基于石墨烯和硝化纖維素的溫度報(bào)警傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，曼徹斯特大學(xué)（The University of Manchester）的Jiashen Li博士等研究人員在ACS Applied Materials & Interfaces上報(bào)道了一種使用多層石墨烯和硝化纖維素制備的可調(diào)諧溫度報(bào)警傳感器，可有效監(jiān)測(cè)早期高溫風(fēng)險(xiǎn)。

早在2018年，中科院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的熊志超等研究人員就報(bào)道了一種使用基于超長(zhǎng)羥基磷灰石納米線和氧化石墨烯的耐火無(wú)機(jī)紙作為涂層材料制造的火災(zāi)報(bào)警壁紙。在復(fù)合紙、報(bào)警燈和報(bào)警蜂鳴器之間設(shè)置了電氣連接，以在相對(duì)較高的實(shí)驗(yàn)溫度下實(shí)現(xiàn)不到2秒的即時(shí)響應(yīng)。

低電阻率溫度系數(shù)材料在某些領(lǐng)域起著十分重要的作用，例如高精度電子測(cè)量?jī)x和微電子集成電路領(lǐng)域。

之前的這些研究以及對(duì)溫度傳感器的類(lèi)似研究表明，石墨烯和氧化石墨烯由于其具有高電子遷移率、優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高機(jī)械性能和高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可用作溫度報(bào)警傳感器的有效材料。

這些研究大多只側(cè)重于利用氧化石墨烯還原機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，而沒(méi)有關(guān)注其他類(lèi)石墨烯材料。

近日，曼徹斯特大學(xué)Jiashen Li博士等研究人員將石墨烯的導(dǎo)電性和硝化纖維素的絕緣性結(jié)合起來(lái)，制備了一種新型火災(zāi)報(bào)警傳感器。

（a）基于石墨烯/硝化纖維素復(fù)合材料的溫度報(bào)警器的制備過(guò)程示意圖；（b）硝化纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和石墨烯/硝化纖維素復(fù)合物的分子結(jié)構(gòu)示意圖。

雖然石墨烯/硝化纖維素膜在正常情況下保持電絕緣，但在高溫下會(huì)瞬間導(dǎo)電。一旦遇到火焰攻擊，硝化纖維素在高溫下會(huì)迅速分解并導(dǎo)致其電阻發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，從而使報(bào)警傳感器從電絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訉?dǎo)電狀態(tài)。

通過(guò)將LED報(bào)警燈連接到石墨烯/硝化纖維素傳感器，可以在火焰攻擊或異常高溫環(huán)境下提供超快的報(bào)警響應(yīng)和早期火災(zāi)預(yù)警信號(hào)。

此外，這些傳感器的響應(yīng)溫度和靈敏度可以通過(guò)石墨烯和硝化纖維素的比例來(lái)調(diào)節(jié)，以在不同的火災(zāi)易發(fā)情況下發(fā)生反應(yīng)：硝化纖維素含量每增加1%可使響應(yīng)溫度提高約1.8°C。

硝化纖維素的熱分解反應(yīng)只需要熱量，因此報(bào)警傳感器能夠在無(wú)氧或真空環(huán)境中穩(wěn)定工作。

研究人員認(rèn)為，這種火災(zāi)報(bào)警器還拓寬了化學(xué)改性纖維素和石墨烯復(fù)合材料在具有智能響應(yīng)行為的溫度誘導(dǎo)電阻轉(zhuǎn)變傳感器中的應(yīng)用，這為其在高火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)檢查中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)方面的公共安全應(yīng)用提供了一個(gè)有前景的概念。

論文信息：

Wenyuan Wei， Yangpeiqi Yi， Jun Song， Xiaogang Chen， Jinhua Li， and Jiashen Li. Tunable Graphene/Nitrocellulose Temperature Alarm Sensors. ACS Applied Materials & Interfaces， 2022， 14 （11）， 13790-13800.

DOI： 10.1021/acsami.2c02340

審核編輯 ：李倩