汤龙程教授团队在Composites Part B: Engineering报道了一种新型智能阻燃预警涂层

近日，我院汤龙程教授团队在智能阻燃预警领域取得新进展，相关研究成果以题为“Color adjustable, mechanically robust, flame-retardant and weather-resistant TiO₂/MMT/CNF hierarchical nanocomposite coatings toward intelligent fire cyclic warning and protection”发表于材料类一区期刊 Composites Part B: Engineering (IF=13.1)上。

随着现代易燃材料的广泛使用，聚合物泡沫、纺织品和木材等户外火灾事故频发，造成相当大的财产损失和人员伤亡。在前期工作中，我们报道了基于氧化石墨烯（GO）在火焰下的快速热还原和Si-C协同阻燃机理和Ti₃C₂T_X MXene基网络中的火灾循环报警行为，但是，尽管这些基于GO或MXene的火灾报警材料已被证明是有效的，但仍然存在一些关键问题。首先，所有基于GO或MXene的火灾预警材料都表现出固有的深黑色性质，这限制了在许多领域的可能应用，例如户外装饰和油漆。此外，合成纳米填料的成本相对较高、制备工艺复杂以及有害溶剂的使用也是大规模生产的障碍。GO的易燃烧和单一火灾报警行为以及MXene片在室外环境中的快速室温氧化行为不适合制造可靠且稳定的火灾报警材料和传感器。因此，开发一种低成本、环保、易规模化、颜色可调、耐候性好、火灾循环预警灵敏、满足户外基本要求的火焰预警材料仍然是一个严峻的挑战。

近日，我院汤龙程教授团队报道了一种绿色、经济高效的大规模制备水基3D-二氧化钛/2D-蒙脱石/1D-纤维素纳米纤维（TiO₂/MMT/CNF）纳米复合涂层的策略，通过简单的机械共混法和低温诱导自组装法，提供了一种具有主动火灾预警和被动阻燃防护的绿色纳米复合涂料。在本研究中，TiO₂网络可为暴露于火焰后价带（VB）和导带（CB）之间的电阻跃迁提供火灾警报信号，无机MMT填料可以提高网络的阻燃性和结构稳定性，而纤维素和PEG分子的加入可以得到具有良好机械性能的自支撑纸，该TiO₂/MMT/CNF交联网络在刚性木材和软质织物基材上表现出可调节的颜色、良好的机械灵活性（折叠成千纸鹤形状）、出色的阻燃性能以及稳定的循环报警性能。

研究中，通过导线将Ti₃M₁CP纳米复合薄膜、报警灯和电源串联，形成一个简易的火灾报警传感器。与纯木材/涂有商业油漆的木材相比，该Ti₃M₁CP涂层不仅赋予木材优异的阻燃性，还提供了循环且灵敏的火灾报警能力。实验数据表明，TiO₂/MMT/CNF交联网络不仅能实现快速（<3.5 s）的电阻转变，还能在不同时间的火焰攻击下维持稳定可重复的电阻变化循环。其中，相较于其他配比的薄膜， Ti₃M₁CP薄膜的响应时间最快。

往涂料中引入红、黄、蓝三种颜色的颜料，经过硅烷改性处理即可获得具有颜色可调的TiO₂基纳米复合涂料，且可进行大规模生产，得到大尺度样品。该大尺度木板不仅表现出优异的耐燃性，而且能够产生快速（<5 s）的火灾报警和重复的火灾报警响应。此外，颜色可调的大规模纳米复合涂层具有出色的环境可靠性，在室外曝晒一年后仍能保持原有颜色。更重要的是，这种硅烷处理的TiO₂/MMT/CNF纳米复合涂层在各种复杂天气条件下暴露一年以上后，仍能保持敏感稳定的火灾循环报警响应，展示了可重复使用和耐候性的循环火灾报警响应，为潜在的户外应用提供了可能。

该论文第一作者为2021级硕士生沈焱彬，共同第一作者为2019级硕士生毕业生俞柯欣，通讯作者为杭州师范大学汤龙程教授，杭州师范大学为第一单位。该工作得到国家自然科学基金和浙江省科技重点项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111159