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  針對該難題，武漢紡織大學(xué)于志財/何華玲研究團隊，制備了一種可智能“火災(zāi)預(yù)警”的阻燃多孔隔熱材料SNAP。該材料以海藻酸鈉（NaAlg）為生物基骨架，集成APP（阻燃）、NiO（溫敏）、PPy（導(dǎo)電）功能單元，并通過冷凍干燥與Ca2?交聯(lián)工藝，構(gòu)建出“防火-預(yù)警-隔熱”三位一體防護體系，為建筑安全注入“智慧基因”。研究團隊采用浸漬Ca2?形成物理交聯(lián)的“蛋殼”結(jié)構(gòu)，使材料在48小時水浸實驗中保持了尺寸穩(wěn)定性。APP的催化成炭機制使殘?zhí)柯侍嵘?/span>53.3%（較純NaAlg提高112%），LOI值達48.7%。此外，通過NiO-PPy構(gòu)建的超靈敏傳感導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在400 ℃ 時觸發(fā)電阻驟降效應(yīng)（4MΩ→1kΩ），實現(xiàn)0.9秒極速預(yù)警。有望將傳統(tǒng)建筑保溫材料的防火體系的“事后處置”模式革新為“秒級預(yù)警-分鐘級控制-零傷亡”的智能防護新模式。

圖1. SNAP多孔材料制備工藝的設(shè)計策略

  通過冷凍干燥結(jié)合Ca2?交聯(lián)技術(shù)，構(gòu)建了集成APP（阻燃）、NiO（溫敏）和PPy（導(dǎo)電）的三維多孔復(fù)合材料（SNAP），實現(xiàn)了“感知-阻燃-隔熱”多功能協(xié)同（圖1）。SEM顯示材料具有相互貫通的開放孔結(jié)構(gòu)（圖2），孔徑分布均勻，BET分析表明其比表面積為12.53±0.47 m2/g，孔徑0.39-37.7 nm，中孔占比達88.24%，層級孔隙可有效阻滯熱傳導(dǎo)。EDX顯示Ca元素均勻分布（21.46%），證實Ca2?與海藻酸鈉羧基成功交聯(lián)。FTIR譜中482與658 cm?1處Ni-O振動峰及1269 cm?1處P=O峰分別驗證NiO和APP的存在，羧基振動峰偏移15 cm?1證實Ca2?配位作用，3452 cm?1處羥基峰位移20 cm?1表明組分間形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)。XRD分析顯示，立方相NiO（37.28°, 43.32°）有明顯的結(jié)晶峰，PPy寬峰（21-27°）反映其無定形特性，APP特征峰消失暗示強界面相互作用。

圖2. 表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)表征

  SNAP復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，密度僅為0.21 g/cm3，兼具輕質(zhì)化與高機械強度特性。承重測試表明，11 mm厚樣品（1.2 g）可承載2 kg載荷而不失效，其抗壓強度達146 kPa（應(yīng)變9%），且在10次壓縮循環(huán)后仍保持結(jié)構(gòu)完整，拉伸強度（0.32 MPa）較純海藻酸鈉提升2倍，這源于Ca2?交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與NiO/APP/PPy的協(xié)同增強效應(yīng)。材料在乙醇/水溶液中經(jīng)CaCl?交聯(lián)處理后，浸水48小時后仍維持結(jié)構(gòu)完整性，解決了多孔材料易溶脹坍塌的難題。在承受2 kg載荷時，而不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，這表明優(yōu)異的機械性能。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示，三維互穿孔隙（孔隙率89.3%）賦予材料卓越的可加工性，可精準模塑復(fù)雜形狀而不產(chǎn)生裂紋。其次，材料導(dǎo)熱系數(shù)保持在0.076 W/(m·K)，這得益于多級孔結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)路徑的延長作用，機械強度和導(dǎo)熱性之間的平衡使SNAP作為保溫隔熱材料在建筑場景應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。

圖3. 力學(xué)與穩(wěn)定性能分析

  通過極限氧指數(shù)（LOI）、垂直燃燒、TGA和FTIR系統(tǒng)評估了SNAP復(fù)合材料的阻燃性能。LOI值從海藻酸鈉基體（SA）的28.5%顯著提升至SNAP的48.7%，達到難燃材料級別（LOI>27%），表明由于摻入了NiO、APP和PPy，阻燃性得到了顯著增強。垂直燃燒試驗顯示，SA在10 s內(nèi)變形，但SNAP即使在60 s后仍保持結(jié)構(gòu)完整性，并在火焰去除后立即停止燃燒，留下大量炭渣。TGA進一步證實，SNAP的熱穩(wěn)定性得到了改善，在800 °C下表現(xiàn)出53.3%的高殘?zhí)苛浚黠@高于SA（25.2%）。這歸因于Ca²⁺ 交聯(lián)和NiO、APP和PPy的存在形成了熱穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，從而減緩了熱分解。微型量熱法顯示了較低的峰值熱釋放速率（7.2 W/g）和總熱釋放速率（230 J/g），表明其具有中等燃燒性。炭殘存物的傅里葉變換紅外光譜分析顯示，碳化層穩(wěn)定，具有強C=C鍵，磷酸鹽化合物（P-O-P，P-O-C）和Ni-O振動，表明NiO在穩(wěn)定熱穩(wěn)定中的作用。阻燃機理包含：1）APP熱解生成PO·自由基淬滅氣相燃燒鏈反應(yīng)，釋放CO?，H?O，NH3稀釋氣體；2）Ca2?交聯(lián)增強炭層機械強度，形成協(xié)同熱屏障效應(yīng)。

圖4. 熱穩(wěn)定性及阻燃性能表征

  SNAP復(fù)合材料展現(xiàn)出卓越的隔熱性能， 這一點已通過紅外成像測試得到證實。當9 mm厚的樣品在215 ℃下加熱時，SA、SN、SNA和SNAP的表面溫度分別記錄為138.5 ℃、89.3 ℃、73.7 ℃和72.5 ℃。SNAP的溫差（ΔT）達到142.5 ℃，比SA高131.71%（P<0.05）。即使在加熱300 s后，SNAP的表面溫度也保持穩(wěn)定。SNAP在寒冷條件下（-25 ℃）表現(xiàn)出優(yōu)異的保溫性，其表面溫度在30 s內(nèi)從28.2 ℃略微降至23.4 ℃。在極端高溫下（425 ℃，30 min），SNAP保持了231.8 ℃的ΔT，突出了其極端溫度下的耐用性能。SNAP在25 ℃至215 ℃的循環(huán)加熱和冷卻過程中也表現(xiàn)出緩慢而穩(wěn)定的溫度變化，這歸因于NiO和APP之間的協(xié)同作用，增強了其熱擴散率，表明了其優(yōu)異的隔熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)為0.076 W·m1·K1。此外，優(yōu)化的密度和比熱容，減少了通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的熱傳遞。實際演示進一步證實了其隔熱的有效性，其中10 mm厚的SNAP在520 ℃下加熱300 s，放置在其頂部的花朵僅觀察到微小變化。這些發(fā)現(xiàn)表明，APP、NiO和PPy的整合顯著提高了SNAP的隔屏障能力。

圖5. 溫度變化條件下先進隔熱的性能表征

  SNAP表現(xiàn)了出色的火災(zāi)預(yù)警性能，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的消防安全系統(tǒng)。該功能是通過PPy和NiO協(xié)同作用來實現(xiàn)的，其中NiO的電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增加，PPy形成了一個連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當暴露在酒精燈下時，SNAP在0.9 s內(nèi)從絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，在連續(xù)加熱下觸發(fā)了持續(xù)227 s的穩(wěn)定警報，這種反應(yīng)比傳統(tǒng)的火災(zāi)探測系統(tǒng)快得多。此外，SNAP表現(xiàn)出優(yōu)異的火災(zāi)預(yù)警可逆性，在多個加熱循環(huán)中保持一致的響應(yīng)，最大記錄電流為36 mA。與沒有火災(zāi)預(yù)警能力的SA、SN和SNA不同，SNAP增強的電導(dǎo)率（3.62×10^?4 S/m）實現(xiàn)了高度靈敏和可靠的報警機制。在400 ℃下，該材料的電阻在1 s內(nèi)從4 MΩ急劇下降到1.0 kΩ以下，突顯了其出色的溫度敏感性。此外，SNAP在500次機械壓縮循環(huán)中保持了其結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定的導(dǎo)電性，確保了其長期耐用性。利用SNAP，集成藍牙或網(wǎng)絡(luò)連接可構(gòu)建無線火災(zāi)報警系統(tǒng)可以向消防站發(fā)出實時警報，為建筑安全提供“智能防護盾”。

圖6. SNAP多孔材料的火災(zāi)預(yù)警性能

  相關(guān)工作以“A sustainable alginate-based multifunctional porous material with integrated thermal barrier and reversible fire warning for enhanced building protection“為題發(fā)表在TOP學(xué)術(shù)期刊《Carbohydrate Polymers》（DOI：10.1016/j.carbpol.2025.123563）上，第一作者為武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院國際留學(xué)生（碩士）Md Hasib Mia, 該研究項目得到湖北省教育廳科學(xué)研究計劃，武漢紡織大學(xué)校級金（B）等多方支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123563