基于海藻酸钠/丝素纳米纤维的柔性薄膜传感器在火焰环境中实时监测环境温度与人员呼吸的研究

为解决天然聚合物在火灾环境中阻燃性和热稳定性不足的问题，研究人员开发了一种由丝素纳米纤维(SNF)、海藻酸钠(SA)和植酸(PA)组成的柔性薄膜传感器(SSGP)。该传感器通过溶液浇铸和自组装策略制备，具有高机械强度(11.01 MPa)、优异阻燃性(LOI 38%)和热稳定性，能在50-125°C温度范围内实现灵敏可逆响应(GF=10.8)，并在火焰暴露2.2秒内触发警报。同时，其对湿度变化(22-94% RH)和呼吸监测的响应/恢复时间仅0.76秒/1.01秒，且具备生物降解性(30天降解39.8%)。该研究为钢铁厂、消防救援等极端环境下的实时监测提供了新型解决方案，拓展了天然聚合物在多功能传感器中的应用前景。

　　

在环境监测和健康管理领域，柔性传感器因其轻量化、高灵敏度和表面适应性成为研究热点。然而，传统合成材料存在成本高、生物相容性差等问题，而天然聚合物虽具环保优势，却因机械性能弱、阻燃性差难以应用于极端环境。特别是在钢铁冶炼、火灾救援等高温场景中，亟需能实时监测环境温度与人员生命体征的可靠传感器。这一需求催生了基于生物质材料的新型传感器研究。

中国的研究团队通过创新性地组合海藻酸钠(SA)、丝素纳米纤维(SNF)和植酸(PA)，开发出全生物基柔性薄膜传感器SSGP。该研究采用溶液浇铸与自组装策略，构建了具有三维交联网络的复合薄膜。通过引入石墨烯(GN)增强导电性，最终获得的材料不仅具备优异的力学性能(拉伸强度11.01 MPa)，其极限氧指数(LOI)达38%，远高于常规聚合物。研究证实该传感器能在50-125°C宽温域内稳定工作(灵敏度系数GF=10.8)，对火焰攻击可在2.2秒内触发警报，且能持续监测22-94%相对湿度范围内的呼吸频率变化。相关成果发表于《Carbohydrate Polymers》，为天然聚合物在极端环境传感中的应用开辟了新途径。

关键技术包括：1) 蚕茧脱胶制备SNF；2) SA/SNF与PA的离子交联；3) GN的均匀分散复合；4) 通过极限氧指数测试(LOI)和锥形量热分析评价阻燃性；5) 采用电化学工作站测试温湿度响应性能。

材料设计与相互作用
通过FTIR和XPS分析证实，PA中的磷酸基团与SA/SNF的羟基/氨基形成强氢键网络，GN的加入使电导率提升至功能性传感水平。这种多级交联结构使薄膜在燃烧时能形成致密炭层，实现自熄效果。

机械性能与热稳定性
SSGP的拉伸模量达11.01 MPa，较纯SA膜提高近8倍。TGA显示其在300°C以下保持稳定，800°C时残炭率高达34.7%，归因于PA促进的成炭作用和SNF的氮系阻燃协同效应。

火焰响应性能
垂直燃烧测试表明SSGP具有自熄性，LOI值达38%。在酒精灯火焰(约500°C)直接作用时，电阻在2.2秒内骤降99%，触发警报系统。这种快速响应源于高温下PA分解产生的磷酸促进GN网络重构。

温湿度双重监测
温度传感测试显示，SSGP在50-125°C区间呈现线性电阻变化，温度系数(TCR)为-1.08%/°C。湿度监测中，其对呼气/吸气循环的响应/恢复时间仅0.76秒/1.01秒，优于多数报道的天然基传感器。

环境降解性评估
土壤埋置实验显示，SSGP在30天内降解39.8%，主要归因于微生物对SA/SNF的分解。GN和PA的残留部分仍保持结构完整性，避免二次污染。

该研究成功构建了首例基于SA/SNP的全生物质柔性多功能传感器，其突破性体现在三方面：1) 通过分子设计实现阻燃性/传感性的统一，解决了天然聚合物在极端环境应用的瓶颈；2) 开发出同时具备温度/湿度/火焰响应的集成化传感平台；3) 为战场救护、工业安全等特殊场景提供了可降解的监测方案。值得注意的是，SSGP在持续燃烧60秒后仍能维持警报功能，这种"火中生存"特性使其在消防救援领域具有独特价值。研究还发现，PA的添加量超过5wt%会导致薄膜脆化，提示未来需优化交联度与柔性的平衡。这些发现为开发下一代环境友好型智能传感器提供了重要参考。