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  在人類文明史上，火災(zāi)一直是造成人員傷亡和重大財產(chǎn)損失的可怕災(zāi)難。消防人員在救災(zāi)中始終要面臨著巨大的危險。然而，作為保護他們安全最不可或缺的裝備，消防服在隔絕高溫的同時也會使消防員無法及時感知環(huán)境溫度變化并及時逃離危險。因此，火災(zāi)報警材料以及具有溫度傳感特性的裝置常被安裝在防護服中，以檢測環(huán)境溫度并提醒救援人員。然而，目前火災(zāi)報警材料往往功能單一并且面臨著缺少熱防護、阻燃和力沖擊防護的問題。多孔聚合物海綿天然具有輕便、熱絕緣、力學穩(wěn)定和適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，使其高度適用于可穿戴人體力/熱防護領(lǐng)域。

  鑒于此，中國科學技術(shù)大學龔興龍教授團隊研發(fā)出了一種集輕質(zhì)、熱絕緣、阻燃和力沖擊防護性能于一體的海綿基火災(zāi)報警傳感器。首先通過高溫發(fā)泡法制備了具有剪切變硬特性的SSE-EVA海綿骨架，剪切變硬彈性體(SSE)的引入提高了復合海綿的抗沖擊性能。同時由于大量孔隙的存在，復合海綿同樣表現(xiàn)出出色的熱絕緣性能。隨后，將阻燃劑和氧化石墨烯(GO)引入到海綿骨架，制備出優(yōu)異阻燃性能的火災(zāi)報警材料(FGSE)。該FGSE海綿能夠在長時間的火焰燃燒下保持穩(wěn)定。同時，在火焰激勵下電阻迅速降低最終實現(xiàn)報警，提醒消防人員。這種火災(zāi)報警海綿為發(fā)展下一代多功能火災(zāi)報警設(shè)備提供了新的思路。

  相關(guān)研究成果以“Flame-retardant, lightweight, and multiple safeguarding fire alarm sponge for firefighter safety detection”為題，發(fā)表在國際期刊《Chemical Engineering Journal》。論文第一作者為中國科學技術(shù)大學工程科學學院碩士生梅桂林，通訊作者為龔興龍教授與王勝副教授。

【FGSE海綿的設(shè)計與表征】

  FGSE海綿使用高溫發(fā)泡方法制備。該海綿內(nèi)部具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，因此具有低密度優(yōu)點。并且由于海綿骨架的存在，其具有出色的拉伸變形能力，使得其可以更好地貼合人體。同時，經(jīng)歷多次沖擊載荷后仍然能夠保持結(jié)構(gòu)完整性。

圖1 FGSE 海綿的制備與性能

【復合海綿的動態(tài)力學性能】

  由于剪切變硬材料的引入和多孔骨架的存在，復合海綿材料在緩沖方面表現(xiàn)出色，且在30-80℃范圍內(nèi)抗沖擊力學性能穩(wěn)定。相比于其他工程材料，相同沖擊條件下復合海綿表現(xiàn)出優(yōu)越的緩沖效果和較低的沖擊力峰值。

圖2 復合海綿的抗沖擊性能

  由于其穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，復合海綿即使在90%的壓縮下仍然表現(xiàn)出顯著的恢復能力。此外，得益于SSE的剪切變硬特性,當應(yīng)變速率從0.01s^-1增加到0.1s^-1時，多孔復合海綿的壓縮應(yīng)力也表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)。

圖3 復合海綿的拉伸和壓縮力學行為表征結(jié)果

【復合海綿的熱性能和阻燃性能】

  復合海綿的多孔骨架具有較少的固體傳熱通道，氣體對流和熱傳導都能夠被有效隔離。厚度為3mm的復合海綿在不同溫度環(huán)境下的紅外透過率均低于10%,展現(xiàn)了其有效的熱輻射屏障能力。同時，在100℃高溫環(huán)境下，復合海綿表面的飽和溫度顯著降低且時間明顯延遲。

圖4 復合海綿的熱防護性能

  通常，大多數(shù)聚合物材料都是易燃的。因此，提高聚合物材料的阻燃性能對于其在高溫和火焰環(huán)境下的應(yīng)用具有重要意義。通過EG和APP的協(xié)同阻燃，復合海綿的阻燃等級達到了V-0級別。相比于未加阻燃劑的純海綿，其可燃氣體和有害氣體的釋放量都大幅下降，證明其在高溫環(huán)境下的安全性。

圖5 復合海綿的阻燃性能

  進一步地，通過XSP元素分析、SEM圖像和熱重分析等方法對阻燃機理進行研究。明顯地，添加了阻燃劑的復合海綿呈現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)。黑色部分為EG膨脹形成的柱狀結(jié)構(gòu)，白色部分主要成分為SiO₂。分層結(jié)構(gòu)形成了一個阻隔氧氣和熱量的屏障，實現(xiàn)高效的協(xié)同阻燃。

圖6 復合海綿的阻燃機理

【FGSE 海綿的火災(zāi)響應(yīng)特性及其應(yīng)用】

  高溫環(huán)境下FGSE海綿的電阻迅速下降并穩(wěn)定，表現(xiàn)出明顯的熱響應(yīng)特性。此外，在酒精燈加熱下，電阻在7.1s內(nèi)從絕緣狀態(tài)下降到10⁴Ω。基于此，設(shè)計了一種可穿戴式火災(zāi)報警裝置，實現(xiàn)了無空間距離限制的遠程傳感信號傳輸功能。

圖7. 火災(zāi)響應(yīng)特征和遠程火災(zāi)傳感器預警

  本工作通過將 EG、APP、SSE和EVA混合發(fā)泡研制了一種新型阻燃FGSE，實現(xiàn)了抗沖擊、熱絕緣、火焰保護和溫度傳感。由于其多孔的SSE/EVA結(jié)構(gòu)，復合海綿在形狀穩(wěn)定性和抗沖擊能力方面得到了顯著改善。此外，通過EG骨架、SiO₂層和APP熱解的多尺度協(xié)同作用，復合海綿具有非凡的阻燃性能。此外，基于GO的FGSE海綿作為火災(zāi)報警材料可以在火災(zāi)中連續(xù)報警。基于此開發(fā)了一種可穿戴的多通道無線火災(zāi)報警系統(tǒng)。本研究為提高火災(zāi)檢測能力和增強防火服多功能防護提供了一種可行的策略。

  原文鏈接：

  Guilin Mei, Sheng Wang, Zimu Li, Wenhui Wang, Zhihao Hu, Yuan Hu, Xinglong Gong. Flame-retardant, lightweight, and multiple safeguarding fire alarm sponge for firefighter safety detection. Chemical Engineering Journal, 513: 162905 (2025). DOI: 10.1016/j.cej.2025.162905.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162905.