杭師大開發出基於石墨烯基綠色阻燃複合薄膜並實現高效火災預警

2020-09-07 小材科研

近日，杭州師範大學材料與化學化工學院/有機矽化學及材料技術實驗室湯龍程團隊科研成果「Temperature-responsive resistance sensitivity controlled by L-ascorbic acid and silane co-functionalization in flame-retardant GO network for efficient fire early-warning response」在Chemical Engineering Journal（IF: 10.652）上發表。

團隊通過一種綠色環保的低溫自主裝工藝，採用矽烷偶聯劑（MPMS）和L型-抗壞血酸（LAA）分子協同改性策略、構築氧化石墨烯（GO）基阻燃薄膜/塗層。基於火焰/高溫條件下GO網絡高溫熱還原機理，製備的智能傳感材料展現出超快的火災探測能力以及超靈敏的低溫火災預警性能。

當前，高層建築火災、石油化工火災、物流倉儲火災等是新形勢下火災防控所面臨的重大難題。然而，傳統煙霧火災報警傳感器仍存在火焰探測響應時間長（>100s）、室外複雜氣候難以適用、燃燒前無早期預警信號等缺點，無法起到有效的火災預防和安全。

MLGO薄膜塗層的綠色構築策略

針對上述問題，團隊基於前期研究設計和發展了一種簡單、綠色、低成本的低溫主裝工藝，製備出綠色阻燃的GO/MPMS/LAA（MLGO）薄膜，進而構築出新型高靈敏火災預警傳感器。同時，利用矽烷分子MPMS接枝到GO片層以提高材料阻燃性能和結構穩定性，引入LAA分子調控GO網絡在高溫下快速熱還原行為，製備的薄膜傳感器不僅可實現僅1 s的超快火焰報警，而且能夠提供理想的火災早期預警信號（如預警響應溫度僅為~120℃，300℃預警響應時間僅為7 s）。

MLGO薄膜塗層的阻燃性能與機制分析及其超快火災探測報警響應

純GO薄膜在空氣氛圍下極易燃燒，60~70 s內完全燒毀，難以作為可靠的火災監測智能材料。相比而言，通過MPMS 和LAA改性的MLGO（10/40）薄膜在火焰條件下燃燒90 s後仍能保持整體結構，且該水溶性MLGO可以作為綠色阻燃塗層，實現易燃材料的高效綠色阻燃。研究結果顯示，遇到高溫火焰進攻時，GO表面接枝的矽烷分子迅速熱分解形成緻密的二氧化矽保護層，抑制GO的熱降解而促進其石墨化；兩者形成的緻密二氧化矽/石墨烯可以作為物理屏障，有效隔絕氧氣對內部有機分子的進攻，獲得良好的阻燃性能。更為重要的是，通過優化LAA分子，該MLGO薄膜/塗層具有高效穩定火災報警性能，在火焰條件下可實現超快的報警速度（～1 s）和穩定的報警響應時間（>180s），為易燃材料高度火災風險的監控提供了新的方法。

MLGO智能材料的火災早期預警響應行為及其關鍵性能的調控

響應溫度與火災預警時間則是火災預警傳感器的兩個重要參數。研究發現，通過LAA分子修飾的MLGO（10/40）塗層具有較低的響應溫度（~120℃），該響應溫度低於大多數易燃材料的著火點溫度（300-500 oC），能夠在燃燒前提供力學的早期預警報警信號。結果表明，MLGO材料高溫預警機制主要是由於在高溫下LAA分子能夠有效奪取含氧官能團，促進絕緣的GO網絡熱還原，快速轉變成導電網絡，激發高效的預警響應信號。隨著溫度場逐漸升高，MLGO薄膜的報警響應時間顯著降低，從200℃的~32 s降低到250℃的~20 s，在300℃的溫度下僅僅需7 s，遠優於其他GO基火災報警傳感器的預警響應時間。可見，該納米複合塗層所創製的新型火災預警傳感器為易燃材料火災安全和預防提供了新的方法和策略，有望解決傳統煙霧傳感器探測火災風險遲緩、無法應用室外複雜環境（風雨等天氣）以及無法提供早期預警信號等這一關鍵「瓶頸」問題。

課題組研究生張朝輝、張建旺為文章並列第一作者，湯龍程研究員為文章通訊作者。研究工作獲得國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、杭州市科技計劃等項目聯合資助。

人物簡介：

湯龍程

湯龍程，研究員，碩士生導師。長期從事於有機矽高分子及其納米複合材料的基礎與應用研究。先後主持和參與了國家自然科學基金、浙江省重大科技專項、浙江省青年科學家培養計劃項目、浙江省自然科學基金和企業橫向項目等20多項。已在ACS Nano，Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal，Composites Science and Technology等期刊上發表學術論60餘篇。申請國際專利和中國專利30多項，其中已授權24項。先後入選浙江省高校領軍人才培養計劃（高層次拔尖）、第一批「浙江省青年科學家培養計劃」 、浙江省「151」人才工程（第三層次）、杭州市「131」中青年人才（第二層次），並獲得2017年度Composites Part A雜誌Editor’s Top Reviewer Award等。

來源：杭州師範大學

論文連結

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894719333091

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