华南理工大学赖学军教授和曾幸荣教授课题组 JMCA Hot Paper：智能防火用高热电势离子水凝胶

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随着科技的发展和人们生活水平的提高，大量轻质易燃材料在生产生活中广泛应用，给人们带来便利的同时，也带来了潜在的火灾威胁。阻燃剂的使用可以延缓火灾的发展和蔓延，但无法主动控制和扑灭火灾。赋予材料温度响应特性，使其能够主动感知外界温度，在火灾早期发出警报信号，可以防火于未燃，从根本上预防和杜绝火灾发生。因此，为了避免火灾的发生，迫切需要开发兼具优异阻燃性能和火灾预警功能的智能防火材料。

易燃材料的火灾防控是一个全球性的难题，它伴随着人类的整个文明史。目前，火灾防控策略主要包括被动的阻燃防火和主动的火灾预警。阻燃防火主要是通过添加阻燃剂来实现，往往是在火灾发生后发挥作用，延缓火灾的发展和蔓延，但仍不可避免地造成损失。而火灾预警技术可以将火灾的防范提前到易燃材料的早期异常升温阶段，将火灾扼杀在萌芽时期或为人们提供更多撤离或救援时间，有效减少财产损失和人员伤亡。所以，为了进一步提高易燃材料的防火安全性，将阻燃防火和火灾预警功能结合，制备兼具优异阻燃性能和灵敏火灾预警功能的智能防火材料，是未来的一个重要发展方向。

华南理工大学赖学军教授和曾幸荣教授课题组一直致力于开发先进的兼具优异阻燃性能和灵敏火灾预警功能的智能防火材料以解决火灾防控难题。该课题组通过将MXene、Ag₂Se等具有热电效应的填料引入材料中，制备了兼具优异阻燃性能和灵敏火灾预警功能的热电型智能防火棉织物（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13(19): 23020-23029.）、智能防火涂层（J. Colloid Interface Sci., 2021, 602: 756-766；Chem. Eng. J., 2022, 446: 136899.）和智能防火气凝胶（Chem. Eng. J., 2022, 434: 134630；Compos. Part A-Appl. S., 2022: 107210.）等。基于热电效应的智能防火材料具有实时和可重复的温度监测功能、电信号的产生不依赖外部电源和易于实现电加热、力学传感等其他功能的优势。但是，现有的热电型智能防火材料多使用传统的电子/空穴型热电材料，它们的热电势或塞贝克系数低（~10 μV/K），遇火时产生的报警信号仅有几mV，对监测设备的灵敏度要求高。因此，提高热电型智能防火材料的热电势，对推动其应用具有重要意义。

图1 热电效应原理示意图

（图片来源：网络）

最近，华南理工大学赖学军教授和曾幸荣教授课题组在制备具有高热电势智能防火材料方面取得重要进展。这项工作以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚二烯丙基二甲基氯化铵、氯化钙和水等为原料，通过热引发自由基聚合制备了多功能高热电势阻燃离子水凝胶。由于离子水凝胶中的阴阳离子会在温度梯度作用下定向迁移，而阴阳离子的迁移速率不同，使得冷热两端堆积的阴阳离子比例不同，从而在冷热两端产生巨大的电势差。引入离子热电效应，使智能防火材料的热电势提高到3 mV/K，遇火时产生的报警信号超过100 mV，是之前报道的热电型智能防火材料的数十倍，并能在4秒左右触发报警系统。

图2 高热电势智能防火离子水凝胶的设计思路与性能展示

（图片来源：Journal of Materials Chemistry A）

图3 智能防火离子水凝胶的离子热电性能

（图片来源：Journal of Materials Chemistry A）

图4 智能防火离子水凝胶包覆木材的火灾预警性能

（图片来源：Journal of Materials Chemistry A）

该离子水凝胶还具有优异的阻燃性能。离子水凝胶自身在酒精灯下灼烧120s，仍无法被引燃，离火马上自熄。此外，将离子水凝胶包覆于木材上，木材的阻燃性能也显著提升。即使在含氧量为80%的环境中，包覆了离子水凝胶的木材燃烧的速度和剧烈程度也远低于纯木材在28%氧含量下燃烧。在垂直燃烧产生中，离子水凝胶有效阻止火焰的蔓延，对木材起到良好的阻燃保护作用。

图5 智能防火离子水凝胶包覆木材的阻燃性能

（图片来源：Journal of Materials Chemistry A）

该工作为制备下一代智能防火多功能材料提供了新思路。

该工作以“A high-thermopower ionic hydrogel for intelligent fire protection”为题发表在知名学术期刊Journal of Materials Chemistry A上，并入选该期刊Hot Papers主题集。该论文第一作者为华南理工大学材料科学与工程学院2020级硕士生江昌乘，通讯作者为华南理工大学材料科学与工程学院赖学军教授和曾幸荣教授。该课题得到了国家自然科学基金（51773064 & 22178134）和广东省攀登计划（pdjh2021a0027）的资助与支持。

论文题目：A high-thermopower ionic hydrogel for intelligent fire protection

作者：Changcheng Jiang, Xuejun Lai*, Zhengzhong Wu, Hongqiang Li, Xingrong Zeng*, Yinan Zhao, Qingtao Zeng, Jiefeng Gao and Yurong Zhu

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA05737A

DOI：10.1039/d2ta05737a

课题组网站：

https://www2.scut.edu.cn/zxr/main.htm

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