杭州師范大學湯龍程課題組在有機硅/石墨烯復合材料研究取得新進展
易燃材料引發的火 災是常見、普遍地威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一。當前，為了預防易燃材料的火 災隱患，煙霧探測器廣泛用于室內火 災風險的監控，主要通過探測易燃材料燃燒后的煙霧產物。然而，該類傳感器通常在易燃材料燃燒產生的煙霧產物達到一定濃度后才能激發報警信號，其火焰探測響應時間長（大于100秒）,且無法用于室外、復雜氣候和材料無煙充分燃燒等情況，難以起到高效的火 災探測和預警等功能。因此，發展新型智能傳感器實現易燃材料高度火 災風險的快速探測和早期預防是公共安全領域內的一項重大挑戰。
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近日，杭州師范大學湯龍程副研究員課題組和悉尼大學Yiu-Wing Mai教授合作，在ACS Nano上發表了新研究成果“Efficient Flame Detection and EarlyWarning Sensors on Combustible Materials Using Hierarchical GrapheneOxide/Silicone Coatings”。作者創造性地提出了電阻型火 災預警/探測傳感器的概念，通過在各種易燃材料表面構筑多層次有機硅/氧化石墨烯涂層，并連接低壓安全電源（<36V）和報警燈，制備了火焰快速探測/預警傳感器裝置（圖1）。該多層涂層具有超疏水（疏水角大于150°）、良好的結構穩定性（火焰燃燒90秒后結構基本不變）、快速火焰探測響應時間（2-3秒）、優異的溫度響應性（低于易燃材料的著火點溫度）和出色的協同阻燃等特性（圖2）。研究發現有機硅分子熱分解過程中在氧化石墨烯涂層表面形成多孔納米二氧化硅結構，有效地抑制了氧化石墨烯的熱降解，形成的多孔納米二氧化硅/取向石墨烯多尺度結構可以隔絕外部高溫和氧氣，限制了內部易燃材料的熱分解。與傳統煙霧火 災探測器相比，新型電阻型火 災探測/預警傳感器具有快速、穩定、實時、綠色阻燃等特點，可以高效探測和預防易燃材料的火 災等重大安全威脅，同時克服了傳統煙霧報警器響應時間慢、無法適用室外復雜惡劣環境和早期預警等缺點，在建筑、交通、軍事、森林等領域內火 災監控和預防具有良好的應用前景。
▲ 圖1.易燃材料表面構筑多層次有機硅/氧化石墨烯（SGF）的制備:（a）新型電阻型火 災探測/早期預警傳感器的制備示意圖；（b）聚氨酯泡沫（PU）表面涂覆多層次涂層（PU為聚純氨酯泡沫，PU-SGF為多層次涂層物理涂覆PU泡沫））前后對比照片及其表面疏水性；（c-e）多層次涂層改性聚氨酯泡沫的SEM照片；（f）多層次有機硅/氧化石墨烯涂層在其他易燃材料表面的照片：（i）聚合物塊，（ii）棉布，（iii）木塊。
▲ 圖2. 電阻型火 災探測傳感器的火焰探測響應過程與機理：（a）探測火焰過程照片和（b）模擬雨天氣候你條件下的火焰探測過程；可見，氧化石墨烯涂層的電阻突變可以在2-3秒內觸發了火焰探測信號（定義為探測響應時間，電阻變化率為104），離開火焰后報警信號得到保持；（c）PU-SGF樣品在不同環境溫度下的電阻隨時間變化曲線（插圖為測試方法）；（d）不同溫度下預警時間的變化（插圖為PU-SGF樣品在常溫和400oC處理前后的拉曼光譜圖）；（e）多層次有機硅/氧化石墨烯涂層在高溫或火焰條件下的協同阻燃機理與氧化石墨烯熱還原過程示意圖。
此外，湯龍程研究團隊通過調控有機硅分子中有機/無機基團比例合成了系列三維有機硅分子結構，實現易燃聚氨酯泡沫材料的綠色阻燃，揭示了有機硅涂層向多孔納米二氧化硅保護層轉變的阻燃機理（Journal of Hazardous Materials, 2017,336: 222-231）。在此基礎上，結合前期的石墨烯基聚合物納米復合材料研究（Carbon, 2013, 60, 16-27; CompositesScience and Technology, 2013, 82: 60-68; Carbon, 2014, 69, 467-480; CompositesPart A, 2014, 64, 79-89; Journal of Materials Chemistry A, 2014; 2(36): 15058-15069; Composites Part A, 2015, 69, 288-298; Composites Science and Technology,2015, 121, 104-114; Composites: Part A, 2016, 91, 53-64; Composites Science andTechnology, 2016, 134, 144-152），研究團隊發展了系列硅烷化氧化石墨烯改性技術，通過簡便工藝實現了對多孔結構及其表界面性質的調控，成功地制備了兩類高彈性硅烷化石墨烯基多孔復合材料：硅烷交聯石墨烯氣凝膠（Carbon, 2016, 107: 573-582）和硅烷化石墨烯納米帶復合聚氨酯泡沫材料（Chemical Engineering Journal, 2018,334, 2154-2166）。這兩類有機硅改性石墨烯基多孔復合材料具有高的應變響應電阻敏感性、良好的力學穩定性出色的油/溶劑吸附容量和靜態油水分離能力；更為重要的是，硅烷化石墨烯納米帶復合聚氨酯泡沫材料在動態條件（模擬海浪）下仍能保持優異的連續油收集能力和良好的重復性，這為解決復雜環境（如海洋油泄露）條件下的油水分離和高效回收提供了新的設計思路。
除上述基礎研究結果外，研究團隊先后申請和獲得相關發明專10多項，并與相關企業合作，推動有機硅下游產品的開發。相關工作得到了杭州市高層次留學回國人員(團隊) 在杭創業創新項目、浙江省省自然科學基金和自然科學基金等項目的資助。
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