成果简介
本文，台湾中央大学Yiin Kuen Fuh等研究人员在《Adv Mater Technol》期刊发表名为“Self-Powered Fire Alarm System with Layer-by-layer Graphene Oxide/Chitosan Nanocoating of Flame-Retardant Nanofilms”的论文，研究开发了一种自供电火灾报警系统，利用类似三明治的自供电火灾传感器（SSFS）和一个简单的系统来预防房间火灾。自供电火灾传感器体积小、阻燃，可方便地安装在家具或门上。自供电火灾传感器使用由聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）纳米纤维和柔性印刷电路板（FPCB）构成的纳米发电机，通过收集运动能量产生电能。这种纳米发电机可在几分钟内为电容器充满电，并产生 6.47V的最大电压输出。SSFS还采用了两种涂有氧化石墨烯 (GO) 的阻燃三聚氰胺泡沫 (MF)，以及通过逐层技术（LBL 技术）制造的壳聚糖多层纳米涂层。当遇到高温情况时，MFs的电气状态会从绝缘变为导电，从而在大约4 秒钟内触发火警灯。
这种类似三明治的设计使 SSFS 能够应对各种火警情况，尤其是在火警传感器的顶部和底部都暴露在火焰中的情况下（双边火势燃烧）。利用这种类似三明治设计的火警传感器来减少火警延迟时间，是一项创新性研究。纳米发电机可以在初始触发后保持警报工作22秒，这产生了足够的时间来确保人们远离火源。总之，这项研究提出了一种新的方法，通过使用压电纳米发电机（PENG）获取运动能量的轻型自供电火灾报警系统来降低建筑火灾的风险。
图文导读
图1、a） SSFS的夹层式设计示意图。b） SSFS 的数字图显示为俯视图和侧视图。c） 压电层的四个工作步骤和示意图。
图2、a） SSFS阻燃结构的工艺。b）阻燃热敏机理的结构。
图3、a） SSFS主体安装在门上的数字图，b）椅背，c）柜子。d） 自供电火灾预警系统的电路，包括SSFS的主体。e） 示意图显示了火焰从 SSFS 所附着的木墙的火灾情况和电阻开关行为测试的实验图。f） 示意图显示了火焰从 SSFS 所附着的木墙（双边火灾燃烧）两侧的火灾情况，以及电阻开关行为测试的实验图。
图4、a) 在 FPCB 上直接写入纳米纤维的 NFES 技术设备，以及油改性多孔 PVDF-TrFE 纳米纤维的横截面和表面的扫描电镜图像。b) 压电纳米发电机的电压输出-时间曲线。c) FPCB 铜电极上的单层 PVDF-TrFE 纳米纤维阵列的扫描电镜图像。d) 油改性 PVDF-TrFE 纤维多孔结构的扫描电镜图像。
图5、a） 燃烧后纯MF和20层MF的数字和SEM照片。b） 热像仪测量20层MF的火焰攻击测试。c） 5、10、15、20层MF触发时间和连续报警时间的条形图。d） 5、10、15、20层MF火焰攻击测试截图。
小结
总之，我们报告了火灾传感器领域中一种新颖的 SSFS 分层设计。纳米发电机部分由 PVDF-TrFE 纳米纤维、FPCB 和封装的 PDMS 层构成。它可以实现自供电目的，这意味着该系统不需要额外的电源。最大 Voc 和 Isc 分别为 6.47 V 和594nA。SSFS 电阻匹配的最佳电阻为 14.9MΩ，代表 806 nW 的最大功率输出。上述结果表明，自供电系统可以自行为电路的电容器充满电。然而，另一个重要部分是 SSFS 的最外层覆盖了 GO/CTS-MF。这 20 层 MF 具有优异的机械性能，如柔韧性和韧性，适合作为 PENG 的基底。
另一方面，GO 的热敏特性和CTS残炭层的阻燃性能使 MF 成为应对火灾事件的绝佳火灾传感器。其最快的火灾响应时间接近4秒，RGO网络在火焰攻击下的导电路径可维持22秒。由于 SSFS 的触发温度在木材着火温度范围内，因此 SSFS 适用于专门检测和应对与木制品有关的火灾事件。三明治式设计能够处理火灾情况，其中火焰直接从连接传感器的木墙产生。在这种情况下，可以有效地减少火灾响应时间的延迟。SSFS的三明治式分层结构具有自供电能力和快速的火灾警报响应，将为避免房间或建筑物中的火灾情况提供新的应用和概念。
文献：https://doi.org/10.1002/admt.202300914
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