电和压阻效应的双螺旋柔性织物基智能防火线，在以每30s为燃烧周期、100n压力载荷下测试器件的压阻性能。从对比结果可以看出，本发明的双螺旋柔性织物基智能防火线由于具有双重防火层，所以能够在长时间的燃烧情况下仍旧保持良好的压阻性能。
25.图5为热敏感导电材料为mxene的温度-电压拟合函数图，可以看出，随着加热温度的升高，器件的输出电压也会成近似线性的增加，得到mxene的温度-电压拟合公式为u=0.00893t-0.195。因此，可以根据能防火线的输出电压值来准确的判断感知温度的变化，当感知温度超过火灾发生温度时，通过设置火灾触发电压，对火灾发生进行报警。
26.图6为本发明的智能防火线应用于人体不同位置的压阻性能测试图。（1）胳膊关节的不同弯曲角度；（2）胳膊关节的不同弯曲频率；（3）脚底部的踩踏行为；（4）膝关节的行走行为。可以看出，本发明的智能防火线能够响应人体不同部位的行为动作，将其集成到消防服饰或消防机器人的电子皮肤中可以用于监控人体多姿态动作和消防设备操作状况。
27.本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内；本实施例内容不应理解为对本发明的限制。