ACS Nano | 仿生、机械强度高的超分子纳米系统，可实现耐溶剂性、可靠的防火和超长火灾预警

研究背景

目前，降低火灾风险常用的方案有阻燃技术和火灾报警系统两种。对于火灾报警系统，已经开发和应用了火灾报警探测器或探测火灾隐患的装置，以有效地避免火灾的发生、减少生命财产的损失。然而，目前应用最广泛的火灾报警探测器(如红外、气体和烟雾探测器)存在一些局限性，如火灾报警响应时间不理想(>100 s)，没有高温报警功能以及防火功能等。此外，由于耐候性不好的问题，大多装置无法在室外环境直接使用。因此，开发能够弥补传统火灾报警探测器不足的新型火灾报警传感器和材料具有很强的吸引力。基于氧化石墨烯(GO)的智能火灾报警传感器(FAS)近年来在消防安全领域引起了越来越多的关注。作为电阻型FAS材料，氧化石墨烯网络可以转化为还原氧化石墨烯网络，一旦遇到火焰或高温，可以产生快速的火灾报警响应。然而，获得具有机械柔性/稳健性、耐恶劣环境、耐高温、可靠的火灾预警响应和防护性能的理想的GO基FAS材料仍然是一个巨大的挑战。南昆士兰大学余斌团队基于仿生设计，将超分子三聚氰胺二硼酸盐(M·2B)与氧化石墨烯纳米片相结合，形成超分子交联纳米体系，并通过凝胶干燥法成功制备出具有珍珠状微纳结构的GO-M·2B (GO/MB)杂化纸。

相关成果以“Biomimetic, Mechanically Strong Supramolecular Nanosystem Enabling Solvent Resistance, Reliable Fire Protection and Ultralong Fire Warning”为题，发表在国际期刊《ACS Nano》（IF=18.027）上。

研究结果

本文通过超分子辅助组装策略，设计并制备了具有珍珠状微/纳米结构的基于GO的混合网络(GO/MB)。由于GO/MB网络中形成了多种相互作用，优化后的GO/MB网络的力学性能得到有效提高，抗拉强度高达~ 122 MPa，是纯GO/MB网络的~ 3.5倍。同时，GO/MB网络还表现出优异的耐溶剂性，即使在水浴超声条件下也能很好地保持结构稳定性。此外，由于B和N掺杂反应，GO/MB网络表现出优异的耐高温性能和快速的热还原效果，基于GO/MB网络的FAS系统可以表现出快速的火灾报警响应(~ 0.72 s)和超长报警周期(>1200 s)，优于其他大多数报道的基于GO的FAS系统。此外，还展示了作为阻燃纳米涂层在防火领域的潜在应用。总的来说，这项工作结合了火灾报警和防火功能，为基于GO的智能材料的设计和制造提供了一个有前景的途径。

研究数据

图1. 概念设计，制造过程和微观结构。(a)超分子M·2B的合成路线。(b)温度为45℃的M·2B溶液和GO-M·2B混合溶液的图片。(c)凝胶干燥法制备GO/MB纸纳米复合材料的方案。(d)大型GO/MB纸的图片。(e)优良的机械强度和柔韧性，可承受弯曲、折叠、裁剪成纸飞机。(f和g) GO/MB纸的扫描电子显微镜(SEM)图像:(f) B、C、N和O的横截面和(g)表面及相应的能量色散光谱(EDS)映射图像。

图2.相互作用特性和力学性能。(a) GO纸和GO/ MB纸纳米复合材料的FTIR， (b) XRD图谱，(c) XPS图，(d) GO纸和(e) GO/MB纸的XPS C 1s谱。(f)拉伸应力-应变曲线，(g)各种纸样的拉伸强度，证实了GO与超分子M·2B的多重相互作用。(h) GO/MB纸在各种溶液中浸泡两个月前后的结构稳定性。(i)超声波处理原始GO纸和GO /MB纸。

图 3.阻燃性能及其机理。(a) GO纸和GO /MB纸暴露在丁烷喷灯火焰(~ 1200°C)下1分钟前后的图片。GO /MB纸燃烧后(b和c)表面和(d−f)横截面的扫描电镜(EDS映射)。(g) GO /MB纸经火焰侵蚀后的XPS C 1s和(h) B 1s谱。(i)各种纸样的热重分析结果。(j) GO/MB纸的TG-IR结果。(k)阻燃机理;(l) GO/MB纸在火焰下的结构演化过程示意图。

图4.火焰检测与预警应用。(a) GO纸及(b) GO /MB纸的火焰检测过程图片。(c) FAS系统的工作机制。(d) GO/MB纸在火焰攻击下的电阻转变行为。(e) GO/MB纸的连续报警时间与此前报道的类似基于GO的火灾报警传感器材料(纸)系统的比较。(f)本文研制的基于GO/ MB的FAS系统的火焰探测预警应用示意图。(g)根据FAS系统释放的火灾危险信号，在火灾早期和蔓延阶段采取有效的处理方法。

图5.阻燃涂料在聚氨酯泡沫中的应用。(a)浸涂法制备聚氨酯泡沫上GO/MB纳米涂层的方案。(b−d) PU-GM30%的SEM图像；插图是相应泡沫样品的照片。(e)纯PU泡沫和(f) PU- gm30%的燃烧过程。(g)纯PU泡沫和PU- gm30%的循环压缩试验，显示良好的结构稳定性。(h)各种PU泡沫材料的放热速率和(i)总排烟曲线。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08368

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