一种火灾预警用阻燃型织物传感器及其制备方法

本发明属于柔性电子材料，涉及一种火灾预警用阻燃型织物传感器及其制备方法。

背景技术：

1、织物传感器是一种将电子功能集成到纤维或纤维集合体中的技术，利用其柔性的特点，基于力或应变施加时产生的电阻或电容的变化以收集传感信息，可应用于医疗健康、运动监测、智能防护等领域。棉织物是一种良好的织物传感器基底材料，可提供较好的柔性和透气性，但其易燃性也常常带来火灾隐患。

2、现有技术通常使用粘合剂、涂层、吸附沉积等物理方法或通过化学键合的方式将阻燃剂附着于织物表面，对棉织物进行阻燃处理，尽管棉织物经过阻燃处理后可以提供一定程度的防火保护，但它们通常无法提供短时间的火灾预警。火灾事故不仅会造成财产损失，还对环境产生不良影响，现有的阻燃材料与火灾报警探测器通常为独立的两个部分，不能同时实现阻燃和火灾报警的作用。

3、专利cn106884317a公开了一种阻燃织物及用于阻燃织物的阻燃胶以及阻燃胶的制备方法，由水性白乳改性乳液、水溶性高分子增稠剂、发泡剂、稳泡剂、硼酸锌、无卤磷氮氨系阻燃粉、软化水组成阻燃胶，将该阻燃胶应用于织物能够提高其阻燃性能。但是该专利制备的阻燃织物并不能提供短时间的火灾预警。

4、因此，探究一种阻燃织物传感器，不仅具有阻燃功能，还能提供短时间的火灾预警具有重要意义。

技术实现思路

1、为研发一种具有阻燃功能和短时间火灾预警的阻燃织物传感器，本发明提供一种火灾预警用阻燃型织物传感器及其制备方法。该阻燃型织物传感器包括棉织物基底、传感层和阻燃层，传感层由氨基化碳纳米管组成，阻燃层由聚磷腈微球和聚氨酯组成。本发明的阻燃型织物传感器具有较好的热稳定性、较低的火灾危险潜力和较好的抗燃性。本发明的阻燃型织物传感器在接触火焰后的2s内即可实现报警，并且通过在不同位置设置探测器，还能进一步监控火源的位置。

2、为实现本发明的技术目的，一方面，本发明提供一种阻燃型织物传感器，包括棉织物基底、传感层和阻燃层，传感层由氨基化碳纳米管组成，阻燃层由聚磷腈微球和聚氨酯组成。棉织物基底选用平纹棉织物、斜纹棉织物、缎纹棉织物、起毛棉织物、雅麻棉织物中的一种，氨基化碳纳米管选用单壁氨基化碳纳米管、多壁氨基化碳纳米管中的一种。

3、另一方面，本发明请求保护一种阻燃型织物传感器的制备方法，包括：

4、s1：将六氯环三磷腈溶解在乙腈或四氢呋喃中，得到2～10g/l六氯环三磷腈溶液；称取二元酚化合物和缚酸剂分别用乙腈溶解，得到5～15g/l二元酚化合物溶液和175～200g/l缚酸剂溶液，常温下超声10min后，将二元酚化合物溶液和缚酸剂溶液加入六氯环三磷腈溶液中，混合于100ml单口烧瓶，超声反应3h，得到悬浊液；将悬浊液于8000r/min，离心10min，去除上清液，加入10ml无水乙醇，8000r/min，离心10min，去除上清液后将沉淀物于60℃烘箱干燥3h，得到聚磷腈微球。

5、s2：将s1得到的聚磷腈微球倒入水性聚氨酯中，超声10min分散均匀，得到含有聚磷腈微球的聚氨酯分散液，聚磷腈微球的浓度为1～20g/l。

6、s3：将棉织物用5wt％的碱液超声处理2h，于60℃烘箱干燥12h，得到预处理后的棉织物；将其浸渍于ph为7.6的含有1～30g/l氨基化碳纳米管的分散液中2～30min，于60℃烘箱干燥1h，得到表面涂覆传感层的棉织物。

7、s4：将s3表面涂覆传感层的棉织物浸渍于s2的含有聚磷腈微球的聚氨酯分散液中2～30min，于60℃烘箱干燥1h，得到具有传感层和ppz阻燃层的织物传感器。

8、进一步地，本发明提供的制备阻燃型织物传感器的方法中，二元酚化合物选自4,4'-二羟基二苯砜、4,4-二羟甲基丁酸、对苯二酚、双酚a中的任意一种，缚酸剂为三乙胺，六氯环三磷腈和二元酚化合物的摩尔比为0.086:0.252，每30mg六氯环三磷腈使用2ml缚酸剂。

9、进一步地，本发明提供的制备阻燃型织物传感器的方法中，s3中的浸渍和烘干为一个传感层浸渍循环，s4中的浸渍和烘干为一个阻燃层浸渍循环，调整传感层浸渍循环和/或阻燃层浸渍循环的次数，得到涂覆不同层数传感层和/或不同层数阻燃型的阻燃织物传感器，传感层浸渍循环次数为至少一次，阻燃层浸渍循环次数为至少三次。

10、进一步地，本发明提供的制备阻燃型织物传感器的方法中，水性聚氨酯的固含量为20～60％，粘度为1000～3000cps；碱液为碱金属氢氧化物溶液、碱土金属氢氧化物溶液中的一种。

11、另一方面，本发明请求保护上述阻燃型织物传感器在火灾报警装置中的应用。

12、进一步地，本发明制备的阻燃型织物传感器在火焰攻击下1.2s内的电阻变化率下降了99％，将其应用于火灾报警装置，能够在接触火焰后2s内实现报警，并且在阻燃型织物传感器的不同位置上加装探测器还能监控火源的位置。

13、还有，本发明请求保护上述阻燃型织物传感器在阻燃产品中的应用。阻燃产品包括防火阻燃服、防火阻燃帐篷、防火毯。

14、进一步地，相比于未处理的棉织物，本发明的阻燃型织物传感器热稳定性、抗燃性更优，火灾危险潜力更低。

15、具体地，本发明通过热重曲线和热重微分曲线发现，随着浸渍次数的增加，阻燃型织物传感器的最大热分解梯度从初始的365.8℃变化到326.5℃，织物传感器的热稳定性得到提高。

16、具体地，本发明通过热释放效率曲线发现，未经处理的平纹棉织物的热释放效率为273.08kw/m2，添加了一个传感层和三个ppz阻燃层的cfw-30热释放效率为112.87kw/m2，放热速率峰值和总放热速率显著降低，表明ppz阻燃层的增加显著降低了织物传感器的火灾危险潜力。

17、具体地，本发明通过极限氧指数曲线发现，随着ppz阻燃层的增加，织物传感器的极限氧指数显著增加，ppz阻燃层达到3层时织物传感器的极限氧指数为27.3％，显著增加织物传感器的抗燃性。本发明通过垂直燃烧试验发现，未经处理的平纹棉织物在10s内燃尽，在随后的闷烧过程中完全碳化；随着ppz阻燃层的增加，织物传感器的燃烧时间从cfw-10的13s逐渐增加到cfw-30的24s，增加了织物传感器的抗燃性。

18、与现有技术相比，本发明提供的技术方案至少具备下述的有益效果或优点：

19、本发明的阻燃型织物传感器具有较好的热稳定性。本发明通过热重曲线和热重微分曲线发现，随着浸渍次数的增加，阻燃型织物传感器的最大热分解梯度从初始的365.8℃变化到326.5℃，织物传感器的热稳定性得到提高。聚磷腈(ppz)在纤维素分解中起到了催化作用，经过纤维素的分解以及由涂层形成的固态炭层，提高了织物传感器的热稳定性。

20、本发明的阻燃型织物传感器具有较好的抗燃性。本发明通过极限氧指数曲线发现，随着ppz阻燃层的增加，织物传感器的极限氧指数显著增加，ppz阻燃层达到3层时织物传感器的极限氧指数为27.3％，显著增加织物传感器的抗燃性。本发明通过垂直燃烧试验发现，未经处理的平纹棉织物在10s内燃尽，在随后的闷烧过程中完全碳化；随着ppz阻燃层的增加，织物传感器的燃烧时间从cfw-10的13s逐渐增加到cfw-30的24s，增加了织物传感器的抗燃性。由于织物传感器在燃烧过程中ppz被热解为磷酸和多磷酸，催化了cfw中纤维素的碳化，含有磷、氮和硅的碳层作为物理屏障，抑制氧气和热量传递，增加了织物传感器的抗燃性。

21、本发明的阻燃型织物传感器火灾危险潜力较低。本发明通过热释放效率曲线发现，未经处理的平纹棉织物的热释放效率为273.08kw/m2，添加了一个传感层和三个ppz阻燃层的cfw-30热释放效率为112.87kw/m2，放热速率峰值和总放热速率显著降低，表明ppz阻燃层的增加显著降低了织物传感器的火灾危险潜力。

22、将本发明的阻燃型织物传感器应用于火灾报警装置中，具有较优的响应速度，还能够监控火源的位置。本发明制备的阻燃型织物传感器在火焰攻击下1.2s内的电阻变化率下降了99％，这是由于ppz在凝聚相中形成的碳残留物与多壁氨基化碳纳米管结合，迅速形成导电炭层。将其应用于火灾报警装置，能够在接触火焰后2s内实现报警，并且在阻燃型织物传感器的不同位置上加装探测器还能监控火源的位置。