ACS Mater. Lett. | 新型丝蛋白基阻燃离子导体报警系统

英文原题：Flame-Retardant and Sustainable Silk Ionotronic Skin for Fire Alarm Systems

通讯作者：凌盛杰，上海科技大学

作者：Qiang Liu (刘强), Shuo Yang (杨硕), Jing Ren(任婧), Shengjie Ling (凌盛杰)

随着5G通讯时代的到来，人工智能和机械学习领域的快速发展使人机交互的全面应用近在咫尺。柔性电子设备作为未来人工智能不可缺少的组成部分，在可折叠显示屏、智能识别和可穿戴电子领域展现出巨大的商业价值，Electronic skin(e-skin)材料应运而生。近年来，在e-skin的基础上，研究者提出有望使力学性能和人机交互性进一步优化的ionotronic skin(i-skin)离子皮肤材料。与此同时，可植入、可穿戴领域应用中材料的安全性也受到更多的关注。

近日，上海科技大学凌盛杰教授课题组以天然丝素蛋白(SF)和钙离子为原料，通过可放大化生产的简单合成策略，开发出透明、可拉伸、可自修复、高生物安全、可阻燃且导电的i-skin：SF/Ca²⁺ i-skins (SFCIS)。研究团队详细探究了这类SFCIS体系的阻燃机理，并开发了一种在极端条件下可以通过无线信号传递预警信息的报警系统(图1)。相关工作补充了近年来可穿戴设备防火安全性的欠缺，并为离子皮肤的设计提供了新的灵感。

图1. SFCIS的组成, 阻燃原理及火灾报警简介

丝素蛋白钙离子导体SFCIS可通过两种不同的方法制备(图2a)，以满足不同应用场景的需求。对于应用于人体皮肤表面这类生物界面中，我们采取相对温和的水系制备方法；而对于其他非生物的界面，则可以采用甲酸体系获得更高效的制备速率。SFCIS具有高透明性(图2b)和柔性(图2c)，通过钙离子含量可以控制SFCIS在环境中的力学性能。高湿度环境中，SFCIS具有很好的粘附性(图2d)和自愈性能(图2e)。也可达到在不同温度和湿度下良好的可拉伸性质(伸长率高达1200%)，匹配力学模量与生物组织模量相当(图2f)，同时导电性可达1.96 mS·cm^-1，以满足可穿戴器件的需求。

图2. SFCIS的制备与性能展示

钙离子为材料提供与环境中物质交换的能力，保持了SFCIS体系中结合水的稳定。结合水的存在，一方面为材料提供了大量氢键，使其具有较高的韧性和可自愈能力。另一方面，在材料暴露在极端环境下时，材料中由于钙离子螯合水的存在，使材料表面在接触火焰的第一时间吸热，气化，并迅速形成膨胀对内部基底形成保护。

为了探究SFCIS的阻燃性能，在极限氧指数测试的实验中，SFCIS表现出媲美工程塑料的阻燃性能(图3a)，极限氧指数LOI高达43%。并且在燃烧实验中SFCIS不会发生复燃、熔滴等二次危害行为，保证了器件在火灾环境下的安全性。而燃烧往往只发生在一瞬间，该研究团队采用热质联用(TGA-MS)的手段精确分析了不同反应阶段下的材料组分的变化。通过对比纯丝体系和SFCIS体系的图谱(图3b, 3c)发现由于钙离子的加入，SFCIS中发生了一系列阻燃过程(图3d)，包括：脱水过程；碳化层膨胀过程；多层屏蔽过程和自由基淬灭过程。这些阻燃机制和过程可以在TGA-MS测试以及傅里叶红外(FTIR)及SEM(图3e)中被定性观察并分析。

图3. SFCIS的阻燃性能与表征

研究者也探究了极端条件下SFCIS离子导体的电学行为(图4a)。火焰炙烧下，SFCIS的电阻值在初始期快速下降，并维持一段较长的稳定期，期间仍然可以导电。基于这种特殊的性质，研究团队设计开发出无线火灾报警系统。并且由于材料具有一定的粘附性，研究人员将材料黏附在易燃物质(木头、纤维素纸，丝绸)表面，并进行燃烧实验(图4b)。在SFCIS保护下，易燃材料在火焰下可以长时间维持力学形貌，而不被燃烧分解，同时仍然可以为系统提供火灾报警信息。

图4. SFCIS火灾预警系统开发与防火应用

该研究利用简单的合成方法，制备出基于天然蚕丝蛋白的离子导体材料，具有良好的导电性、可调的力学性质、自修复性和阻燃性。为研究这类材料燃烧机制提供了可行的方案，也为一类基于离子导体的新型人造皮肤设计提供了新的思路，对提升可穿戴设备安全性有重要的启示。

ACS Materials Lett. 2020, ASAP

Publication Date: May 26, 2020

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00062

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