作者：董翔1#*，马妍1#，张铈岱2，荣彩玉3，姜晓余1，李妍1，聂士斌4，田恐虎5
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期刊：AdvancedFiber Materials
（中科院一区，TOP，IF=17.2）
创新点
Highlights
（1）开发了基于AgNP@PDA@M(OH)(OCH3)（M=Co, Ni）的纳米复合涂层芳纶材料（NCANF），NCANF遇火后通过界面催化与高温还原形成了“金属-炭-空气”蜂窝状缓冲层，显著提升了其在极端高温环境下的防护能力。
（2）基于银纳米颗粒导电网络重构效应，NCANF可实现快速火灾报警响应及火灾分级指示功能。NCANF的"压力-电阻"响应特性，为其在智能消防服的可靠动作识别性能的应用提供了基础。
（3）NCANF集成了严格防火、热防护、火灾报警响应、先进传感等功能。通过结合信号采集传输技术，这种智能消防织物将重塑未来消防救援模式，以期实现在作战效率、安全性与协同性方面的突破性提升。
研究背景
Research Background
随着城市化进程的加快，火灾事件的频率和复杂性增加。传统消防服在一定程度上可以保护消防员，但其无法感知环境危害并实时监测消防员身体状态。具有"防护-感知-决策"一体化功能集成的智能消防服已成为消防安全研究的热门趋势。现有智能纺织品的研究缺乏对其防火、热防护性能的关注。智能纺织品应用于消防服的防火性能与现役消防服（FU，耐火层）之间还存在较大差距。严格的防火、热防护成为了智能消防织物迫切需要提升的性能。
摘要
Abstract
智能消防织物亟需具备严格的防火性能。本研究采用新型二维纳米材料AgNP@PDA@M(OH)(OCH3)通过层层自组装技术，构建了纳米复合涂层芳纶材料（NCANF）。通过界面催化与高温还原，NCANF形成独特的"金属-炭-空气"蜂窝状缓冲层，使其可承受丁烷火焰（1300°C）冲击至少60s，性能优于现役消防服（FU，耐火层Nomex材料）。在此过程中，NCANF背面温度较FU降低超50%，最大温差达236.1°C。NCANF可实现3s内快速火灾报警响应（最大电阻变化率15%），并支持基于运算放大电路的火灾报警分级指示。将用作可变电阻的NCANF集成于机械手手指关节处，50次重复弯曲手指关节，NCANF稳定保持约63%的最大电阻变化率。通过关节弯曲角度与电阻变化率的映射关系，可建立"姿态密码"作为神经网络的初始参数矩阵，实现消防员动作行为识别。NCANF有效解决了现有智能消防织物缺乏严格防火体的难题，有望建立基于实时现场信息采集的联动救援模式。
文章图片
Figures
图1 NCANF的合成与优异性能。(a) AgNP@PDA@M(OH)(OCH3)（M=Co,Ni）的组装过程；(b) NCANF的制备流程；(c) NCANF优异性能的作用机理；(d-g)NCANF在智能消防服中的应用：(d)严格防火，(e)分级火灾报警，(f)全面热防护，(g)消防员动作行为识别。
图2材料的物相、微观结构及表面元素分析。(a) M(OH)(OCH3)与(b) AgNP@PDA@M(OH)(OCH3)（M=Co, Ni）的SEM图像；(c) ANF、NCANF及FU的数码照片；(d) ANF与NCANF的物理参数；(e) ANF的SEM图像；(f) NCANF的SEM图像；(g) ANF和NCANF厚度数据；(h) ANF与NCANF的红外光谱；(i) NCANF的表面元素组成（EDS）；(j) ANF与NCANF的XRD图谱；(k) NCANF的SEM图像及其表面元素分布。XPS谱图：(l)全谱，(m) Co2p谱，(n) P2p谱，(o)
Ag3d谱。
图3 NCANF的严格防火性能。(a) ANF与(b) NCANF在1300°C丁烷火焰冲击时的数码照片；(c) ANF、FU及NCANF的TGA曲线与(d) HRR曲线；(e)残余质量、(f)峰值热释放速率及(g)损伤长度对比；(h)与文献中阻燃织物性能的对比；(i)防火测试示意图及(j) NCANF与FU的红外热成像图；(k) FU与NCANF背面温度对比；(l) NCANF残炭的SEM图像；(m)蜂窝状缓冲保护层的XRD谱图及ICDD PDF-2标准卡片（No.47-0901、No.47-0798、No.04-0783）；(n) NCANF残炭的表面元素分布图；(o)防火性能的作用机制；(p) NCANF在智能消防服中的严格防火性能的应用场景。
图4 NCANF的全面热防护性能。(a)热辐射防护性能测试及NCANF与FU的红外热成图像；(b) ANF、FU及NCANF的热导率(λ)；(c)热辐射作用下ANF、FU与NCANF的背面温度变化；(d) 80℃加热台条件下ANF、FU与NCANF的背面温度；(e)室温下ANF、FU及NCANF附于人体手臂的红外热成像图；(f) 80℃加热台加热过程中ANF、FU及NCANF的图片与红外热成像图；(g) FU与(h) NCANF基于纤维结构的COMSOL Multiphysics简化计算模型模拟加热台加热情况下温度变化；(i) FU与NCANF表面温度变化曲线的实测与模拟结果对比；(j)热防护性能作用机制；(k) NCANF在智能消防服中全面热防护性能应用场景。
图5 NCANF的分级火灾报警性能。(a) NCANF火灾报警响应照片；(b)火灾报警分级指示响应数据；(c) NCANF受火焰作用时电阻变化率的动态响应；(d)火灾报警分级指示性能演示；(e) NCANF暴露于火场的单次电阻变化率的变化；(f)火灾报警分级指示电路原理图；(g) NCANF火灾报警作用机制；(h) NCANF残炭的SEM图像及其表面元素分布；(i) NCANF与近期报道的应用于火灾报警的智能材料的性能对比；(j) NCANF在智能消防服中火灾报警性能的应用场景。
图6 NCANF在智能消防服应用中的动作行为识别性能。(a)电阻变化测量系统示意图；(b) NCANF集成于指关节处反复弯曲运动的电阻变化率；(c) NCANF集成于指关节处弯曲单次记录的电阻变化率；NCANF集成于肩部，(d)肩部的运动照片及(e)对应电阻变化率记录；(f)指关节弯曲角度与电阻变化率的梯度对应关系；NCANF集成于肘部，(g)肘部的运动照片及(h)对应电阻变化率记录；消防手语：(i,l)"发现被困人员"、(j,m)"危险"、(k,n)"收到"；(o) NCANF压敏特性作用机制；(p) NCANF在智能消防服中的动作行为识别性能的应用场景。
第一作者简介：
董翔，工学博士，副教授，硕士生导师，以第一作者在《Advanced Fiber Materials》、《International Journal of Biological Macromolecules》和《Polymer》等高水平期刊上发表SCI论文7篇。主持国家自然科学基金青年基金，安徽省自然科学基金青年基金，安徽省教育厅高等学校自然科学研究项目重点项目等，申请或授权发明专利七项。
研究方向：智能耐火材料、纳米复合材料
马妍，2023级安全科学与工程专业硕士研究生，以共同第一作者在《Advanced Fiber Materials》期刊上发表SCI论文1篇，以第一作者在《复合材料学报》期刊上发表EI论文1篇。主持888集团官方网站大学生创业基金扶持项目1项。
来源：
Xiang Dong, Yan Ma, Shidai Zhang, et al. Rigorous Fireproofing, Thermal Protection, Graded Fire Alarm and Body Language Recognition: Designing Nano-Coated Aramid for Smart Firefighting Clothing.Advanced Fiber Materials, 2025.
