江南大学付少海教授/香港城市大学胡金莲教授 CEJ：多酚桥接的柔性阻燃酪蛋白/MXene复合材料用于可重复的接触/非接触火监测

2022-11-10 来源：高分子科技

近年来，用于火灾监测的柔性阻燃预警传感器引起了科研工作者的广泛兴趣。目前的传感器在火灾发生时难以实现精准、可重复的及时响应。此外，除了灵敏的火接触式触发预警，在火灾大面积蔓延前，实现火焰距离监测的非接触式报警仍是一个巨大的挑战。

图1. 阻燃酪蛋白/MXene复合材料应用于室内接触/非接触式无线火灾预警演示

近期，江南大学付少海教授团队和香港城市大学胡金莲教授课题组合作设计了一种MXene基阻燃复合传感材料 (CTM)，而且能够以防火涂层形式应用到窗帘等纺织品上，具有优异的接触/非接触火灾预警性能，构筑远程火灾监测系统。该工作以“Mechanically Flexible and Flame Retardant Polyphenol-bridged Casein/MXene Composite for Fire Proofing Repeatable Contact/Non-contact Fire Monitoring” 为题发表在《Chemical Engineering Journal》上，文章第一作者是江南大学博士生毛彦云。通讯作者为江南大学青年教师王冬副教授、付少海教授和香港城市大学胡金莲教授。该工作得到香江学者计划项目(XJ2021020)、江苏省自然科学基金项目(BK20190613)、国家重点研发计划项目(2018YFC1902105)以及江南大学生态纺织技术国际联合研究实验室(IRLETT)支持。

图2. 柔性阻燃酪蛋白/MXene复合材料的制备流程图

传感器本身的阻燃性能在实际应用中扮演重要角色。CTM复合材料呈现出良好的热稳定性，最大热降解温度和残碳量分别高达275.8 °C和62% (图3a)。另外，由于单宁酸和MXene在气相和固相协同阻燃作用(图3d-e)，CTM复合材料也表现出优异的阻燃和抑烟性能，热释放速率峰值和烟释放总量分别降低了89.6%和68.9%(图3b-c)。

图3. 样品阻燃性能和机理

传感器表现出灵敏、可重复的火接触响应性能。暴露在火焰中，MXene被迅速氧化生成N-TiO₂, N-TiO₂作为间接带隙半导体可以释放大量载流子；同时，酪蛋白热解炭化形成导电网络。由于载流子密度的增大和高效导电通路的形成，传感器电阻在火接触1s后降低了一个数量级，发出预警信号，并在反复的火焰攻击下呈现可重复报警(图4a-d)。有趣的是，在相对较低温度下(25-58.3 ℃)，载流子密度对温度变化的迅速响应特性赋予复合材料火焰距离监测性能，并在反复的火焰靠近和远离过程中，表现出稳定、可重复的非接触报警功能(图4e-g)，最大限度地避免火灾事故发生。

图4. 酪蛋白/MXene复合材料的接触/非接触火灾预警性能和机理

为了拓展复合材料在智能家居火灾预警方面的应用，通过简单浸渍复合材料涂层到棉织物上，制备柔性阻燃纺织品，并与信号监测和云端传输体系共同搭建远程无线报警系统(图5a)。酒精灯火焰接触后，织物电阻迅速降低，智能报警系统在3s内将“Fire Alarm”报警信息传输到终端(图5b-c)。此外，该织物经过洗涤后，极限氧指数仍高达28%，优异的阻燃特性能够保证其火灾报警过程的稳定性(图5d-f)。

图5. 酪蛋白/MXene基织物无线遥感预警演示与阻燃性能

该工作报道了一种MXene基柔性阻燃火灾预警传感器，通过与信号采集和传输平台共同构筑智能火灾报警系统，可以对火焰接触和非接触情况进行远程监测并在必要时发出预警，在室内及建筑火灾预警领域具有广阔的应用前景。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722056418

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（责任编辑：xu）

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