《Sustainable Materials and Technologies》：Bionic cork barrier based on instantaneous fire-triggered graphite expansion: Towards integrated active-passive fire protection for high-rise buildings
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火灾防护材料创新研究通过超临界氮气发泡技术制备智能阻燃弹性体泡沫，模仿栎树 cork层的牺牲性防御机制，形成隔热碳层有效降低峰值热释放率72.0%和烟雾生成率77.4%，氧指数提升93.6%，同时利用膨胀石墨热膨胀触发电流变化实现2400秒持续火灾警报。
作者：宋少康、刘雅、赵英杰、张振秀
单位：中国山东省青岛市青岛科技大学橡胶与塑料重点实验室，教育部
摘要
随着城市化的加速，高层建筑面临日益严峻的消防安全挑战，尤其是高密度人口、难以疏散以及火势蔓延迅速所带来的严重生命威胁，这迫切需要新型防火材料，这些材料需要结合高效的被动防护和智能的主动预警功能。为了克服现有系统的局限性，本研究借鉴了Quercus suber（栓皮栎）软木层的程序性牺牲防御机制，提出了一种创新的主动-被动结合的防火策略。通过利用可膨胀石墨（EG）在受热时的膨胀作用形成生物启发的烧蚀碳层，并借助伴随发生的显著物理变化，采用超临界N?发泡技术成功制备了一种轻质、柔韧、高隔热性能且具有超强防火能力的智能热响应阻燃弹性体泡沫（IHFEF）。与对照组相比，IHFEF的峰值热释放率（PHRR）降低了72.0%，峰值烟雾产生率（PSPR）降低了77.4%，同时极限氧指数（LOI）提高了93.6%。当暴露在1200°C的丁烷火焰下180秒时，该泡沫保持了结构完整性，并有效将背面温度控制在187°C以下，展现了其卓越的被动热屏障性能。此外，利用EG膨胀引起的电导率变化，该材料还具备智能火灾报警功能，报警持续时间超过2400秒。这种独特的“感知-预警-防护”集成响应机制突破了主动与被动防火的传统界限，为显著提升高层建筑的消防安全和延长安全疏散时间提供了极具前景的解决方案。
引言
在快速城市化和土地资源日益紧张的双重压力下，高层建筑因其空间利用效率极高而成为缓解人口集中的关键解决方案[[1], [2], [3]]。其规模和垂直高度在全球范围内持续扩大。然而，这种建筑形式本身存在重大的安全隐患，尤其是消防安全方面[4]。高密度人口加上狭窄且容易拥堵的垂直逃生通道意味着此类建筑中的火灾可能导致火焰和有毒烟雾的快速蔓延，这些情况常常使传统的灭火措施失效，严重缩短了安全疏散时间，对生命构成严重威胁[5]。因此，开发具有革命性防火性能的新建筑材料至关重要。这类材料必须显著提升高层建筑在极端火灾条件下的被动安全性能，有效延长安全疏散时间，并大幅减少人员伤亡。这一目标构成了重大的科学和技术挑战。
尽管目前主流的高层建筑防火材料和防护系统在结构安全方面发挥着重要作用，但它们的局限性仍然明显[6,7]。例如，膨胀型阻燃涂层和无机防火板主要侧重于提高结构部件在标准火灾测试中的耐火等级，本质上是通过延缓火势蔓延和结构破坏来提供被动防护[8,9]。关键在于，这些材料通常缺乏早期火灾检测和主动预警的能力。同时，一些新兴的智能防火材料（如基于碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）或特定导电聚合物的传感器）可以提供早期报警功能[[10], [11], [12]]。然而，它们的耐火性能往往不足；在实际火灾场景中的高温和直接火焰作用下，它们容易迅速降解和失效，从而阻碍持续报警信号的传递[13,14]。而这种持续信号正是确保大规模人员安全疏散和有效灭火决策的关键信息。例如，郭等人通过将聚氨酯（PU）泡沫涂覆磷酸铵和氧化石墨烯（GO）开发了一种火灾报警系统，但由于阻燃效果不足，报警持续时间仅为20秒[15]。
为了解决这一核心挑战，自然界中的牺牲防御机制为材料设计提供了深刻启示，Quercus suber（栓皮栎）的软木层就是一个典型例子[16]。这种结构通过程序性细胞死亡和特殊细胞的栓皮化过程形成了轻质而坚固的多孔防护屏障。可膨胀石墨（EG）将这一生物学原理成功应用于材料科学中，作为“人工软木细胞”在基体材料中，在热攻击下发生类似栓皮化的膨胀过程，形成生物启发的碳层[17,18]。这种“人工软木”层不仅具有出色的烧蚀抵抗力，提供长期的结构保护，其膨胀过程中伴随的显著物理变化（如体积急剧增加、电阻率跳跃）还可以被巧妙地用于构建智能火灾报警系统（IFAS）[19,20]。孙等人利用EG显著提高了PU泡沫的阻燃性能（极限氧指数从24.3%提高到33.4%），并设计了一种可将报警持续时间延长至1800秒的IFAS[10]。
基于这一原理，本研究提出了一种主动-被动结合的防火策略。利用创新的超临界N?发泡技术，制备了一种轻质、柔韧、高隔热性能且具有超强防火能力的智能热响应阻燃弹性体泡沫（IHFEF）。该材料具有优异的阻燃性能，能够形成坚固的被动热屏障，同时设计为高精度的火焰传感器，实现准确的早期预警。因此，这一设计突破了主动与被动防火的传统分离，将智能的“感知-预警-防护”响应机制整合到了单一材料系统中。
材料
乙烯丙烯二烯单体（EPDM，品牌3722）由陶氏公司（中国）提供。纯度为99.99%的氮气（N?）由青岛德海伟业有限公司（中国）提供。双(1-(叔丁基过氧)-1-甲基乙基)苯（BIPB）、氧化锌（ZnO）、硬脂酸（SA）、密度为0.827–0.890 g/mL、粘度大于36 mm2/s（40°C）的石蜡油、炭黑N330（CB）和三烯丙基异氰尿酸酯（TAIC）均可商业购买。此外，还使用了粒径为5 μm的铝二乙基磷酸酯（ADP）。
机械性能
图1b展示了IHFEF的柔韧性和轻质特性，表明该材料不仅易于放置在各种表面上，还可以定制成不同的尺寸和形状。图1c和d展示了IHFEF的机械性能变化。添加40 wt%的ADP后，其拉伸强度显著提高至2.21 MPa。
结论
受Quercus variabilis软木层牺牲防御机制的启发，通过超临界N?发泡技术制备了一种轻质、柔韧且高隔热性能的IHFEF。该材料的创新之处在于其主动-被动结合的防火系统。加热时，EG形成坚固的仿生炭层，该炭层与ADP的气相阻燃作用和PAPP的炭形成能力协同作用，共同提升了防火性能。IHFEF有效降低了火灾时的峰值热量和烟雾产生。
作者贡献声明
宋少康：负责撰写初稿、方法论设计、实验研究及概念构思。刘雅：负责审稿与编辑、数据可视化、资金筹措及概念构思。赵英杰：负责项目监督、资源调配及数据管理。张振秀：负责数据可视化、验证、项目监督及数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024QE446）的支持。
