火灾安全防护是全球范围内亟待解决的重大公共安全问题。尤其对于消防员等高危作业群体而言，防护服在强热辐射下易发生热损伤，穿戴者难以及时感知并作出反应，从而增加烧伤风险。现有商业火灾传感器多基于离子型或光电探测原理，需外部电源支持且难以在柔性织物上实现分布式布局，无法满足现代智能消防系统对自供电、可穿戴、实时预警的核心需求。因此，开发一种兼具早期主动预警和高效被动防护能力、可自供电且易于集成的新型火灾安全防护材料，对于提升公共安全水平、推动智能化安全防护的发展具有重要的研究意义和应用价值。
近日，大连工业大学郭静教授和管福成老师团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Polyimide porous thermoelectric fibers based on sheath core structure: A new self-powered material for early fire warning and flame retardant protection”。大连工业大学为第一署名单位，论文第一作者为纺织与材料工程学院博士生纪辛斌，通讯作者为郭静教授、管福成老师。研究者提出了一种基于碳纳米管（CNT）与Ag₂Se纳米棒协同模板化和应力取向效应的结构调控策略，成功构筑了具有稳定鞘芯结构聚酰亚胺（PI）/预氧化PAN（panof）/CNT/Ag₂Se(s)复合多孔纤维(PPCAF)。该纤维芯层主要由致密的panof/CNT/Ag₂Se复合相构成，负责承担力学载荷并实现热电响应；壳层主要为多孔PI骨架，具有良好的应力缓冲和热防护的作用，有效避免了Ag₂Se暴露导致的脱落与性能衰退，并提升了热电转换效率和信号稳定性。
得益于该结构的设计，PPCAF可在火灾初期快速响应温度变化，通过塞贝克效应在1.8 s内输出最高达4.5 mV的热电信号，实现稳定可靠的自供电预警功能。同时，PPCAF兼具优异的被动防护性能，包括较高断裂强力（18.93 MPa）、阻燃性能（LOI = 55.6）、出色隔热性能（导热系数0.0298 W/mK）及超疏水性（接触角160.2°），可有效延缓燃烧蔓延、降低热量传导并抵御潮湿侵蚀。该研究提出的鞘芯结构构筑与多功能协同设计策略，为自供电智能安全防护纤维材料的设计与应用提供了理论支撑与实践路径。
图1：PPCAF的微观形貌、元素分布和鞘芯结构的机理图。
团队通过湿法纺丝技术和热处理制备PPCAF纤维。SEM图像显示纤维鞘层保持良好的孔隙结构，而芯层同样具备一定的孔隙性。截面图像中Ag2Se纳米棒以颗粒状亮点形式均匀分散，未见团聚或脱落现象（图1a-d）。EDS元素面扫描图(图1e-f)显示，Ag、Se及N元素主要富集于纤维芯部区域，而鞘层则以F元素为主。该鞘芯结构的构筑归因于协同模板化与应力取向机制的共同驱动（图1g），这有效避免了Ag2Se纳米棒直接暴露于表面引发的脱落和性能衰退，还在芯部形成连续热电路径，提高了热电转换效率和信号输出稳定性，为高性能智能纤维材料的后续应用奠定了基础。
图2：PPCAF的机械性能和可编织性。
图2系统展示了PPCAF的机械性能和可编织性验证结果。PPCAF在引入Ag2Se后仍保持良好的拉伸强度、柔韧性和延展性，同时具备优异的可编织性和工艺适应性。这不仅满足了柔性可穿戴防护材料对力学性能和成型性能的要求，也为其在智能防护织物领域的应用奠定了坚实基础。
图3：PPCAF的早期火灾预警功能。
图4：无线智能响应火灾预警系统应用、设计和概念验证图。
图3展示了PPCAF的热电响应行为和火灾早期预警能力。实验结果显示，该纤维在温度梯度作用下能够自发输出热电信号，实现无外部供电的火灾检测功能。通过引入Ag2Se纳米棒与纤维中CNT构建的导电网络协同作用，显著增强了纤维的热电响应能力。当纤维两端形成温差时，Ag2Se的塞贝克效应驱动电子沿Ag2Se-CNT导电路径迁移，产生稳定的电压信号。随着酒精灯靠近时间的增加，纤维输出的电压信号表现出平稳且可控的上升趋势，平均输出电压达 4.3 mV，验证了该热电系统良好的响应稳定性与可重复性。
借助PPCAF的热电响应特性，团队构建了一种新型的自供电无线消防报警系统，可在无需外部电源的条件下实现对火焰或高温（≥100 °C）的快速感知与远程预警(见图4)。该系统以PPCAF作为核心传感单元，能够在高温条件下通过塞贝克效应生成热电信号，实时监测环境温度变化。当输出电压达到设定阈值时，微控制器单元即触发指令，驱动蜂鸣器和LED模块发出声光警报，警报的声音和灯光将立即提醒工作人员和消防员疏散。同时，通过WiFi模块无线发送报警信息至接收终端，实现远程火情通知。该报警系统具备良好的集成潜力，可嵌入至消防服或智能安全装备中，在火灾初期实现即时感知与报警，显著提升火灾应对效率与人员生命安全保障能力。
图5：PPCAF的热防护性能。
图5系统展示了PPCAF的被动防护性能，包括阻燃、隔热及超疏水特性。团队制备的PPCAF纤维不仅具备优异的热电预警功能，同时还集成了高效的阻燃、隔热与超疏水性能，为构建集主动预警与被动防护于一体的智能防护织物提供了有力支撑。不仅为开发下一代自供电智能防护纤维材料提供了可行路径，也为火灾安全监测及智能织物领域的研究与应用奠定了重要基础。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.169714
人物简介：
郭静，大连工业大学纺织与材料工程学院二级教授，博士生导师。辽宁省功能纤维及其复合材料工程技术研究中心主任、大连市生物质纤维材料重点实验室主任、辽宁省《功能纤维及其复合材料》高校创新团队负责人。获得中国纺织学术带头人、辽宁省第七批优秀专家、辽宁省普通高等学校本科教学名师、中国纺织工业联合会“纺织之光”教学名师奖、中国轻工业联合会“十二五”科技创新先进个人、中国化纤工业协会化纤科技创新先进个人、大连市三八红旗手等称号。以第一或通讯作者在Advanced Fiber Materials、Chemical Engineering Journal、Energy and Buildings、Carbohydrate Polymers等刊物上发表学术论文100余篇。以第一发明人取得中国发明专利授权30余项。
管福成，工程师，大连市高端人才。荣获辽宁省科学技术发明二等奖1项，“纺织之光”高等教育教学成果奖特等奖1项，中国轻工联合会科学技术发明一等奖1项，中国轻工联合会科学技术发明二等奖1项，大连市科学技术发明二等奖1项，“纺织之光”高等教育教学成果奖二等奖1项。主持纵向科研项目2项，横向科研项目3项。以第一或通讯作者在Small、Chemical Engineering Journal、International Journal of Biological Macromolecules等高水平期刊上发表SCI论文20余篇。
