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  針對該難題，武漢紡織大學于志財/何華玲研究團隊，制備了一種可智能“火災預警”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（導電）功能單元，并通過冷凍干燥與Ca2?交聯工藝，構建出“防火-預警-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?形成物理交聯的“蛋殼”結構，使材料在48小時水浸實驗中保持了尺寸穩定性。APP的催化成炭機制使殘炭率提升至53.3%（較純NaAlg提高112%），LOI值達48.7%。此外，通過NiO-PPy構建的超靈敏傳感導電網絡，在400 ℃ 時觸發電阻驟降效應（4MΩ→1kΩ），實現0.9秒極速預警。有望將傳統建筑保溫材料的防火體系的“事后處置”模式革新為“秒級預警-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計策略

  通過冷凍干燥結合Ca2?交聯技術，構建了集成APP（阻燃）、NiO（溫敏）和PPy（導電）的三維多孔復合材料（SNAP），實現了“感知-阻燃-隔熱”多功能協同（圖1）。SEM顯示材料具有相互貫通的開放孔結構（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。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。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絡。XRD分析顯示，立方相NiO（37.28°, 43.32°）有明顯的結晶峰，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. 表面形貌和微觀結構表征

  SNAP復合材料展現出優異的綜合性能，密度僅為0.21 g/cm3，兼具輕質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（應變9%），且在10次壓縮循環后仍保持結構完整，拉伸強度（0.32 MPa）較純海藻酸鈉提升2倍，這源于Ca2?交聯網絡與NiO/APP/PPy的協同增強效應。材料在乙醇/水溶液中經CaCl?交聯處理后，浸水48小時后仍維持結構完整性，解決了多孔材料易溶脹坍塌的難題。在承受2 kg載荷時，而不會導致結構失效，這表明優異的機械性能。微觀結構分析顯示，三維互穿孔隙（孔隙率89.3%）賦予材料卓越的可加工性，可精準模塑復雜形狀而不產生裂紋。其次，材料導熱系數保持在0.076 W/(m·K)，這得益于多級孔結構對熱傳導路徑的延長作用，機械強度和導熱性之間的平衡使SNAP作為保溫隔熱材料在建筑場景應用中具有顯著優勢。

圖3. 力學與穩定性能分析

  通過極限氧指數（LOI）、垂直燃燒、TGA和FTIR系統評估了SNAP復合材料的阻燃性能。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內變形，但SNAP即使在60 s后仍保持結構完整性，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的熱穩定性得到了改善，在800 °C下表現出53.3%的高殘炭量，明顯高于SA（25.2%）。這歸因于Ca²⁺ 交聯和NiO、APP和PPy的存在形成了熱穩定的網絡，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在穩定熱穩定中的作用。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，釋放CO?，H?O，NH3稀釋氣體；2）Ca2?交聯增強炭層機械強度，形成協同熱屏障效應。

圖4. 熱穩定性及阻燃性能表征

  SNAP復合材料展現出卓越的隔熱性能， 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定。SNAP在寒冷條件下（-25 ℃）表現出優異的保溫性，其表面溫度在30 s內從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 ℃的循環加熱和冷卻過程中也表現出緩慢而穩定的溫度變化，這歸因于NiO和APP之間的協同作用，增強了其熱擴散率，表明了其優異的隔熱性能，導熱系數為0.076 W·m1·K1。此外，優化的密度和比熱容，減少了通過熱傳導、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。這些發現表明，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表現了出色的火災預警性能，明顯優于傳統的消防安全系統。該功能是通過PPy和NiO協同作用來實現的，其中NiO的電導率隨著溫度的升高而增加，PPy形成了一個連續的導電網絡。當暴露在酒精燈下時，SNAP在0.9 s內從絕緣狀態轉變為導電狀態，在連續加熱下觸發了持續227 s的穩定警報，這種反應比傳統的火災探測系統快得多。此外，SNAP表現出優異的火災預警可逆性，在多個加熱循環中保持一致的響應，最大記錄電流為36 mA。與沒有火災預警能力的SA、SN和SNA不同，SNAP增強的電導率（3.62×10^?4 S/m）實現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次機械壓縮循環中保持了其結構完整性和穩定的導電性，確保了其長期耐用性。利用SNAP，集成藍牙或網絡連接可構建無線火災報警系統可以向消防站發出實時警報，為建筑安全提供“智能防護盾”。

圖6. SNAP多孔材料的火災預警性能

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

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