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我院王玉忠院士团队在火灾超前精准预警方面取得新进展

访问量:发布时间:2022-08-29

现代社会的快速发展带来了巨大的火灾安全隐患。火灾探测是抵御火灾危害的第一道防线,是变“被动灭火”为“主动防火”,防火于未燃的有效措施;及时发现火情并处置,能大幅降低火灾危害,减少财产损失和人员伤亡。火灾的形成可以分为潜伏期、早期、成长、轰然和完全发展阶段(图1),目前大多数火灾探测器通常是对火灾早期、发展和轰然阶段所产生的异常温度,烟雾颗粒以及火焰光进行监测,然而当产生这些信号时,往往不可逆的灾害已经发生。

1 典型火灾的发展历程

由我院王玉忠院士创建的环保型高分子材料国家地方联合工程实验室,长期致力于解决火安全问题,并提出了火灾超前精准预警技术:实时在线分析易燃物(尤其是高分子)的真实燃烧过程,破译特定场所的火灾潜伏期与极早期的致灾信号,并针对性设计可快速识别火灾致灾信号(异常温度、明火、烟雾、气体等)的智能响应材料、传感器与装置,进而实现火灾精准探测预警。相关技术比现有火灾预警技术预警更为精准、迅速,为解决特定场所的火灾探测难题提供新的科学借鉴。

在对大量高分子材料的热解/燃烧过程进行实时在线分析后,团队发现氨气(NH3)是某些含氮元素高分子在热解阶段(≈266~417 °C,此时高分子材料未产生烟雾和明火)释放的特征气体;其在正常环境中几乎不存在,因而是一种理想的潜伏期火灾示踪气体,可用于实现特定场景潜伏期火灾的探测预警(图2)。

2 特定场景潜伏期火灾预警示意图

团队利用二维材料Ti3C2Tx MXeneMoS2构筑肖特基异质结,设计制备了具有超快响应速度(3 s @100 ppm),低检测限(最低检测浓度200 ppb),高灵敏度(81.7% @100 ppm10.2% @200 ppb)的高性能氨气传感材料,并构建火灾探测器件(latent-fire-detecting olfactory system, LFOS);进一步以自制的潜伏期火灾模拟装置,构建缓慢升温分解和暴露于高热辐射分解的潜伏期火灾场景(图3),研究LFOS对典型可燃材料(羊毛与泡沫,常用于纺织品和建筑内墙)的响应性能。相较于商用氨气探测器和烟雾探测器,LFOS能快速的检测到火灾的威胁,实现了潜伏期火灾预警。

3 潜伏期火灾模拟装置与LFOS的响应性能

该研究工作以“A Latent-Fire-Detecting Olfactory System Enabled by Ultra-Fast and Sub-ppm Ammonia-Responsive Ti3C2Tx MXene/ MoS2 Sensors”为题发表于Advanced Functional Materials,实验室博士研究生由程炜为论文第一作者,宋飞教授和付腾特聘研究员为通讯作者。该工作得到科技部国家重点研发计划(No. 2020YFD1100702)和NSFC国家重大科研仪器研制项目(51827803)等项目的资助。

全文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202208131

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