【分析】受植物代谢启发的极早期火灾探测预警技术

火灾是威胁公众安全的主要灾害之一。在火灾形成时，易燃材料快速燃烧，释放大量热量和有毒烟气，造成不可逆转的火灾事故。如何有效地预防火灾是造福人类发展的重要议题。相比于火灾发生后的灭火救援，开发火灾智能预警技术及使用阻燃材料可变“被动灭火”为“主动防火”，防火于未燃，是从根本上预防和杜绝火灾发生的有效措施。

现有的感温和感烟预警技术主要是通过热量辐射或烟雾颗粒到达传感材料来触发警报，易受使用环境影响而产生误报和延迟预警（>100 s），且无法提供着火材质、着火点、火焰大小强弱等信息，无法为消防人员分析火情并快速确定灭火救援方案提供可靠帮助。图像型探测技术受限于其检测信号（仅能检测明火或烟雾），即必须在火灾发生后才能进行预警，无法检测到极早期潜在火灾的高温信号，仅能进行早期火灾的探测预警，不能真正做到防火于未燃。工业场所和公共场所，尤其是一旦火灾发生将造成不可逆转危害的场所（如发电站、核电站、化工厂、危化品仓库、博物馆及商场等）的火灾提前预警问题更是亟待解决。

四川大学王玉忠教授团队一直致力于研发安全可靠的阻燃材料及先进智能的火灾探测预警技术以解决火灾安全难题。最近，该团队受到自然界中的植物叶绿素的代谢和其分子结构的启发，设计了可在潜在火灾的高温下发生智能变色，释放颜色变化信号的分子传感器（Precursor Molecular Sensor，PMS），并制备了火灾探测预警器件，通过智能变色传感器与图像识别技术的交叉融合，发展了一种具有火情可视化功能，可防火于未燃的实时在线极早期潜在火灾和早期火灾的探测预警技术，可实现20 s内潜在火灾高温响应报警（275 °C）和3 s内明火预警（预警技术示意图如图1所示）。

图1. 火灾探测预警技术示意图

植物体内叶绿素的合成与分解代谢受到外界环境（光、温度等）的影响，并导致植物叶片发生颜色变化。受此启发，作者设计出可在高温下发生化学结构转变，形成与叶绿素结构类似的酞菁环结构的邻苯二腈作为分子传感器PMS（图2a）。PMS可在高温下形成酞菁环，并发生变色（图2b）。

图2.（a）分子传感器的设计灵感，（b）分子传感器的高温变色过程

研究发现，在约180 °C时，部分PMS发生化学结构变化并形成酞菁环，PMS的颜色从白色变为绿色；而在更高的温度下，部分PMS会形成氮掺杂的炭，颜色从绿色变为黑色。PMS从白色变成绿色的温度（180 °C）远高于室温，且低于大多数化合物（化学品、木材、聚合物材料等）的自燃温度。PMS分子传感器在正常应用温度下稳定，但会引发火灾的异常高温下发生智能变色，释放变色传感信号，这一特性赋予了PMS火灾探测预警功能。

图3. PMS的高温智能变色机制

将PMS混入乳胶漆中即可制备火灾探测预警器件（图4a），在275 °C（潜在火灾高温）的模拟实验中，该器件可以响应高温，并产生变色信号，肉眼约2 min可以观测到明显的变色（图4b）；进一步将高温智能变色器件与图像识别技术结合，设计可捕获器件变色信号和可探测潜在火灾的智能识别算法并编写预警APP程序（图5）。图像识别算法的引入不仅极大地缩短了变色信号的识别时间（图6）还具有在线远程监控预警功能。该火灾探测预警器件可在20 s内探测到潜在火灾（275 °C）以及3 s内明火预警。

图4.（a）火灾预警器件的制备示意图，（b）潜在火灾高温模拟实验

图5. 变色传感器与图像识别算法交叉结合实现火灾探测预警

图6. 图像识别与肉眼观测的响应时间比较

该项研究得到国家自然科学基金重点项目（21634006）等项目的资助，实现了智能传感器与图像识别技术的交叉融合，发展了新一代火灾探测预警器件的制备方法，推动了早期/极早期火灾预警技术的发展，为城市公共安全监测预警提供了新手段。这一成果发表在Advanced Functional Materials 上，该文的第一作者是四川大学化学学院、环境与火安全高分子材料省部共建协同创新中心的博士研究生付腾。

该论文作者为：Teng Fu, Xi Zhao, Lin Chen, Wan‐Shou Wu, Qing Zhao, Xiu‐Li Wang, De‐Ming Guo, Yu‐Zhong Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Bioinspired Color Changing Molecular Sensor toward Early Fire Detection Based on Transformation of Phthalonitrile to Phthalocyanine

Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201806586

环境与火安全高分子材料省部共建协同创新中心简介

本文的通讯作者是“环境与火安全高分子材料省部共建协同创新中心”的负责人王玉忠院士，该中心是教育部认定的首批59个省部共建协同创新中心（不含军民融合类6个）之一，是由四川大学牵头，组织了清华大学、中国科学技术大学、北京理工大学、北京工商大学、青岛大学、昆明理工大学、中国科学院宁波材料研究所、国家应急部四川消防研究所、中国民航二所等7所高校、3家科研院所，与国内7家相关行业龙头企业和25家长期合作的企业组成了一个从基础研究到应用技术开发及产业化的产学研用协同创新联合体。

该协同创新中心旨在通过以国家和行业的重大需求为导向、以院校和科研院所为创新源头和技术先遣队、以行业代表性企业为技术开发和产业化主力军的协同创新模式，在生物基高分子材料、生物降解高分子材料、高分子材料循环利用、高分子材料的火安全和卫生安全等领域开展系统的创新研究，实现成果转化，有效解决一些制约行业发展的关键技术和行业重大需求，促进相关的化学、化工、材料、环境等学科的发展、创新能力的提高和人才培养，提升我国在相关领域的研究实力和国际竞争力，也为解决国防领域的火安全问题提供技术支撑，促进军民融合。

王玉忠

https://www.x-mol.com/university/faculty/12765

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