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《麻省理工科技评论》报道我校王玉忠院士团队防火阻燃研究成果

访问量:发布时间:2023-01-31

编者按:近日,《麻省理工科技评论》以《“冷门”方向坚持30余年,川大王玉忠院士团队研发聚合物燃烧分析系统,造出温光双响应的火灾探测器》为题报道我校化学学院王玉忠院士团队防火阻燃研究成果。全文如下:

2021617日,是付腾至今难以忘记的一天。

那天,在中国传统村落最多的地级行政区——贵州黔东南州,他带着自己参与研发的火灾探测器,加入了这场实战化演练,来自黔东南州16个县(市)共计200余人一同在场观摩。

| 演练现场(来源:资料图)

演练中,付腾和参研同学提前备好4栋木房子,在里面分别安装火灾探测器和市面上买来的商用火灾探测器,然后把它们全部烧掉(黔东南州消防救援支队全程提供安保措施)。

他们想看看自己造出来的火灾探测器,是否能在真实火灾发展的极早期阶段发挥作用,以及是否比商用火灾探测器的性能更好。

付腾表示:当天的场面非常震撼,我离木屋30米开外都能感到极为强烈的热辐射,边上还有大量的有毒烟雾。虽然自己是做阻燃与火灾探测研究的,但也是第一次亲眼看到不受控火灾的火场,这让我更真切地体会到,一定是要把火灾遏制在更早的阶段。

火灾发展到一定程度之后,根本无法灭掉,只能眼睁睁看着它烧完。这让付腾更深刻地意识到,我们迫切需要造出更先进、更精准的火灾探测方法。

作为我院环保型高分子材料国家地方联合工程实验室的研究员,付腾和所在团队希望在火灾最早期,就能让探测器发挥作用,为火灾防控筑下第一道防线。

(来源:Advanced Functional Materials

打造世界首台套聚合物燃烧过程实时在线分析系统

过去一百年左右,烟雾探测器、感温探测器、火焰探测器、视频型火灾探测器等诸多探测器陆续被发明,它们主要通过监测火灾形成过程中的信号比如烟雾、温度、明火等进行预警。

随着人们生活水平的提升,大家对于消防安全标准的需求也在日益高涨。与之相对的是,火灾事故的类型也悄然在发生转变。

在一些复杂场所的火灾里,比如发生在高层建筑、森林、电力和新能源、民族村寨中的火灾,使用通用型的火灾探测器,难以做到及时探测,并存在延迟报警、误报甚至失效的问题。

要实现火灾的精准探测,首先要从宏观角度认识火灾的发展历程。而付腾所在的我院王玉忠院士团队,打算重点解决易燃高分子材料导致的火灾。

在这类火灾中,易燃材料燃烧速度更快,往往会释放大量热量和有毒烟气,造成不可逆转的火灾事故。

该类火灾的形成过程一般分为以下几个阶段:

在潜伏期阶段,环境热量的积聚会造成局部环境温度升高,期间易燃材料会发生化学键的断裂;

在早期阶段,当环境温度到达易燃材料的分解温度或燃点,易燃材料会释放直径较小的烟雾颗粒和气体(一氧化碳、二氧化碳、小分子醚类和醇类等),并产生明火;

在发展阶段,随着材料的持续燃烧,环境温度继续升高,火焰发生扩散并引燃其他材料,此阶段的火灾火势小,能被轻易地扑灭;

在轰燃阶段,火情的继续扩散,会产生大量的热量和有毒烟气,扑灭火焰和人员逃生的难度更大。一旦火灾进入该阶段,将造成严重的人员伤亡和财产损失。

因此,若能在潜伏阶段和早期阶段发现火灾威胁,则可在第一时间将火势控制,把火灾产生的危害降至最低。

这里涉及的最核心问题是,在火灾潜伏期和早期,到底会产生哪些特异性的、不易被捕捉到的的痕量致灾信号?

要解决上述问题,首先要了解高分子材料的真实燃烧过程。此前,学界已采用诸多手段和仪器,模拟了高分子材料燃烧过程中的物理化学变化,但是大部分手段/仪器都是在模拟燃烧

付腾表示:在易燃高分子材料导致火灾的研究上,我们团队已有30多年的积累。我们发现通过模拟燃烧的方法,所得到的高分子材料燃烧行为与机制的结论,往往存在遗漏、不准确甚至是错误之处。因此,之前人们对于材料真实燃烧过程的认识不够深刻,实现准确的火灾探测更是难上加难。

基于此,我院王玉忠院士和团队创制了世界首台套聚合物燃烧过程实时在线分析系统,来对高分子材料的真实燃烧过程进行分析,借此解析特定场所的火灾潜伏期与极早期的致灾机制,并探索期间到底会产生哪些特异性的信号。

随后,他们设计出一些智能响应材料、器件与装置,这些设备具有超前精准的探测预警能力,能对火情实现快速识别和瞬时响应。

| 王玉忠院士(来源:资料图)

课题组还表示:我们在进行火情判定时,构建了基于机器学习算法的预测模型,并采集大量的实验数据以用于模型优化与迭代。可能正是这些工作,让最近一篇论文在刚发表之后,就被 Wiley Hot Topics 的人工智能与机器学习专题收录。

| 付腾(来源:资料图)

以树叶变色变化为灵感,造出多款火灾探测器件

对于付腾来说,他所参与的这一系列研究可以追溯到 2018 年。当时他还在读博,他和所在团队看到火灾频发的现状,意识到研发专用型的火灾探测器的必要性。

后来,植物树叶随季节或温度变化而改变颜色的现象,给他们带来了启发。随着季节变化,叶子从绿色过渡到黄色、红色、橙色或棕色,这是因为植物叶绿素的代谢分解;而叶绿素之所有拥有颜色,则由于其分子结构中含有卟啉环。

以此为灵感,课题组设计出一款邻苯二腈分子传感器,能在潜在火灾的高温下发生智能变色,从而释放颜色变化的信号。

通过智能变色传感器与图像识别技术的交叉融合,他们还造出一种火灾探测预警器件,其具有火情可视化的功能。借此,该团队还提出一种实时在线探测预警技术,可被用于潜在火灾的极早期、以及火灾的早期阶段。

为了把这一系列成果从基础研究推向实际应用,他们从易燃物的真实燃烧机制这一课题做起,研制出一种燃烧分析仪器,破译了易燃物在真实燃烧情况下的特异性信号。

接着,该团队又造出两款火灾探测器件,一是温光双响应的火灾探测器(由宋玄博士完成),二是潜伏期火灾探测器(由程炜博士、邓泽鹏博士和杨阳博士完成)。

可以说,这些工作正是瞄准实际需求,旨在解决火灾探测面临的易误报、报警不及时甚至失效的问题。目前,该团队已推进、并初步验证了此次成果的应用能力。

如前所述,他们设计的温光双响应火灾探测器和高灵敏的氨气探测器,优先考虑了民族村寨尤其是西南民族村寨(民族村寨多集中在西南地区)的应用场景。

西南民族村寨受地形地势所限,一般依山就势而建,房屋鳞次栉比、连成片状,不仅建筑密度大,而且建筑防火间距严重不足。

同时,当地居民有自己的民族习惯和特色,比如村寨中经常进行篝火晚会,祭祀时则要烤火,同时还会经常使用火塘。

在这种情况下,感烟火灾探测器无法发挥作用,多次在篝火晚会或使用火塘时发出误报,因此当地老百姓并不想用这种探测器。

此外,西南民族村寨的居民建筑多采用木制结构,屋内纺织用品则以及当地民族服饰、以及羊毛或皮革为主。

为此,课题组制备一种二氧化钒基火灾探测材料,结合近红外光发射和接收模块,构建了可用早期火灾的探测装置,并协同长短期记忆循环神经网络算法同步解调耦合信号,实现环境异常温度/明火的快速识别与火灾成因准确判定。

针对屋内纺织用品,该团队造出了高性能的氨气传感材料与火灾探测器件,具备响应快、检测限低、灵敏度高等优势,可以监测羊毛或皮革等在热解阶段产生的特异性痕量氨气体,进而快速识别潜伏期的火灾威胁。

(来源:Advanced Functional Materials

在非热门方向坚持 30 多年

后续,他们将开发更多种类的专用型火灾探测器,给特定复杂场所(比如森林火灾、电网火灾、新能源火灾等)的火灾探测提供新的装置。

详细来说,他们打算使用自研的聚合物燃烧实时在线分析系统,获取更多种材料在真实燃烧过程中的物理化学变化,并挖掘易燃材料在发生火灾的潜伏期以及极早期产生的痕量信号。

另一方面,在获得易燃材料的真实燃烧机制与特征致灾信号的基础上,他们将进一步优化火灾探测器,并把已开展应用示范的火灾探测器推动到实际应用中,争取在更多场所进行试用/使用,逐渐迭代成商品化的火灾精准探测器件。

(来源:Advanced Functional Materials

阻燃不算是热门方向,正如王玉忠院士所言:这是一个法律法规驱动的行业,因为材料的阻燃通常既提高了成本,又破坏了其他性能。如果没有法律法规要求,很少有用户愿意使用阻燃产品,因此阻燃科技工作者必须能研究开发出高性价比的高效阻燃技术和产品,而要实现这一点难度非常大,必须从基础研究做起,从源头突破。

付腾表示:王玉忠老师在这一难度大、非学界热点但却是国民经济和社会发展重大需求的领域,已经坚持了 30 多年。他告诉我们知识分子既要仰望星空、紧跟时代,也要有坐冷板凳的定力。我想,正是因为脚踏实地的科研精神,才让川大的阻燃研究逐渐在全球科研范围内形成引领地位。

参考资料:

1.Advanced Functional Materials, 2022, 202210251, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210251

2.Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2208131, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208131

3.Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1806586,  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806586

麻省理工科技评论链接:

https://www.mittrchina.com/news/detail/11558

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