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  在人類文明史上，火災一直是造成人員傷亡和重大財產損失的可怕災難。消防人員在救災中始終要面臨著巨大的危險。然而，作為保護他們安全最不可或缺的裝備，消防服在隔絕高溫的同時也會使消防員無法及時感知環境溫度變化并及時逃離危險。因此，火災報警材料以及具有溫度傳感特性的裝置常被安裝在防護服中，以檢測環境溫度并提醒救援人員。然而，目前火災報警材料往往功能單一并且面臨著缺少熱防護、阻燃和力沖擊防護的問題。多孔聚合物海綿天然具有輕便、熱絕緣、力學穩定和適合大規模生產等優點，使其高度適用于可穿戴人體力/熱防護領域。

  鑒于此，中國科學技術大學龔興龍教授團隊研發出了一種集輕質、熱絕緣、阻燃和力沖擊防護性能于一體的海綿基火災報警傳感器。首先通過高溫發泡法制備了具有剪切變硬特性的SSE-EVA海綿骨架，剪切變硬彈性體(SSE)的引入提高了復合海綿的抗沖擊性能。同時由于大量孔隙的存在，復合海綿同樣表現出出色的熱絕緣性能。隨后，將阻燃劑和氧化石墨烯(GO)引入到海綿骨架，制備出優異阻燃性能的火災報警材料(FGSE)。該FGSE海綿能夠在長時間的火焰燃燒下保持穩定。同時，在火焰激勵下電阻迅速降低最終實現報警，提醒消防人員。這種火災報警海綿為發展下一代多功能火災報警設備提供了新的思路。

  相關研究成果以“Flame-retardant, lightweight, and multiple safeguarding fire alarm sponge for firefighter safety detection”為題，發表在國際期刊《Chemical Engineering Journal》。論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院碩士生梅桂林，通訊作者為龔興龍教授與王勝副教授。

【FGSE海綿的設計與表征】

  FGSE海綿使用高溫發泡方法制備。該海綿內部具有豐富的孔隙結構，因此具有低密度優點。并且由于海綿骨架的存在，其具有出色的拉伸變形能力，使得其可以更好地貼合人體。同時，經歷多次沖擊載荷后仍然能夠保持結構完整性。

圖1 FGSE 海綿的制備與性能

【復合海綿的動態力學性能】

  由于剪切變硬材料的引入和多孔骨架的存在，復合海綿材料在緩沖方面表現出色，且在30-80℃范圍內抗沖擊力學性能穩定。相比于其他工程材料，相同沖擊條件下復合海綿表現出優越的緩沖效果和較低的沖擊力峰值。

圖2 復合海綿的抗沖擊性能

  由于其穩定的骨架結構，復合海綿即使在90%的壓縮下仍然表現出顯著的恢復能力。此外，得益于SSE的剪切變硬特性,當應變速率從0.01s^-1增加到0.1s^-1時，多孔復合海綿的壓縮應力也表現出明顯的應變率強化效應。

圖3 復合海綿的拉伸和壓縮力學行為表征結果

【復合海綿的熱性能和阻燃性能】

  復合海綿的多孔骨架具有較少的固體傳熱通道，氣體對流和熱傳導都能夠被有效隔離。厚度為3mm的復合海綿在不同溫度環境下的紅外透過率均低于10%,展現了其有效的熱輻射屏障能力。同時，在100℃高溫環境下，復合海綿表面的飽和溫度顯著降低且時間明顯延遲。

圖4 復合海綿的熱防護性能

  通常，大多數聚合物材料都是易燃的。因此，提高聚合物材料的阻燃性能對于其在高溫和火焰環境下的應用具有重要意義。通過EG和APP的協同阻燃，復合海綿的阻燃等級達到了V-0級別。相比于未加阻燃劑的純海綿，其可燃氣體和有害氣體的釋放量都大幅下降，證明其在高溫環境下的安全性。

圖5 復合海綿的阻燃性能

  進一步地，通過XSP元素分析、SEM圖像和熱重分析等方法對阻燃機理進行研究。明顯地，添加了阻燃劑的復合海綿呈現出分層結構。黑色部分為EG膨脹形成的柱狀結構，白色部分主要成分為SiO₂。分層結構形成了一個阻隔氧氣和熱量的屏障，實現高效的協同阻燃。

圖6 復合海綿的阻燃機理

【FGSE 海綿的火災響應特性及其應用】

  高溫環境下FGSE海綿的電阻迅速下降并穩定，表現出明顯的熱響應特性。此外，在酒精燈加熱下，電阻在7.1s內從絕緣狀態下降到10⁴Ω。基于此，設計了一種可穿戴式火災報警裝置，實現了無空間距離限制的遠程傳感信號傳輸功能。

圖7. 火災響應特征和遠程火災傳感器預警

  本工作通過將 EG、APP、SSE和EVA混合發泡研制了一種新型阻燃FGSE，實現了抗沖擊、熱絕緣、火焰保護和溫度傳感。由于其多孔的SSE/EVA結構，復合海綿在形狀穩定性和抗沖擊能力方面得到了顯著改善。此外，通過EG骨架、SiO₂層和APP熱解的多尺度協同作用，復合海綿具有非凡的阻燃性能。此外，基于GO的FGSE海綿作為火災報警材料可以在火災中連續報警。基于此開發了一種可穿戴的多通道無線火災報警系統。本研究為提高火災檢測能力和增強防火服多功能防護提供了一種可行的策略。

  原文鏈接：

  Guilin Mei, Sheng Wang, Zimu Li, Wenhui Wang, Zhihao Hu, Yuan Hu, Xinglong Gong. Flame-retardant, lightweight, and multiple safeguarding fire alarm sponge for firefighter safety detection. Chemical Engineering Journal, 513: 162905 (2025). DOI: 10.1016/j.cej.2025.162905.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162905.