有机硅实验室汤龙程团队研究成果发表在Chemical Engineering Journal上

苏丽
2020-09-03
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论文原文

近日,我校有机硅化学及材料技术教育部重点实验室汤龙程团队通过一种绿色环保的低温自主装工艺,采用硅烷偶联剂(MPMS)和L型-抗坏血酸(LAA)分子协同改性策略、构筑氧化石墨烯(GO)基阻燃薄膜/涂层。基于火焰/高温条件下GO网络高温热还原机理,制备的智能传感材料展现出超快的火灾探测能力以及超灵敏的低温火灾预警性能。科研成果以“Temperature-responsive resistance sensitivity controlled by L-ascorbic acid and silane co-functionalization in flame-retardant GO network for efficient fire early-warning response”(Chemical Engineering Journal, 2020, 386, 123894; IF: 10.652)。

火伴随着人类的全部历史,也推动着人类的文明与发展。然而,火一旦失控会严重危害人民生命安全。罗马大火、伦敦大火、大兴安岭火灾、巴黎圣母院大火、巴西国家博物馆大火……,这些重大火灾事故,不仅给人类带来巨大灾难,还让很多著名建筑和文化遗产从地球上消失。当前,高层建筑火灾、石油化工火灾、物流仓储火灾等是新形势下火灾防控所面临的重大难题。然而,传统烟雾火灾报警传感器仍存在火焰探测响应时间长(>100s)、室外复杂气候难以适用、燃烧前无早期预警信号等缺点,无法起到有效的火灾预防和安全。例如,2017年伦敦Grenfell建筑火灾,安装的大量烟雾报警器未能起到有效预警,仍造成了79人死亡和大量财产损失。

针对上述问题,基于团队前期研究(ACS Nano, 2018, 12, 416-424;Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 27032-27040),设计和发展了一种简单、绿色、低成本的低温主装工艺(图1),制备出绿色阻燃的GO/MPMS/LAA(MLGO)薄膜,进而构筑出新型高灵敏火灾预警传感器。利用硅烷分子MPMS接枝到GO片层以提高材料阻燃性能和结构稳定性,引入LAA分子调控GO网络在高温下快速热还原行为,制备的薄膜传感器不仅可实现仅1 s的超快火焰报警,而且能够提供理想的火灾早期预警信号(如预警响应温度仅为~120℃,300℃预警响应时间仅为7 s)。

图1. MLGO薄膜 涂层的绿色构筑策略

图1. MLGO薄膜 涂层的绿色构筑策略

众所周知,纯GO薄膜在空气氛围下极易燃烧,60~70 s内完全烧毁(如图2),难以作为可靠的火灾监测智能材料。相比而言,通过MPMS 和LAA改性的MLGO(10/40)薄膜在火焰条件下燃烧90 s后仍能保持整体结构,且该水溶性MLGO可以作为绿色阻燃涂层,实现易燃材料的高效绿色阻燃(图2)。结果显示:遇到高温火焰进攻时,GO表面接枝的硅烷分子迅速热分解形成致密的二氧化硅保护层,抑制GO的热降解而促进其石墨化;两者形成的致密二氧化硅/石墨烯可以作为物理屏障,有效隔绝氧气对内部有机分子的进攻,获得良好的阻燃性能。更为重要的是,通过优化LAA分子,该MLGO薄膜/涂层具有高效稳定火灾报警性能,在火焰条件下可实现超快的报警速度(~1 s)和稳定的报警响应时间(>180s),为易燃材料高度火灾风险的监控提供了新的方法。

图2. MLGO薄膜 涂层的阻燃性能与机制分析及其超快火灾探测报警响应

图2. MLGO薄膜 涂层的阻燃性能与机制分析及其超快火灾探测报警响应

响应温度与火灾预警时间则是火灾预警传感器的两个重要参数。研究发现:通过LAA分子修饰的MLGO(10/40)涂层具有较低的响应温度(~120℃),该响应温度低于大多数易燃材料的着火点温度(300-500 oC),能够在燃烧前提供力学的早期预警报警信号。结果显示,MLGO材料高温预警机制主要是由于在高温下LAA分子能够有效夺取含氧官能团,促进绝缘的GO网络热还原,快速转变成导电网络,激发高效的预警响应信号。随着温度场逐渐升高,MLGO薄膜的报警响应时间显着降低,从200℃的~32 s降低到250℃的~20 s,在300℃的温度下仅仅需7 s(图3),远优于其他GO基火灾报警传感器的预警响应时间。可见,该纳米复合涂层所创制的新型火灾预警传感器为易燃材料火灾安全和预防提供了新的方法和策略,有望解决传统烟雾传感器探测火灾风险迟缓、无法应用室外复杂环境(风雨等天气)以及无法提供早期预警信号等这一关键“瓶颈”问题。

图3. MLGO智能材料的火灾早期预警响应行为及其关键性能的调控

图3. MLGO智能材料的火灾早期预警响应行为及其关键性能的调控

课题组研究生张朝辉、张建旺为文章并列第一作者,汤龙程研究员为文章通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、杭州市科技计划等项目联合资助。文章链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123894


人物简介:

汤龙程研究员

汤龙程,博士,研究员,硕士生导师。长期从事于有机硅高分子及其纳米复合材料的基础与应用研究。先后主持和参与了国家自然科学基金、浙江省重大科技专项、浙江省青年科学家培养计划项目、浙江省自然科学基金和企业横向项目等二十多项。已在ACS Nano,Journal of Materials Chemistry A,Chemical Engineering Journal,Composites Science and Technology等期刊上发表学术论60余篇,被引用4000多次(Google学术);其中,1篇研究论文最高被引>600次,4篇研究论文被引>200次,4篇研究论文被引>100次,9篇论文入选ISI-ESI高被引论文(前1%),1篇获得2017年度Composites Part A杂志高被引论文奖。已申请国际专利和中国专利30多项,其中已授权24项。先后入选浙江省高校领军人才培养计划(高层次拔尖)、第一批“浙江省青年科学家培养计划” 、浙江省“151”人才工程(第三层次)、杭州市“131”中青年人才(第二层次),并获得2017年度Composites Part A杂志Editor’s Top Reviewer Award等。


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