上海科技大学凌盛杰课题组《Adv. Mater.》：具有阻燃报警功能的蚕丝纳米纤维基离子导体皮肤

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近年来，高仿真机器人技术发展迅猛，实际应用过程中可能会遇到一些火情的隐患，具有阻燃防护功能的人工皮肤显示出特定场景下的重要应用潜力。同时，若人工皮肤在对内部器件进行保护的同时，还可对所外界高温刺激进行响应，实现预警反馈与动作上的有害刺激规避，则赋予这类人工皮肤更大的应用价值。上海科技大学凌盛杰课题组和合作者以蚕丝蛋白的高含盐溶液及石墨烯为基本原料，采用一种高效的气流辅助静电纺丝方法，制备出了具有优异阻燃效应和火情预警功能的蚕丝纳米纤维/石墨烯多功能电子皮肤。近日，该成果以“Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nano-Ionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm”为题，发表在Advanced Materials期刊上。

纳米纤维材料因其具备的可设计行强、透气性好、可穿戴性能好等特点而在电子皮肤制备中受到广泛关注。通常使用的静电纺丝方法容易受到溶液导电性的影响，从而使得生产效率较难进一步提升。因此，研究团队在电纺丝的基础上，通过加入气流辅助对纺丝射流进行强行纠偏与牵伸，从而实现了丝蛋白纳米纤维的高速制备，其纺丝效率为同等条件下静电纺丝的5-10倍。同时，作者选择了环境友好、加工性好及物理机械性能可调节的丝蛋白作为主体材料，通过在纺丝过程中引入石墨烯和钙离子实现材料的环境响应灵敏度与阻燃性的增强。最终可快速制备具有多级结构的丝蛋白纳米纤维膜（图1）。

图1 基于蚕丝蛋白纳米纤维的离子导体电子皮肤材料制备

气流辅助式电纺丝方法所制备的多级结构纳米纤维膜内部结构具有良好的湿度响应性能，可在湿度诱导下通过改变纤维膜内部纤维之间的结构实现其力学性能的调控。同时，所制备的纳米纤维膜在湿度诱导下还可实现在木片、塑料、纸片等界面的粘附，其黏附牢度与商用双面胶相当（图2）。

图2 不同湿度环境处理下（a）丝蛋白/石墨烯离子导体纳米纤维膜的力学性结构变化能与（b）内部结构变化；（c，d）所制备的纳米纤维膜的黏附性能。

此外，所制备的纳米纤维膜显示出良好的阻燃性能。其在接触火焰时无熔滴、无二次火焰产生，在离开火焰时不发生续燃。研究者进一步对所制备材料的热学性能进行了分析，并解释了其良好的阻燃性归功于材料在接触明火时的水分蒸发散热、燃烧氛围的不燃气体稀释、致密层助燃气体隔绝以及引入卤素的自由基淬灭效应（图3）。

图3 （a）丝蛋白/石墨烯离子导体纳米纤维膜的阻燃性能测试；（b）材料的阻燃机理；（c）丝纤维、丝蛋白离子导体、丝蛋白/石墨烯离子导体纤维的TGA曲线；（ｄ）丝蛋白/石墨烯离子导体纤维与（e）丝蛋白纤维的TGA-MS曲线

根据所制备的丝蛋白/石墨烯离子导体纳米纤维膜良好的阻燃及粘附性能，可将其贴附于物体表面实现火情下的阻燃防护（图4a）。同时因所制备的纳米纤维膜具有的良好的温湿度变化响应性能，可将其接入电信号监测系统，在遇明火时实现火情抑制并迅速且稳定传递出特征信号，从而达到防护与预警同步的功能（图4b）。由此开发了一套具有本地-云端-移动终端联动的火情预警系统，材料可在接触火焰后2s内迅速触发报警机制，实现三终端同时报警的功能（图4c-d）。此外，可将所制备的电子皮肤集成于机器人手部，在遇到火情刺激时激发机器人的自我保护机制，使其做出撤手等一系列规避危险的动作（图4e-f）。

图4 (a)所制备的材料的阻燃性能；(b)材料遇火时的电阻信号响应；(c-d)电子皮肤的阻燃及预警概念及实现；（e-f）丝蛋白电子皮肤应用于机器手的趋利性自我保护动作激发

简而言之，该研究采用了一种快速高效的纳米纤维离子导体制备方法，结合电子信号分析处理系统设计，制备了贴敷型的阻燃预警多功能电子皮肤，为多功能电子皮肤的设计提供了新的思路。

上海科技大学物质学院博士后曹雷涛与2019级硕士研究生刘强为本文第一作者；通讯作者为上海科技大学物质学院凌盛杰研究员、塔夫茨大学（Tufts University）大学David L. Kaplan教授及东北林业大学陈文帅教授。上海科技大学为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院合肥大科学中心“高端用户培育基金”、上海科技大学启动资金、博士后面上基金、纤维改性国家重点实验室开放课题等基金的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102500

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