公共安全

氧化石墨烯在火灾早期预警中的应用

  • 石林 1 ,
  • 郑鹏伦 1, 2 ,
  • 李正曦 3 ,
  • 刘全义 , 1, 2, *
展开
  • 1. 中国民用航空飞行学院 民航安全工程学院, 广汉 618307
  • 2. 中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室, 广汉 618307
  • 3. 国网青海省电力公司, 西宁 810001
刘全义, 教授, E-mail:

石林(2001-), 女, 硕士研究生

收稿日期: 2024-10-29

  网络出版日期: 2025-08-30

基金资助

国家自然科学青年基金项目(52202416)

国家自然科学联合基金项目(U2033206)

民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室项目(MZ2022JB01)

四川省院省校合作项目(2024YFHZ0027)

青海省科技计划项目(2024-GX-C03)

版权

版权所有,未经授权,不得转载。

Application of graphene oxide in fire early warning

  • Lin SHI 1 ,
  • Penglun ZHENG 1, 2 ,
  • Zhengxi LI 3 ,
  • Quanyi LIU , 1, 2, *
Expand
  • 1. College of Civil Aviation Safety Engineering, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307
  • 2. Civil Aircraft Fire Science and Safety Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307
  • 3. State Grid Qinghai Electric Power Company, Xining 810001

Received date: 2024-10-29

  Online published: 2025-08-30

Copyright

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摘要

火灾事故的频繁发生对人民生命财产安全构成了严重威胁, 提升火灾预警效率至关重要。石墨烯及其衍生物在阻燃及火灾预警领域的应用成为研究热点, 优异的电子传导率和比表面积使其在传感器领域具有应用潜力。该文综述了国内外在氧化石墨烯(GO)用于火灾早期预警的研究进展。首先, 概述了GO基传感器的工作原理; 然后, 详细介绍了GO本体材料和GO涂层材料的研究现状; 深入分析了这种传感器在多种应用场景和需求中的实际应用情况, 展示了其广泛的应用前景。最后, 综述了GO在火灾早期预警中的应用现状, 并展望未来的研究方向。

本文引用格式

石林 , 郑鹏伦 , 李正曦 , 刘全义 . 氧化石墨烯在火灾早期预警中的应用[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2025 , 65(9) : 1784 -1793 . DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2025.21.017

Abstract

Significance: The frequent occurrence of fire accidents poses a serious threat to the safety of people's lives and properties. Thus it is vital to improve the accuracy and efficiency of fire warning systems. Currently, fire alarm sensors or detector systems can be used to provide an early warning of potential fire hazards. Existing conventional fire alarm detectors include infrared (IR) and smoke detectors, that trigger alarms by detecting heat radiation or smoke particles. However, these systems are susceptible to interference from environmental factors, resulting in false alarms or delayed warnings (>100 s). Progress: Unlike traditional smoke alarms, new fire warning sensors can provide timely responses in the early stages of a fire, providing a stronger guarantee for fire safety. Therefore, there has been increasing interest in smart fire warning materials and sensors that combine traditional passive fire retardant strategies with active fire alarm response. Carbon-based two-dimensional (2D) nanomaterial graphene oxide (GO), a typical representative of smart fire warning materials, is characterized by its positive feedback between electrical conductivity and temperature. This paper reviews local and international research progress in the field of GO-based fire early warning sensors. The working principle of GO-based sensors is first summarized, followed by detailed descriptions of current research on GO body materials and GO coating materials. Furthermore, we analyze in depth the practical applications of such sensors in a variety of application scenarios and requirements, demonstrating their wide range of application prospects. We also categorize GO-based fire warning sensor warning signals into traditional and remote and IoT-based alarm signals and then elaborate on these. Finally, we provide a comprehensive summary of the research on GO-based fire early warning sensors, which shows that GO-based fire alarm materials can provide sensitive fire alarm signals within < 10s, making them more sensitive than conventional fire alarm systems. Based on such updated information, we summarize the future research directions in this field. Conclusions and Prospects: Future research should focus on several aspects. First, the fire warning and fire protection performance of the GO coating can be further optimized by developing new coating materials and improving the structural design, while ensuring that it can quickly respond to fire and effectively stop it from spreading. Second, in optimizing the design of the response of organics to GO, researchers should consider the thermal response sensitivity of the functional groups and the properties of the organics themselves. In particular, quantifying the number of functional groups and the effect of pyrolysis of organics on fire warning can help establish a synergistic quantitative relationship between them. Such a relationship helps to precisely regulate the properties of the materials, thus achieving accurate and efficient fire warning functions. Third, a more reasonable preparation method must be proposed to realize the precise control of the number and type of functional groups on the GO surface. This can be achieved by precisely controlling the conditions of the chemical reaction, including temperature, time, and pH levels. Finally, the GO fire warning and fireproof coating technology must be integrated with the Internet of Things to realize real-time data monitoring, as well as remote control and automated response systems to improve their level of intelligence.

火灾会造成巨大的生命财产损失,火灾报警传感器或探测器系统可以对潜在的火灾危险进行早期预警。火灾报警探测器系统主要包括红外探测器、烟雾探测器和图像型探测器[1]。红外探测器和烟雾探测器主要通过检测热量辐射或烟雾颗粒来触发警报,但其易受环境因素干扰,导致误报或预警延迟(>100 s)。图像型探测器虽然能检测明火或烟雾,但仅在火灾发生后响应,无法实现早期预防[2]。因此,在综合考量现有火灾报警系统的基础上,研究人员开发了基于火灾预警材料如氧化石墨烯(GO)的新型火灾预警传感器。相比传统探测器,新型火灾预警传感器能够智能响应火灾时的外部环境变化并在初期阶段及时响应,有效遏制火势蔓延,为防火安全提供强有力的保障[3]
最近,智能火灾预警材料和传感器越来越受到关注,这些材料和传感器将传统的被动阻燃策略和主动火灾报警响应相结合[4]。智能火灾预警材料包括半导体材料[5-6]、纳米杂化材料[7]、碳基纳米材料[8-9]、共轭聚合物[10]和硫化物[11]等,其中碳基二维纳米材料GO因其电导率与温度呈正反馈而成为典型代表[12]。独特的结构特性赋予GO优异的表面支撑性能、机械强度、高载流子迁移率和多样的样品形态,使其在火灾早期预警系统中表现突出。
Tang等[13]首次通过浸涂工艺在可燃基材上制备了GO/硅树脂涂层。GO在相关领域的应用已经得到证实[14],其技术手段是对GO表面构造不同的官能团,以建立火灾的响应机制。具体地,采用氢键驱动、离子键驱动和共价键驱动机制,在火灾发生时使GO表面构造的体系解离,进而影响电学性能变化。尽管这一途径已经被广泛应用,但是仍缺乏从官能团角度揭示其普遍原理的研究。
本文首先对温敏型GO基火灾预警器的预警机制进行了总结,并介绍了纸类和涂层类器件在火灾预警领域的应用现状;然后讨论了其在多功能预警气凝胶、大尺寸传感器结构设计、智能消防和人体运动监测、具有火灾预警功能的家居纺织品等方面的应用探索(见图 1);最后对其在现实生活中的广泛应用和未来发展趋势进行了深入分析,为使用GO开发高灵敏度的火灾预警传感器提供借鉴和参考。
图 1 GO基火灾预警传感器的研究进展

1 GO热敏型火灾传感器

1.1 火灾预警机制

GO是一种具有层状结构的二维纳米材料[15-16],平面和边缘分布多个氧化官能团如羟基和羧基等。这些氧化官能团破坏了GO的共轭电子结构,导致其在室温下呈现绝缘性。然而,在加热过程中,GO会发生还原反应,表面的含氧官能团被去除,生成的还原氧化石墨烯(rGO)展现出优异的导电性能[17-18]
GO向rGO转变过程导致的电阻变化是其应用于热阻型火灾报警器的关键[19]。在正常状态下,由于GO的电绝缘性,预警器的电路是断开的。当遇到高温环境时,GO还原成rGO,导致预警器的电阻发生显著变化。这种电阻的变化使得预警器电路迅速接通,从而触发警报信号,实现快速响应,如图 23所示。
图 2 高温条件下GO火灾预警传感器原理图
图 3 火焰攻击下GO的火灾报警反应示意图
在受热过程中,GO纳米结构的变化、电导率的改变和官能团的重组这些因素共同影响了火灾响应的灵敏度、GO的热稳定性以及预警的持续时间[20]。利用GO表面官能团,通过添加外来分子,构造新的GO结构,已被证明为有效的优化手段。其结构改性过程涉及氢键驱动、离子键驱动的自组装。形成的最终结构主要包括仿贝壳结构、多孔结构和层状结构等[21]。这种结构和性能的变化,为GO基先进材料的设计和制备提供了新的思路和方法[22]

1.2 GO阻燃预警纸

GO纸是一种由GO片层构成的类似纸的材料,其形成得益于GO片层内的π-π键的堆积作用以及层间的Van der Waals力,因此GO纸具有较高的机械强度且在还原处理后具有良好的导电性,在很多领域有着广泛的应用前景。
根据GO表面官能团改性思路,学者设计了多种表面结构,以期提高响应速度。蒸发诱导自组装(EISA)技术[23]能够促使GO在溶液中形成高度有序的三维多孔结构,提升GO的机械强度。Cao等[24]利用仿生学原理,结合EISA技术,制备了一个由GO纳米片、磷酸化纤维素纳米原纤维(P-CNFs)和单宁酸分子(TA)构成的复合网络结构。由于TA、P-CNFs和GO之间的多重协同作用,该GO纸表现出较好的力学性能,在各种环境中具有良好的结构稳定性、优异的阻燃性和小于1 s的火灾报警延时。EISA技术具有显著的优势,因为它可以在低温下进行,且不需要复杂的处理[25]。Huang等[26]通过EISA技术制备阻燃GO基纳米复合纸,使用3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTS)对GO进行功能化。这种方法增强了GO在热稳定和阻燃方面的性能,同时也实现了火灾报警的高效响应。MPTS质量分数10%的MPTS-GO纸在200 ℃的温度下,火焰探测的响应时间大约是1.0 s。同时指出,MPTS分子中的硫基有助于GO在高温条件下进行热还原反应,迅速转变为导电的rGO。这种MPTS功能化的GO基阻燃预警纸有望在火灾安全和预防领域提供火灾预警响应。
杂原子掺杂策略主要是通过化学方法将其附着或掺入到相应碳材料的骨架中,以增强其理化性质,通过形成更稳定的结构来提高rGO的热氧化稳定性。三磷酸腺苷(ATP)因其特殊的分子结构,成为设计GO基火灾预警传感器的首选掺杂材料[27]。Ma等[28]采用低温EISA技术,制备了结合GO和ATP的仿生珍珠层GO纸,并基于GO在高温下的热还原特性开发了火灾预警传感器。由于GO-ATP分子间存在氢键和静电吸引相互作用,形成了良好的“砖和砂浆”结构。当ATP质量分数达到50%时,材料GO-ATP-50的预警性能最佳,这得益于磷元素的掺杂以及在火焰作用下形成的蜂窝状炭层。此时,该材料表现出1.36 s的快速火焰检测响应时间和长达1 300 s的连续报警时间。此外,GO-ATP-50纸张也显示出良好的柔韧性、阻燃性、隔热性和成炭性。这种功能化的GO-ATP-50纸张为可燃材料的火灾安全防护和预防工作提供了新的应用途径。
在杂原子掺杂中使用磷元素,能够提高材料的热稳定性和阻燃性能。通过使用磷酸或植酸(PA)作为磷源进行原位掺杂,可以形成P-C键和P-O键。这些化学键的存在增强了GO在高温或火灾下的稳定性和耐火性能,是提高GO基材料在火灾预警中的应用潜力的有效策略之一[29]。Chen等[30]利用EISA技术,成功制备了具有磷酸功能化的GO-PA纸。当GO-PA样品被火加热时,可在0.5 s内触发火警。在火焰暴露期间,磷原子被原位掺杂到GO结构中(见图 4),掺入的PA大大抑制了GO的热解反应,从而提高了GO的阻燃持续时间。这项工作为改善基于GO传感器的火灾预警性能开辟了一条新途径。
图 4 燃烧过程中GO-PA的原位掺杂磷示意图[30]
硅烷分子具有Si-O-Si链和烷氧基的通用化学结构,可有效促进纳米填料与聚合物基体之间的相容性[31]。Huang等[32]通过硅烷辅助组装策略制备了阻燃硅烷接枝GO纸。在水溶液中,含有烷氧基的硅烷分子与GO进行了水解缩合反应,组装成排列整齐的硅烷-GO纸。当硅烷-GO纸遭遇高温或火焰时,能够快速热还原为rGO,火灾预警响应时间为5 s,该材料有望用于火灾早期预警中的智能传感器。
综上所述,GO纸在火灾预警领域展现出广阔的应用前景。通过引入掺杂元素或与其他纳米材料复合,显著提升了其导电性、热稳定性和机械强度。特别是将GO与金属纳米粒子、碳纳米管或其他二维材料复合,进一步增强了其在火灾预警中的应用性能。尤其值得注意的是,磷元素的原位掺杂有效抑制了GO的燃烧反应,大幅提高了GO基火灾预警器的持续报警时间。

1.3 GO阻燃预警涂层

经研究发现,将温度敏感涂层应用于易燃材料可以显著提升火灾预警能力。涂层优先于底层材料接触火焰[33],其中基于GO的涂层能够在材料点燃前就触发清晰的电阻变化信号。这种技术不仅提升了火灾预警的响应速度,也增强了预警系统的整体效能。Xu等[34]开发了一种由GO宽带(GOWR)包裹的海绵,该海绵具有轻质、良好的疏水性和阻燃特性。在高温或火焰的直接作用下,覆盖在海绵骨架上的GOWR片材会发生热还原反应,导致电阻急剧变化。这种变化可以在2 s内快速触发警报,响应火焰侵袭。这项工作有望显著降低户外环境中易燃材料引发的火灾风险。
在基材表面制备功能涂层的方法多种多样,而层层组装(LBL)技术凭借绿色、环保以及操作简便等优势,成为研究者关注的焦点[35]。Yang等[36]通过壳聚糖(CS)分子与GO纳米片之间的静电相互作用,采用LBL技术在三聚氰胺(MF)泡沫上构建了智能纳米涂层,火焰响应时间仅为3 s,连续报警时间高达1 280 s。该项工作为生物基纳米涂料在火灾预警中的应用提供了新的思路。在GO中加入另一种导电填料如碳纳米管(CNT),可以进一步优化混合导电网络的性能,从而实现对响应时间的精确调控[37]。Chen等[38]采用LBL技术沉积阻燃改性的GO(FGO)和CNT,成功制备了功能化聚氨酯海绵(PUS)。PUS催化碳化的化学炭与FGO-CNT的物理炭结合形成紧凑的保护屏障,在高温下提供结构稳定性。涂层海绵在火灾中显示出2 s的快速报警时间。受LBL技术的启发,研究者正在开发结合GO和CNT的杂化材料,目的是通过这2种材料的协同作用,在机械、电学和热性能等多个方面实现提升[39]。Chen等[40]制备了适用于木浆纸(WPP)的结合了苯氧基环磷腈官能化的GO(FGO)和CS官能化的CNT涂层(见图 5),含FGO/CNT结构的电阻对火焰和温度高度敏感,在构建混合导电网络的过程中,可通过调整CNT的含量来优化响应时长,使得被涂覆的WPP成为理想的火灾传感器。
图 5 CNT-rFGO-WPP制备流程示意图[40]
综上所述,GO阻燃预警涂层的制备方法主要是LBL技术,其简单易行的特点使得GO涂层材料在不同基材上展现出卓越的火灾预警能力。通过GO与其他材料(如CNT)的复合,设计多种表面结构,提高了火灾响应时间和稳定性。GO涂层不仅赋予材料高效的火灾预警功能,还能通过构建有机无机体系、有机体系对材料进行表面改性,改善材料的阻燃性、疏水性,并提供自清洁、自愈合等附加功能。这些创新和应用展示了GO涂层在火灾预警和防护领域的巨大潜力。

2 多功能GO火灾预警器的应用

近年来,智能材料领域的进步为创造新型且高灵敏度的火灾预警传感器开辟了创新路径[24]。以GO为代表的纳米材料尤为突出,因其对环境变化具有高度敏感性,展现出在火灾预警技术领域的巨大应用前景[41]。目前,研究人员正利用这些材料开发各种预警系统如多功能预警气凝胶、大尺寸火灾预警传感器、森林火灾预警系统以及具有火灾预警功能的家居纺织品等[42]

2.1 多功能预警气凝胶

将GO材料整合到气凝胶中,既可以实现良好的保温效果,又可以通过热敏特性实现火灾预警。海藻酸钠(SA)具有特殊的分子结构,能够与多价金属离子发生交联反应,从而增强SA气凝胶的凝胶网络结构,进而提高其机械强度[43]。Shi等[44]采用原位生长和定向组装技术制备了海藻酸钠-羟基磷灰石-氧化石墨烯(SA-HAP-GO)气凝胶,GO的定向组装和Ca2+在气凝胶表面的整合作用促进了还原过程中三维网络的形成,从而实现了1.95 s快速的火灾预警响应。该气凝胶制备方法简单,具有良好的生物相容性和可持续性,为制备在恶劣环境中长期使用的火灾早期预警传感器提供了可能。生物质资源具有可再生性、低污染性和资源丰富的优点。而羟基磷灰石(HAP)则因其高生物相容性和优越的阻燃性能受到青睐[45]。Luo等[46]制备了一种基于SA和HAP的气凝胶,并引入了GO。该气凝胶不仅展现出卓越的隔热性能,还能在火焰环境下实现1.5 s的超快响应和超过60 s的持续报警,为火灾早期检测提供了高效解决方案,如图 6所示。
图 6 GO基气凝胶火灾预警机制示意图[46]
综上所述,含GO气凝胶的研究主要集中在制备方法、性能优化和功能化应用等方面。常用的制备方法包括水热法、溶胶—凝胶法和冷冻干燥法[47-48],这些方法能够有效地将GO分散在三维网络结构中,形成轻质、多孔的气凝胶材料。通过调整GO的含量、添加其他阻燃材料可以提高气凝胶的机械强度、电导率和热稳定性,但是也存在生产成本高、规模化制备难度大的问题。

2.2 大尺寸传感器结构设计

基于GO涂层的火灾警报电路只有当2个电极之间的GO纳米片完全且快速发生热还原反应时才能发出警报[49]。因此大多数研究中的GO基火灾预警涂料仅限于小区域,这严重限制了其在大尺寸基材上的实际应用。针对这一挑战,Cao等[50]基于仿生设计,通过将超分子三聚氰胺二硼酸酯(M·2B)与GO纳米片进行结合,成功构建了超分子交联纳米体系,并利用凝胶干燥技术制备了具有珍珠层状微纳结构的GO-MB杂化纸,该工艺可以对GO-MB杂化纸进行大尺寸制备,所得的GO-MB材料表现出优异的耐高温性能、灵敏的火灾报警响应(0.72 s),具有广阔的消防安全和防护应用前景。
硼酸(BA)及其化合物被广泛应用于各种复合材料中,以提高其耐热性能。通过硼酸盐交联得到的rGO具有较高的导电性[51]。Yuan等[52]利用水蒸发诱导自组装技术,成功制备了硼酸改性GO纸(GO-BA),GO纳米片通过BA中的羟基与GO上的富氧官能团之间形成氢键来与BA分子进行键合。这种绝缘的GO-BA纸在火焰暴露下能够迅速热还原为rGO,提供了约0.8 s的快速火焰检测。这项工作采用的水蒸发诱导自组装方法具备工艺简便、成本低廉且对环境友好等优点,为设计和制造具有报警功能的高性能GO基火灾预警传感器提供参考。
GO基火灾预警传感器因其优异的柔韧性和可加工性,被广泛应用于制备大尺寸的柔性薄膜或涂层,适用于各种曲面和复杂形状的表面。在水热法和干燥法处理过程中[53],通过控制模具容器的大小和GO混合溶液的用量,可以得到不同尺寸和厚度的大尺寸GO基火灾预警传感器纸样,探索不同合成条件下GO基传感器的性能变化对优化其火灾预警整体性能至关重要。

2.3 智能消防和人体运动监测

GO基火灾预警传感器在智能消防领域展现出了广泛的应用前景[54],然而GO在火灾预警过程中极易耗尽,需要引入阻燃纳米颗粒来改善其热稳定性。水合氧化铝(AlOOH)作为一种无机纳米颗粒,具有分散性好、成本低等优点,可以提高聚合物的防火安全性[55]。Yang等[56]在MF泡沫表面制备了GO和AlOOH功能涂层,AlOOH和GO之间的氢键相互作用作为核心驱动力,导致了复合纳米涂层AlOOH-GO的沉积(见图 7),遭遇火焰时能够在2.5 s内触发报警信号。
图 7 AlOOH与GO相互作用机理[56]
由于GO的氧化还原过程不可逆,GO基火灾报警系统无法二次触发。相比之下,聚3, 4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)修饰的rGO具有更好的热电转换性能,能够实现热电的可逆变化[57]。Zhu等[58]采用低温蒸发诱导自组装法制备了一种阻燃多功能智能疏水二氧化硅/聚多巴胺/PGO/羧甲基壳聚糖/亚麻织物(Hf-SiO2/PDA/PGO/CCS/FF),该织物具有温度传感、火灾报警、压阻传感和疏水性能。当发生火灾时,织物可以在不到5 s的时间内重复触发3次。该研究提出了一种简单易行的GO基火灾预警传感器的制备方法,在防火和温度检测领域具有广阔的应用前景。
目前,GO基火灾预警传感器已被广泛应用于易燃材料的防火安全领域,特别是在森林防火、高层建筑防火等室外复杂环境中展现出良好的适用性,为火灾防控提供了智能化、高效化的解决方案。GO基传感器利用压阻效应来检测应变状态的变化,在人体运动监测领域同样展现出广阔的应用前景[59]。例如将Hf-SiO2/PDA/PGO/CCS/FF织物集成到消防服中能够检测人体多种运动[58]。利用GO材料的压电性能,开发出柔性压电传感器,传感器能够将人体的微小运动转化为电能,从而实现对人体运动的实时监测。

2.4 具有火灾预警功能的家居纺织品

商业墙纸由于高度易燃的特性,在火灾中会加速火势的蔓延,因此不适合直接用作内饰的基材[60]。为了克服这一挑战,Li等[61]提出了一种基于墙纸的智能火灾预警系统。该系统以环保纤维素纸(CP)为基础,使用甲基三甲氧基硅烷(MTM)、GO和改性碳纳米管NH4-CNT,通过浸涂技术制备了复合纸NH4-CNT/GO/CP。NH4-CNT/GO/CP复合纸能够满足在较低温度下快速预警的关键要求,在250 ℃下2 s内显示预警信息,将响应温度降低到普通材料燃烧温度(>300 ℃)以下。此外,收集的温度数据可以无线发送到本地和远程计算机。
Zhu等[62]利用GO片、CS分子和聚多巴胺(PDA)之间的静电相互作用制备了智能亚麻-GO-CS-PDA纱线。该智能纱线不仅具有优异的阻燃性能,还能在低温(< 300 ℃)下实现超快的火灾响应速度(3 s)。更重要的是,当检测到温度异常时,火灾报警装置接收到的信号处理信息能够通过蓝牙传输到无线通信设备,并立即发出报警信号。Li等[63]使用GO和二维碳化钛(MXene)制备了火灾预警传感器,通过GO的高温热还原机理实现快速响应。引入MXene后,该传感器能够在极低温度(250 ℃)下迅速反应,远低于大多数易燃材料的着火点。这种低温响应能力使传感器能够在火灾初期发出预警信号,为人员疏散和火灾防控争取宝贵时间。
引入阻燃剂可以有效提高GO的稳定性和阻燃性。CS和PA具有绿色环保的优点,CS/PA膨胀型阻燃体系(IFR)能够赋予基材优异的阻燃性能[64]。Fang等[65]采用CS和PA组成的生物基阻燃剂与CNT和GO组成的碳基纳米材料,通过LBL技术制备了阻燃防火预警棉织物,PA通过氢键对GO进行修饰(见图 8)。PA-GO/CS-CNT涂层棉织物表现出超快的火灾预警响应性能,响应时间为1.0 s。该研究为制备具有阻燃和火灾预警功能的智能防火纺织品提供了新策略,拓宽了其在火灾早期预警中的应用。
图 8 阻燃防火棉织物及其防火机理示意图[65]
近年来,GO基火灾预警传感器在家居纺织品中的应用研究显著增多,尤其在易燃基材如棉织物上制备复合涂层,以提升阻燃性和火灾预警功能。这些涂层不仅具备超快的火灾响应时间和长期持续响应能力,还有效降低了火灾风险。同时,GO与其他阻燃剂协同作用,进一步增强了纺织品的整体安全性,特别适用于厨房、客厅等易燃环境。表 1对GO基火灾预警传感器的材料、制备方法和火灾预警性能进行了总结。可以看出GO基材料旨在实现快速的响应时间和持续的报警时间,这些创新策略拓宽了GO材料在火灾早期预警及无线传感器预警领域的应用潜力。
表 1 GO基火灾预警传感器的材料信息和性能比较
材料 制备方法 火灾预警性能 分类 参考文献
GO-HCPA EISA技术 响应时间0.6 s,持续报警时间600 s 含GO纸类材料 文[66]
硅烷-GO纸 EISA技术 响应时间1.6 s 含GO纸类材料 文[32]
FGO-CNT-PUS LBL技术 响应时间1 s,持续报警时间2 640 s GO涂层类材料 文[38]
聚三氟乙烯-GO-MF LBL技术 响应时间4 s, 持续报警时间22 s GO涂层类材料 文[67]
SA-HAP-GO 冷冻干燥法 响应时间1.95 s 含GO气凝胶材料 文[44]
HAP-GO 冷冻干燥法 响应时间1.5 s,持续报警时间60 s 含GO气凝胶材料 文[46]

3 结论

本文综述了GO在火灾早期预警中的应用。首先,GO基火灾预警材料可以在10 s内提供灵敏的火灾报警信号,比传统的火灾报警系统更加灵敏。其次,GO基火灾预警材料可以在火灾发生前启动火灾预警响应,从而为人们应对高火灾风险提供及时的通知。最后,基于GO基的火灾预警材料可以在易燃基材(如棉织物表面)用作涂层使用,在消防安全和预防方面具有广阔的应用前景。考虑GO基火灾预警器的实际应用情况,未来的研究应重点关注以下几个方面:
1) 进一步优化涂层的火灾预警和防火性能,可以通过开发新型的涂层材料和改进结构设计来实现,同时确保它能够快速响应火灾并且有效阻止火势蔓延。考虑到层状结构的有效性,除贝壳结构外,类似蝴蝶翅膀、甲虫壳等具有层状多孔特征的石墨烯仿生结构也应做拓展性研究。这些仿生结构可能为提高涂层的火灾预警和防火性能提供新的思路和方法。
2) 在优化有机物与GO的响应设计中,应综合考虑官能团的热响应灵敏度和有机物本身的特性。通过量化官能团的用量以及有机物热解对火灾预警的影响,可以建立它们之间的协同量化关系。这种关系有助于精确调控材料的性能,从而实现高效的火灾预警功能。
3) 寻找更为合理的制备方法,通过精确控制化学反应的条件如温度、时间、pH值等,实现对GO表面官能团数量、种类的精确控制。例如,在GO表面引入具有高热稳定性的磷腈基团,来提高GO的热稳定性,使其在高温环境或火焰下仍能保持结构完整并触发报警。利用红外光谱、X射线光电子能谱等定量分析技术,可以测定GO表面官能团的种类和数量,帮助研究人员了解GO表面的化学组成,并据此调整制备工艺以达到预期的官能团定量控制。
4) 将GO基火灾预警和防火涂层技术与物联网集成,实现实时数据监控、远程控制及自动化响应系统,提高智能化水平。同时,基于GO和有机物仿生体系设计火灾预警传感器,使其具备热、光、电、声的协同响应能力,以服务于新一代全域自动化火灾报警。
1
王吉红. 火灾探测技术的现状与发展趋势分析[J]. 建筑安全, 2024, 39(7): 62-65, 69.

WANG J H . Analysis of the current situation and development trend of fire detection technology[J]. Construction Safety, 2024, 39(7): 62-65, 69.

2
刘康兵, 王圣元, 李蒙倩, 等. 二维层状材料MXene的制备及其在表面涂层的研究进展[J]. 现代化工, 2024, 44(3): 53- 57.

LIU K B , WANG S Y , LI M Q , et al. Research progress on pre paration of two-dimensional layered material MXene and its application in surface coating[J]. Modern Chemical Industy, 2024, 44(3): 53- 57.

3
袁必和, 曹承然. 石墨烯火灾预警器的研究进展[J]. 安全与环境学报, 2021, 21(4): 1490- 1495.

YUAN B H , CAO C R . Research progress on the graphene-based fire alarm sensor[J]. Journal of Safety and Environment, 2021, 21(4): 1490- 1495.

4
孔悦, 范旭, 张广毅, 等. 功能性智能织物涂层的研究进展[J]. 涂料工业, 2024, 54(9): 51- 55.

KONG Y , FAN X , ZHANG G Y , et al. Research advances in smart coating for functional textiles[J]. Paint & Coatings Industry, 2024, 54(9): 51- 55.

5
ZHANG M J , WANG M L , ZHANG M X , et al. Flexible and thermally induced switchable fire alarm fabric based on layer-by-layer self-assembled silver sheet/Fe3O4 nanowire composite[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(50): 47456- 47467.

6
WANG B L , LAI X J , LI H Q , et al. Multifunctional MXene/chitosan-coated cotton fabric for intelligent fire protection[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(19): 23020- 23029.

7
JIN X , ZHANG J , WANG B , et al. Multifunctional polylactic acid sensing fabric based on biomass flame retardants for intelligent fire early-warning[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 259, 129158.

DOI

8
XIA L , LV Y , MIAO Z X , et al. A flame retardant fabric nanocoating based on nanocarbon black particles@polymer composite and its fire-alarm application[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 433, 133501.

DOI

9
CHEN J Y , XIE H L , LAI X J , et al. An ultrasensitive fire-warning chitosan/montmorillonite/carbon nanotube composite aerogel with high fire-resistance[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 399, 125729.

DOI

10
HE X Y , HAO Y N , HE M T , et al. Stretchable thermoelectric-based self-powered dual-parameter sensors with decoupled temperature and strain sensing[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(50): 60498- 60507.

11
YU G Y , ZHOU X , ZHAO H T , et al. Photoinduced generation of metastable sulfur vacancies enhancing the intrinsic hydrogen evolution behavior of semiconductors[J]. Solar RRL, 2021, 5(11): 2100580.

DOI

12
KIM S K , KIM J Y , JANG B C , et al. Conductive graphitic channel in graphene oxide-based memristive devices[J]. Advanced Functional Materials, 2016, 26(41): 7406- 7414.

DOI

13
WU Q , GONG L X , LI Y , et al. Efficient flame detection and early warning sensors on combustible materials using hierarchical graphene oxide/silicone coatings[J]. ACS Nano, 2018, 12(1): 416- 424.

DOI

14
赵明杰, 门传玲, 曹军, 等. 悬浮石墨烯的制备、性能及应用研究[J]. 材料导报, 2017, 31(5): 57- 63.

ZHAO M J , MEN C L , CAO J , et al. Fabrication, properties and application of suspended graphene[J]. Materials Reports, 2017, 31(5): 57- 63.

15
杨菲, 杜春贵, 王玉婷, 等. 二维材料在火灾预警中的应用研究进展[J]. 现代化工, 2024, 44(6): 49- 54.

YANG F , DU C G , WANG Y T , et al. Research progress on application of two-dimensional materials in fire warning[J]. Modern Chemical Industry, 2024, 44(6): 49- 54.

16
BOUŠA D , LUXA J , MAZÁNEK V , et al. Toward graphene chloride: Chlorination of graphene and graphene oxide[J]. RSC Advances, 2016, 6(71): 66884- 66892.

DOI

17
CHATHURANGA H , WIJESINGHE I , MARRIAM I , et al. Recent advances in graphene allotropes-based fire detection sensors[J]. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2025, 50(1): 54- 76.

DOI

18
魏丽菲, 王锐. 碳基纳米材料在聚合物阻燃中的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程, 2019, 35(9): 169- 176.

WEI L F , WANG R . Progress in carbon-based nanomaterials in flame retardant polymers[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2019, 35(9): 169- 176.

19
YU X W , CHENG H H , ZHANG M , et al. Graphene-based smart materials[J]. Nature Reviews Materials, 2017, 2(9): 17046.

DOI

20
LIN W L , YUAN Y , XU L L , et al. Recent progress in two-dimensional nanomaterials for flame retardance and fire- warning applications[J]. Molecules, 2024, 29(8): 1858.

DOI

21
AGARWAL V , ZETTERLUND P B . Strategies for reduction of graphene oxide: A comprehensive review[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 405, 127018.

DOI

22
LV L Y , CAO C F , QU Y X , et al. Smart fire-warning materials and sensors: Design principle, performances, and applications[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2022, 150, 100690.

DOI

23
CHEN G Q , YUAN B H , ZHAN Y Y , et al. Functionalized graphene paper with the function of fuse and its flame-triggered self-cutting performance for fire-alarm sensor application[J]. Materials Chemistry and Physics, 2020, 252, 123292.

DOI

24
CAO C F , YU B , GUO B F , et al. Bio-inspired, sustainable and mechanically robust graphene oxide-based hybrid networks for efficient fire protection and warning[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 439, 134516.

DOI

25
LIU Q , YANG S , REN J , et al. Flame-retardant and sustainable silk ionotronic skin for fire alarm systems[J]. ACS Materials Letters, 2020, 2(7): 712- 720.

DOI

26
HUANG N J , XIA Q Q , ZHANG Z H , et al. Simultaneous improvements in fire resistance and alarm response of GO paper via one-step 3-mercaptopropyltrimethoxysilane functionalization for efficient fire safety and prevention[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2020, 131, 105797.

DOI

27
DENG J , WALTHER A . ATP-responsive and ATP-fueled self-assembling systems and materials[J]. Advanced Materials, 2020, 32(42): 2002629.

DOI

28
MA T T , LI L P , PAN M Z , et al. In-situ synthesis of phosphorus-doped graphene paper with adenosine triphosphate and its application for intelligent fire warning[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2022, 162, 107142.

DOI

29
WANG X W , SUN G Z , ROUTH P , et al. Heteroatom- doped graphene materials: syntheses, properties and applications[J]. Chemical Society Reviews, 2014, 43(20): 7067- 7098.

DOI

30
CHEN G Q , YUAN B H , WANG Y , et al. Inhibited combustion of graphene paper by in situ phosphorus doping and its application for fire early-warning sensor[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2020, 312, 112111.

DOI

31
YU S W , OH K H , HWANG J Y , et al. The effect of amino-silane coupling agents having different molecular structures on the mechanical properties of basalt fiber- reinforced polyamide 6, 6 composites[J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 163, 511- 521.

DOI

32
HUANG N J , CAO C F , LI Y , et al. Silane grafted graphene oxide papers for improved flame resistance and fast fire alarm response[J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 168, 413- 420.

DOI

33
王小霞, 王勇, 张娟. 含磷低聚倍半硅氧烷及其阻燃应用的研究进展[J]. 材料导报, 2021, 35(S1): 552- 559.

WANG X X , WANG Y , ZHANG J . Recent progress in phosphorus-containing polysilsesquioxane and flame retardancy to polymers[J]. Materials Reports, 2021, 35(S1): 552- 559.

34
XU H , LI Y , HUANG N J , et al. Temperature-triggered sensitive resistance transition of graphene oxide wide-ribbons wrapped sponge for fire ultrafast detecting and early warning[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 363, 286- 294.

35
GODA E S , ABU ELELLA M H , HONG S E , et al. Smart flame retardant coating containing carboxymethyl chitosan nanoparticles decorated graphene for obtaining multifunctional textiles[J]. Cellulose, 2021, 28(8): 5087- 5105.

36
YANG F Z , YUAN B H , WANG Y , et al. Graphene oxide/chitosan nano-coating with ultrafast fire-alarm response and flame-retardant property[J]. Polymers for Advanced Technologies, 2022, 33(3): 795- 806.

37
MENG J J , SONG J N , ZHANG X , et al. A highly stretchable carbon nanotube/reduced graphene oxide/ poly(dimethylsiloxane) composite with high thermal conductivity as a flexible strain sensor[J]. Composites Communications, 2023, 42, 101693.

38
CHEN Z , CHEN W H , LIU P J , et al. A multifunctional polyurethane sponge based on functionalized graphene oxide and carbon nanotubes for highly sensitive and super durable fire alarming[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2021, 150, 106598.

39
XUAN X , PARK J Y . A miniaturized and flexible cadmium and lead ion detection sensor based on micro-patterned reduced graphene oxide/carbon nanotube/bismuth composite electrodes[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 255, 1220- 1227.

40
CHEN W H , LIU P J , LIU Y , et al. A temperature-induced conductive coating via layer-by-layer assembly of functionalized graphene oxide and carbon nanotubes for a flexible, adjustable response time flame sensor[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 353, 115- 125.

41
王姗迟, 潘嵩玥, 孙俊玲, 等. 热阻型氧化石墨烯基火灾早期预警传感器的研究进展[J]. 材料导报, 2023, 37(24): 22010297.

Wang S C , PAN S Y , SUN J L , et al. Research progress in graphene oxide-based thermo-resistance sensors used for early fire warning[J]. Materials Reports, 2023, 37(24): 22010297.

42
HE X , FENG Y T , XU F L , et al. Smart fire alarm systems for rapid early fire warning: Advances and challenges[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 450, 137927.

43
DU C L , XU Y , YAN C T , et al. Facile construction strategy for intrinsically fire-safe and thermal-insulating bio-based chitosan aerogel[J]. Sustainable Materials and Technologies, 2024, 39, e00794.

44
SHI Y T , XU Y , XU K , et al. Fire-resistant and thermal-insulating alginate aerogel with intelligent bionic armor for exceptional mechanical and fire early-warning performance[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 498, 155181.

45
SRIDEVI S , SUTHA S , KAVITHA L , et al. Physico- chemical and biological behaviour of biogenic derived hydroxyapatite and carboxymethyl cellulose/sodium alginate biocomposite coating on Ti6Al4V alloy for biomedical applications[J]. Materials Chemistry and Physics, 2020, 254, 123455.

46
LUO Z H , NING H X , ZHOU X Y , et al. Efficient flame-retardant biomass aerogel endowed with graphene oxide interconnected networks for ultrasensitive fire warning[J]. Materials Letters, 2022, 318, 132237.

47
WICKLEIN B , KOCJAN A , SALAZAR-ALVAREZ G , et al. Thermally insulating and fire-retardant lightweight anisotropic foams based on nanocellulose and graphene oxide[J]. Nature Nanotechnology, 2015, 10(3): 277- 283.

48
CAO C R , YUAN B H . Thermally induced fire early warning aerogel with efficient thermal isolation and flame-retardant properties[J]. Polymers for Advanced Technologies, 2021, 32(5): 2159- 2168.

49
LI X L , VÁZQUEZ-LÓPEZ A , DEL RÍO SÁEZ J S , et al. Recent advances on early-stage fire-warning systems: Mechanism, performance, and perspective[J]. Nano-Micro Letters, 2022, 14(1): 197.

50
CAO C F , YU B , HUANG J , et al. Biomimetic, mechanically strong supramolecular nanosystem enabling solvent resistance, reliable fire protection and ultralong fire warning[J]. ACS Nano, 2022, 16(12): 20865- 20876.

51
LUO J H , HAN S H , WANG J , et al. Effects of boric acid ester modified magnesium borate whisker on the mechanical properties and crystallization kinetics of polypropylene composites[J]. Materials, 2020, 13(7): 1698.

52
YUAN B H , WANG Y , CHEN G Q , et al. Nacre-like graphene oxide paper bonded with boric acid for fire early-warning sensor[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 403, 123645.

53
HUANG M H , TANG Z H , YANG J H . A new insight for the self-assembly of graphene oxide by hydrothermal method[J]. Diamond and Related Materials, 2019, 94, 73- 80.

54
DING Z F , DU C Y , LONG W J , et al. Thermoelectrics and thermocells for fire warning applications[J]. Science Bulletin, 2023, 68(24): 3261- 3277.

55
MINAEI S , ABDOLLAHIFAR M , SHOJAEIMEHR T , et al. Micro/mesoporous quasi-zero-dimensional AlOOH and Al2O3 nanoparticles[J]. Inorganic and Nano-Metal Chemistry, 2020, 50(3): 170- 177.

56
YANG F Z , ZHAO H D , WANG Y , et al. Flame-retardant AlOOH/graphene oxide composite coating with temperature-responsive resistance for efficient early-warning fire sensors[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2022, 648, 129326.

57
LUCEÑO-SÁNCHEZ J A , CHARAS A , DÍEZ-PASCUAL A M . Effect of HDI-modified GO on the thermoelectric performance of poly(3, 4-ethylenedioxythiophene): Poly (styrenesulfonate) nanocomposite films[J]. Polymers, 2021, 13(9): 1503.

58
ZHU Y F , ZHAO B B , CHENG Z F , et al. Efficient flame-retardant and multifunctional conductive flax fabric for intelligent fire protection and human motion monitoring[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 474, 145610.

59
CHEN S X , HE S F , LIN Q B , et al. Flexible piezoelectric sensor based on electrospinning PVDF/PVC/GO fiber composite membrane for human motion monitoring[J]. Polymer Bulletin, 2024, 81(18): 17125- 17143.

60
ZHU Y B , KONG G , CHE C S . Ultra-sensitive fan-folded thermally expandable surface reduced graphene oxide strips for fire early warning response[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2023, 669, 131478.

61
LI X L , DEL RÍO SÁEZ J S , VÁZQUEZ-LÓPEZ A , et al. Eco-friendly functional cellulose paper as a fire alarming via wireless warning transmission for indoor fireproofing[J]. Industrial Crops and Products, 2023, 200, 116805.

62
ZHU Y F , ZHAO B B , LEI L L , et al. Facile construction of a flexible smart core-sheath flax yarns with temperature- responsive resistance for ultra-fast fire-alarm response[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 471, 144718.

63
LI X L , DEL RÍO SAEZ J S , AO X , et al. Highly-sensitive fire alarm system based on cellulose paper with low- temperature response and wireless signal conversion[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134108.

64
曾令顺, 李承禹, 雒翠梅, 等. 壳聚糖/明胶/植酸复合阻燃涂料的制备及性能[J]. 北京林业大学学报, 2024, 46(7): 112- 122.

ZENG L S , LI C Y , LUO C M , et al. Preparation and properties of chitosan/gelatin/phytic acid composite flame retardant coatings[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2024, 46(7): 112- 122.

65
FANG Y C , QI D J , WU L S . Flame retardant cotton fabrics with ultra-fast and long-term fire early warning response[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 271, 132673.

66
CAO C F , YU B , CHEN Z Y , et al. Fire intumescent, high-temperature resistant, mechanically flexible graphene oxide network for exceptional fire shielding and ultra-fast fire warning[J]. Nano-Micro Letters, 2022, 14(1): 92.

67
LIU C H , CHEN C C , GUO Z W , et al. Self-powered fire alarm system with layer-by-layer graphene oxide/chitosan nanocoating of flame-retardant nanofilms[J]. Advanced Materials Technologies, 2023, 8(21): 2300914.

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