针对该难题，武汉纺织大学于志财/何华玲研究团队，制备了一种可智能“火灾预警”的阻燃多孔隔热材料SNAP。该材料以海藻酸钠（NaAlg）为生物基骨架，集成APP（阻燃）、NiO（温敏）、PPy（导电）功能单元，并通过冷冻干燥与Ca2?交联工艺，构建出“防火-预警-隔热”三位一体防护体系，为建筑安全注入“智慧基因”。研究团队采用浸渍Ca2?形成物理交联的“蛋壳”结构，使材料在48小时水浸实验中保持了尺寸稳定性。APP的催化成炭机制使残炭率提升至53.3%（较纯NaAlg提高112%），LOI值达48.7%。此外，通过NiO-PPy构建的超灵敏传感导电网络，在400 ℃ 时触发电阻骤降效应（4MΩ→1kΩ），实现0.9秒极速预警。有望将传统建筑保温材料的防火体系的“事后处置”模式革新为“秒级预警-分钟级控制-零伤亡”的智能防护新模式。

图1. SNAP多孔材料制备工艺的设计策略

  通过冷冻干燥结合Ca2?交联技术，构建了集成APP（阻燃）、NiO（温敏）和PPy（导电）的三维多孔复合材料（SNAP），实现了“感知-阻燃-隔热”多功能协同（图1）。SEM显示材料具有相互贯通的开放孔结构（图2），孔径分布均匀，BET分析表明其比表面积为12.53±0.47 m2/g，孔径0.39-37.7 nm，中孔占比达88.24%，层级孔隙可有效阻滞热传导。EDX显示Ca元素均匀分布（21.46%），证实Ca2?与海藻酸钠羧基成功交联。FTIR谱中482与658 cm?1处Ni-O振动峰及1269 cm?1处P=O峰分别验证NiO和APP的存在，羧基振动峰偏移15 cm?1证实Ca2?配位作用，3452 cm?1处羟基峰位移20 cm?1表明组分间形成氢键网络。XRD分析显示，立方相NiO（37.28°, 43.32°）有明显的结晶峰，PPy宽峰（21-27°）反映其无定形特性，APP特征峰消失暗示强界面相互作用。

图2. 表面形貌和微观结构表征

  SNAP复合材料展现出优异的综合性能，密度仅为0.21 g/cm3，兼具轻质化与高机械强度特性。承重测试表明，11 mm厚样品（1.2 g）可承载2 kg载荷而不失效，其抗压强度达146 kPa（应变9%），且在10次压缩循环后仍保持结构完整，拉伸强度（0.32 MPa）较纯海藻酸钠提升2倍，这源于Ca2?交联网络与NiO/APP/PPy的协同增强效应。材料在乙醇/水溶液中经CaCl?交联处理后，浸水48小时后仍维持结构完整性，解决了多孔材料易溶胀坍塌的难题。在承受2 kg载荷时，而不会导致结构失效，这表明优异的机械性能。微观结构分析显示，三维互穿孔隙（孔隙率89.3%）赋予材料卓越的可加工性，可精准模塑复杂形状而不产生裂纹。其次，材料导热系数保持在0.076 W/(m·K)，这得益于多级孔结构对热传导路径的延长作用，机械强度和导热性之间的平衡使SNAP作为保温隔热材料在建筑场景应用中具有显著优势。

图3. 力学与稳定性能分析

  通过极限氧指数（LOI）、垂直燃烧、TGA和FTIR系统评估了SNAP复合材料的阻燃性能。LOI值从海藻酸钠基体（SA）的28.5%显著提升至SNAP的48.7%，达到难燃材料级别（LOI>27%），表明由于掺入了NiO、APP和PPy，阻燃性得到了显著增强。垂直燃烧试验显示，SA在10 s内变形，但SNAP即使在60 s后仍保持结构完整性，并在火焰去除后立即停止燃烧，留下大量炭渣。TGA进一步证实，SNAP的热稳定性得到了改善，在800 °C下表现出53.3%的高残炭量，明显高于SA（25.2%）。这归因于Ca²⁺ 交联和NiO、APP和PPy的存在形成了热稳定的网络，从而减缓了热分解。微型量热法显示了较低的峰值热释放速率（7.2 W/g）和总热释放速率（230 J/g），表明其具有中等燃烧性。炭残存物的傅里叶变换红外光谱分析显示，碳化层稳定，具有强C=C键，磷酸盐化合物（P-O-P，P-O-C）和Ni-O振动，表明NiO在稳定热稳定中的作用。阻燃机理包含：1）APP热解生成PO·自由基淬灭气相燃烧链反应，释放CO?，H?O，NH3稀释气体；2）Ca2?交联增强炭层机械强度，形成协同热屏障效应。

图4. 热稳定性及阻燃性能表征

  SNAP复合材料展现出卓越的隔热性能， 这一点已通过红外成像测试得到证实。当9 mm厚的样品在215 ℃下加热时，SA、SN、SNA和SNAP的表面温度分别记录为138.5 ℃、89.3 ℃、73.7 ℃和72.5 ℃。SNAP的温差（ΔT）达到142.5 ℃，比SA高131.71%（P<0.05）。即使在加热300 s后，SNAP的表面温度也保持稳定。SNAP在寒冷条件下（-25 ℃）表现出优异的保温性，其表面温度在30 s内从28.2 ℃略微降至23.4 ℃。在极端高温下（425 ℃，30 min），SNAP保持了231.8 ℃的ΔT，突出了其极端温度下的耐用性能。SNAP在25 ℃至215 ℃的循环加热和冷却过程中也表现出缓慢而稳定的温度变化，这归因于NiO和APP之间的协同作用，增强了其热扩散率，表明了其优异的隔热性能，导热系数为0.076 W·m1·K1。此外，优化的密度和比热容，减少了通过热传导、热对流和热辐射的热传递。实际演示进一步证实了其隔热的有效性，其中10 mm厚的SNAP在520 ℃下加热300 s，放置在其顶部的花朵仅观察到微小变化。这些发现表明，APP、NiO和PPy的整合显著提高了SNAP的隔屏障能力。

图5. 温度变化条件下先进隔热的性能表征

  SNAP表现了出色的火灾预警性能，明显优于传统的消防安全系统。该功能是通过PPy和NiO协同作用来实现的，其中NiO的电导率随着温度的升高而增加，PPy形成了一个连续的导电网络。当暴露在酒精灯下时，SNAP在0.9 s内从绝缘状态转变为导电状态，在连续加热下触发了持续227 s的稳定警报，这种反应比传统的火灾探测系统快得多。此外，SNAP表现出优异的火灾预警可逆性，在多个加热循环中保持一致的响应，最大记录电流为36 mA。与没有火灾预警能力的SA、SN和SNA不同，SNAP增强的电导率（3.62×10^?4 S/m）实现了高度灵敏和可靠的报警机制。在400 ℃下，该材料的电阻在1 s内从4 MΩ急剧下降到1.0 kΩ以下，突显了其出色的温度敏感性。此外，SNAP在500次机械压缩循环中保持了其结构完整性和稳定的导电性，确保了其长期耐用性。利用SNAP，集成蓝牙或网络连接可构建无线火灾报警系统可以向消防站发出实时警报，为建筑安全提供“智能防护盾”。

图6. SNAP多孔材料的火灾预警性能

  相关工作以“A sustainable alginate-based multifunctional porous material with integrated thermal barrier and reversible fire warning for enhanced building protection“为题发表在TOP学术期刊《Carbohydrate Polymers》（DOI：10.1016/j.carbpol.2025.123563）上，第一作者为武汉纺织大学纺织科学与工程学院国际留学生（硕士）Md Hasib Mia, 该研究项目得到湖北省教育厅科学研究计划，武汉纺织大学校级金（B）等多方支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123563