在人类文明史上，火灾一直是造成人员伤亡和重大财产损失的可怕灾难。消防人员在救灾中始终要面临着巨大的危险。然而，作为保护他们安全最不可或缺的装备，消防服在隔绝高温的同时也会使消防员无法及时感知环境温度变化并及时逃离危险。因此，火灾报警材料以及具有温度传感特性的装置常被安装在防护服中，以检测环境温度并提醒救援人员。然而，目前火灾报警材料往往功能单一并且面临着缺少热防护、阻燃和力冲击防护的问题。多孔聚合物海绵天然具有轻便、热绝缘、力学稳定和适合大规模生产等优点，使其高度适用于可穿戴人体力/热防护领域。
鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队研发出了一种集轻质、热绝缘、阻燃和力冲击防护性能于一体的海绵基火灾报警传感器。首先通过高温发泡法制备了具有剪切变硬特性的SSE-EVA海绵骨架，剪切变硬弹性体(SSE)的引入提高了复合海绵的抗冲击性能。同时由于大量孔隙的存在，复合海绵同样表现出出色的热绝缘性能。随后，将阻燃剂和氧化石墨烯(GO)引入到海绵骨架，制备出优异阻燃性能的火灾报警材料(FGSE)。该FGSE海绵能够在长时间的火焰燃烧下保持稳定。同时，在火焰激励下电阻迅速降低最终实现报警，提醒消防人员。这种火灾报警海绵为发展下一代多功能火灾报警设备提供了新的思路。
相关研究成果以“Flame-retardant, lightweight, and multiple safeguarding fire alarm sponge for firefighter safety detection”为题，发表在国际期刊《Chemical Engineering Journal》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生梅桂林，通讯作者为龚兴龙教授与王胜副教授。
【FGSE海绵的设计与表征】
FGSE海绵使用高温发泡方法制备。该海绵内部具有丰富的孔隙结构，因此具有低密度优点。并且由于海绵骨架的存在，其具有出色的拉伸变形能力，使得其可以更好地贴合人体。同时，经历多次冲击载荷后仍然能够保持结构完整性。
图1 FGSE 海绵的制备与性能
【复合海绵的动态力学性能】
由于剪切变硬材料的引入和多孔骨架的存在，复合海绵材料在缓冲方面表现出色，且在30-80℃范围内抗冲击力学性能稳定。相比于其他工程材料，相同冲击条件下复合海绵表现出优越的缓冲效果和较低的冲击力峰值。
图2 复合海绵的抗冲击性能
由于其稳定的骨架结构，复合海绵即使在90%的压缩下仍然表现出显著的恢复能力。此外，得益于SSE的剪切变硬特性,当应变速率从0.01s-1增加到0.1s-1时，多孔复合海绵的压缩应力也表现出明显的应变率强化效应。
图3 复合海绵的拉伸和压缩力学行为表征结果
【复合海绵的热性能和阻燃性能】
复合海绵的多孔骨架具有较少的固体传热通道，气体对流和热传导都能够被有效隔离。厚度为3mm的复合海绵在不同温度环境下的红外透过率均低于10%,展现了其有效的热辐射屏障能力。同时，在100℃高温环境下，复合海绵表面的饱和温度显著降低且时间明显延迟。
图4 复合海绵的热防护性能
通常，大多数聚合物材料都是易燃的。因此，提高聚合物材料的阻燃性能对于其在高温和火焰环境下的应用具有重要意义。通过EG和APP的协同阻燃，复合海绵的阻燃等级达到了V-0级别。相比于未加阻燃剂的纯海绵，其可燃气体和有害气体的释放量都大幅下降，证明其在高温环境下的安全性。
图5 复合海绵的阻燃性能
进一步地，通过XSP元素分析、SEM图像和热重分析等方法对阻燃机理进行研究。明显地，添加了阻燃剂的复合海绵呈现出分层结构。黑色部分为EG膨胀形成的柱状结构，白色部分主要成分为SiO2。分层结构形成了一个阻隔氧气和热量的屏障，实现高效的协同阻燃。
图6 复合海绵的阻燃机理
【FGSE 海绵的火灾响应特性及其应用】
高温环境下FGSE海绵的电阻迅速下降并稳定，表现出明显的热响应特性。此外，在酒精灯加热下，电阻在7.1s内从绝缘状态下降到104Ω。基于此，设计了一种可穿戴式火灾报警装置，实现了无空间距离限制的远程传感信号传输功能。
图7. 火灾响应特征和远程火灾传感器预警
本工作通过将 EG、APP、SSE和EVA混合发泡研制了一种新型阻燃FGSE，实现了抗冲击、热绝缘、火焰保护和温度传感。由于其多孔的SSE/EVA结构，复合海绵在形状稳定性和抗冲击能力方面得到了显著改善。此外，通过EG骨架、SiO2层和APP热解的多尺度协同作用，复合海绵具有非凡的阻燃性能。此外，基于GO的FGSE海绵作为火灾报警材料可以在火灾中连续报警。基于此开发了一种可穿戴的多通道无线火灾报警系统。本研究为提高火灾检测能力和增强防火服多功能防护提供了一种可行的策略。
原文链接：
Guilin Mei, Sheng Wang, Zimu Li, Wenhui Wang, Zhihao Hu, Yuan Hu, Xinglong Gong. Flame-retardant, lightweight, and multiple safeguarding fire alarm sponge for firefighter safety detection. Chemical Engineering Journal, 513: 162905 (2025). DOI: 10.1016/j.cej.2025.162905.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162905.
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