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  消防織物在復(fù)雜而極端的環(huán)境下需要滿足極高的性能要求，消防服需同時(shí)具備優(yōu)異的抗沖擊性能、阻燃特性、熱輻射屏蔽效能與穿著舒適性。然而，傳統(tǒng)防護(hù)織物的設(shè)計(jì)理念較為單一，導(dǎo)致其綜合防護(hù)效能存在缺陷。例如，傳統(tǒng)的聚酯類消防服雖具備良好的阻燃性能，但其抗沖擊及抗撕裂性能明顯不足。在消防救援過程中，當(dāng)遭遇建筑物坍塌或高沖擊載荷時(shí)，聚酯材料往往無(wú)法有效抵御外部沖擊能量，導(dǎo)致材料破裂并造成消防員軀體損傷。而剛性防護(hù)材料雖然能提升力學(xué)強(qiáng)度，但會(huì)犧牲材料的柔韌性，進(jìn)而影響消防員的作業(yè)靈活度。因此，設(shè)計(jì)兼具優(yōu)異阻燃性能、良好力學(xué)特性及舒適性的多功能復(fù)合織物，已成為消防安全領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

  鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍課題組、澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華課題組提出了一種剪切變硬膠基異質(zhì)自組裝策略。該策略通過剛?cè)嵯酀?jì)的模式，在基底材料表面構(gòu)建仿珍珠層結(jié)構(gòu)涂層，提升基底材料的力、熱沖擊防護(hù)能力，具有廣泛的適用性。此外，氫鍵與動(dòng)態(tài)硼氧鍵強(qiáng)化了材料的界面相互作用，使織物表現(xiàn)出優(yōu)于現(xiàn)有商用織物的卓越力學(xué)性能，為消防織物難題提供了可行的解決方案。相關(guān)研究成果以“Bioinspired Flame-Retardant and Impact-Resistant Aramid Composites via Nacre-Mimetic Self-Assembly for Firefighting Applications”為題，發(fā)表在國(guó)際Top期刊《Advanced Materials》。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士生李子木，通訊作者為王勝副教授與龔立平博士，李衛(wèi)華教授和龔興龍教授給予了指導(dǎo)，研究工作的其他貢獻(xiàn)者還有劉帥博士、王文慧、吳建鵬博士和李嘉豪。

  頻繁發(fā)生的火災(zāi)事故對(duì)消防員的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，這一現(xiàn)實(shí)問題要求消防防護(hù)材料不斷提高性能以滿足消防工作需要。受貝殼珍珠母微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本研究提出了一種異質(zhì)自組裝策略。該策略以氫氧化鎂為磚、剪切變硬膠為泥，二者形成“磚泥結(jié)構(gòu)”附著于芳綸織物表面，使其具備優(yōu)異的抗沖擊和阻燃能力。這展示了一種全新的生產(chǎn)策略，不僅提高了普通織物的力-熱耦合性能，還為其在工業(yè)應(yīng)用中提供了可能性。

圖1 異質(zhì)自組裝設(shè)計(jì)

  剪切變硬膠-氫氧化鎂涂層的阻燃性能表現(xiàn)突出，當(dāng)其暴露于火焰時(shí)，能夠作為吸熱屏障來(lái)調(diào)節(jié)溫度梯度，以減緩聚合物的分解和燃燒過程。其分解產(chǎn)物為穩(wěn)定的耐火氧化鎂，能夠形成具有表面保護(hù)功能的陶瓷膜。內(nèi)部的珍珠層結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了氧氣傳輸路徑，使材料同時(shí)具備隔熱和隔氧功能。此外，水蒸氣減少了燃燒過程中形成的煙霧顆粒，從而抑制煙霧，提高安全性。智能材料通過吸收熱量、稀釋可燃?xì)怏w、形成隔熱隔氧層和抑制煙霧產(chǎn)生來(lái)阻止火焰?zhèn)鞑ァ?/span>

圖2 阻燃性能研究

圖3 阻燃機(jī)理分析

  在熱防護(hù)方面，整齊排列且具有高反射性的六方氫氧化鎂能夠反射大量的輻射熱，減少傳導(dǎo)到人體的熱量。同時(shí)，各向異性的分層結(jié)構(gòu)使熱量橫向擴(kuò)散，大幅度增加了散熱面積，減少了縱向的熱量傳導(dǎo)。因此，智能材料的結(jié)構(gòu)能夠顯著減輕熱輻射對(duì)人體的傷害。

圖4 熱輻射防護(hù)探究

  在外界沖擊荷載的作用下，有序分層的有機(jī)-無(wú)機(jī)互穿雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠通過斷裂和變形引發(fā)多階段裂紋擴(kuò)展演化。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)迫使裂紋改變其傳播路徑，從而分散和消耗大部分的沖擊能量。同時(shí)，基底材料層間的滑移和位錯(cuò)能夠消耗動(dòng)能，當(dāng)沖擊應(yīng)力傳播到纖維基底時(shí)，層間剪切變硬膠限制了位錯(cuò)變形，從而進(jìn)一步提升防護(hù)效果，最大限度地保護(hù)人體。

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為

圖6 高速?zèng)_擊載荷防護(hù)

  綜上，本研究設(shè)計(jì)了一種集阻燃、熱防護(hù)和抗沖擊等多種功能為一體的智能消防服。在日常運(yùn)動(dòng)中，消防服布料輕盈柔軟，能貼合身體且不影響活動(dòng)。在受到爆炸沖擊時(shí)，消防服能夠迅速變硬，根據(jù)不同的防護(hù)需求提供最佳的防護(hù)性能，保護(hù)穿著者免受傷害。

圖7 智能消防服

  總體而言，本研究開發(fā)了一種剪切變硬膠基異質(zhì)自組裝策略，能夠?qū)崿F(xiàn)極端環(huán)境下力-熱耦合多場(chǎng)防護(hù)，通過引入仿珍珠層結(jié)構(gòu)和材料，賦予智能材料出眾的力、熱沖擊防護(hù)能力，使其性能超越了眾多商用材料。這一自組裝設(shè)計(jì)策略為研發(fā)更先進(jìn)的阻燃抗沖擊材料提供了指導(dǎo)，在智能防護(hù)等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

  原文鏈接：

  Zimu Li, Sheng Wang*, Liping Gong*, Shuai Liu, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Jiahao Li, Weihua Li, Xinglong Gong. Bioinspired Flame-Retardant and Impact-Resistant Aramid Composites via Nacre-Mimetic Self-Assembly for Firefighting Applications. Advanced Materials 2025, 2508606. DOI: 10.1002/adma.202508606.

  https://doi.org/10.1002/adma.202508606