火灾救援现场环境复杂，高温、高湿等极端条件对消防装备的性能提出了严苛要求。目前，智能消防服的发展主要有两个方向：一是将刚性传感器缝在消防服上，但这些传感器不仅影响服装的灵活性和透气性，其依赖的电池在高温下还存在泄漏、爆炸风险；二是开发柔性纺织基自供电传感器，但现有产品普遍存在一个短板 - 环境湿度升高会导致电输出性能下降，严重影响信号传输。

  针对这些痛点，西安工程大学樊威教授团队及其合作者借鉴耐高温导线的同轴结构设计，通过层级纺织组装技术开发出一种超级智能防火纱线（SIFY）。这种纱线不仅具备优异的阻燃性、高强度和耐磨性，更突破了传统摩擦纳米发电机（TENG）在高湿度环境下的性能限制，实现了湿度越高、电输出越强的“反常识”突破。相关成果发表于《Advanced Science》。

一、SIFY的“三层铠甲”：结构决定性能

  SIFY采用独特的三层同轴结构，每层材料各司其职，共同铸就其“硬核”性能：

• 芯层：以聚二甲基硅氧烷（PDMS）纤维为基底，缠绕高导电的镀银铜线（电导率达 1.92×10? S/m），形成可伸缩的电极，确保在形变下不易断裂。

  
  

• 中间层：通过同轴湿纺技术，将苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）与聚磷酸铵（APP）、磷氮阻燃剂（PNFR）的混合物涂覆在芯层外，形成防水阻燃层。它像一道“屏障”，既能隔绝外界湿气对电极的影响，又能在高温下发挥阻燃作用。

  
  

• 外层：采用聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维通过二维编织技术包裹，赋予纱线超高的机械强度和阻燃性，满足火灾现场的极端力学需求。

图1 展示了SIFY的制备流程和三层结构的微观形貌：从PDMS纤维到缠绕导线，再到涂覆中间层，最后编织外层PBO纤维，一步步构建出均匀的同轴结构

二、性能“天花板”：阻燃、强度、耐磨性拉满

1. 极致阻燃，烈火难侵

  火灾现场，阻燃性能是“保命线”。SIFY的中间层SEBS/APP/PNFR通过物理混合阻燃剂，极限氧指数（LOI）从纯SEBS的18.6%提升至33.6%，燃烧时会形成连续致密的炭层和气泡，隔绝氧气并抑制火焰蔓延。外层PBO纤维进一步强化阻燃效果：SIFY的LOI高达50.2%（远超消防服常用芳纶纱线的29%），经12秒燃烧后损伤几乎可忽略（图2）。这意味着即使在烈火中，SIFY也能保持结构稳定。SIFY与已报道阻燃摩擦电纱线的核心指标，在LOI、拉伸强度、高温电性能保留率等方面，SIFY均位居第一。

图2. SIFY的阻燃性能

2. 力学“扛把子”，耐磨抗造

  SIFY的拉伸强度达550.72 MPa，是商用芳纶纱线（250 MPa）的2倍多；经过12000次摩擦循环后，结构仍完好无损，电输出性能稳定。此外，其抗切割性能也表现优异，能应对救援现场的尖锐物体摩擦。

三、湿度“助推器”：高湿环境下性能反升

  传统纺织基TENG在高湿度环境下，因纤维吸湿会导致电输出下降，而SIFY却走出了“逆袭”路线：

• 当相对湿度（RH）低于80%时，SIFY的开路电压（V_OC）缓慢上升；

  
  

• 当RH升至95%时，V_OC较初始值提升53.57%，稳定在25-27V。

  这一突破的关键在于：中间层SEBS/APP/PNFR和外层PBO纤维均为疏水材料（水接触角分别为126.6°和136.3°），能阻挡水分侵入芯层；而在超高湿度下，水分会沿纤维界面扩散，与PBO纤维形成氢键，水分子作为带正电材料参与摩擦起电，从而增强电输出。此外，SIFY在高温下也能稳定工作：200℃时，V_OC仍保持初始值的66.57%，且300秒内信号稳定，完全适配火灾现场的高温环境。

图3. SIFY的摩擦电性能

四、从纱线到装备：智能消防的“多面手”

  SIFY不仅是一种高性能纱线，更能通过纺织加工制成电子纺织品，实现“一材多用”：

• 自供电传感器：编织成的电子织物可用于手势识别——接触的手指数量不同（1-5根），输出电压从0.23 V增至3.93 V，信号能实时转化为指令并通过蓝牙传输(图5b)，解决火灾现场语音、视觉通信受阻的问题；

  
  

• 智能消防绳：与芳纶纤维编织成的消防绳，能通过摩擦产生的电信号实时监测自身状态(图5)。若绳子磨损、断裂，电信号消失，可及时预警，避免救援中因装备失效造成的危险；

  
  

• 微型电源：3.5cm×3.5cm 的SIFY电子织物可点亮57盏LED组成的“FIRE”图案（图4f），还能为低功耗传感器供电，摆脱电池依赖。

图4. SIFY织物的电学性能

图5. SIFY及其电子织物的应用, a) 集成到消防服中的 SIFY 电子织物的应用示意图, b) SIFY在不同手势下的开路电压（V_OC）, c) 敲击SIFY电子织物时，与摩尔斯电码“FIRE”对应的开路电压（V_OC）, d) 智能绳索的应用场景图, e) 智能绳索的实物图, f) 智能绳索损坏前后的开路电压（V_OC）

  SIFY的出现为智能消防装备提供了全新解决方案。未来，这种集阻燃、高强度、耐切割、耐磨损、自供电、湿度适应于一体的纱线，有望在消防、极限运动、应急救援等极端环境中发挥重要作用，为消防员的安全再添一道“科技防线”。

  该工作第一作者为西安工程大学硕士研究生孙莹，通讯作者为西安工程大学功能性纺织材料及制品教育部重点实验室樊威教授和西安交通大学化学学院王淑娟教授。研究得到国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金等项目支持。

  原文链接：Ying Sun, Yong Zhang, Haoyu Shi, et al. Hierarchically Engineered Flame -Retardant Triboelectric Yarn Exhibiting Robust Mechanical Performance and Humidity-Boosted Electrical Output for Firefighting Applications. Advanced Science, 2025, DOI: 10.1002/advs.202507673.

  https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202507673