火灾预警防火涂层能够实现主动预警响应和被动防火保护双重作用，相比于需要安装在特定位置的传统火灾探测报警器，涂层传感材料与火焰的接触面积大大增加，在提高预警效率和可燃材料火灾安全性能方面具有重要的应用价值。从传感材料热致响应特性角度出发，探讨了电阻型和电压型涂层的火灾预警机制，阐释了涂层的3种防火机理；综述了近年来基于传感材料，如氧化石墨烯、碳纳米管、金属氧化物、MXene等的各类涂层在火灾预警与防火性能方面的研究和应用现状，指出火灾预警防火涂层性能比较单一，需赋予其疏水、疏油、自愈合等多种性能以实现涂层的多功能化，开发大尺寸涂层制备技术以实现市场化生产，结合人工智能技术以实现更高水平的预警防火应用，最后对其未来发展趋势进行了展望。

 

大量可燃材料（如纤维、泡沫、木材等）被广泛应用于建材建工、航空航天、家具装饰等领域。然而，这些材料大多具有易燃性，容易被点燃，存在极大的消防安全隐患；此外，这些材料无法对火灾下的环境变化做出响应，需要依靠外界预警系统实现火灾报警，而常见传统火灾报警器往往反应较慢（>100 s）且耐久性较差，难以在火灾发生时实现早期预警并提供持续预警信号。为了减少火灾事故的发生并降低其危害后果，采用高效可行的火灾预警与防火措施十分必要。目前，功能性涂层在火灾预警与防火领域备受关注。将防火涂层应用于可燃基材表面可实现防火效果，同时引入功能性分子或基团实现对外界温度变化智能响应，从而实现高效火灾预警。火灾预警防火涂层是具备主动火灾预警与被动防火保护双重作用的功能性涂层，能在火灾进一步蔓延前触发预警信号，并有效隔离基体与燃烧区，为提高材料火灾安全性能提供了新思路。火灾预警防火涂层的发展现状如图1所示。

 

 

 

图1　火灾预警防火涂层

Fig.1　Fire warning and fire retardant coatings

 

1、涂层火灾预警机制与防火机理

 

1.1 涂层火灾预警机制及其分类

 

智能火灾传感材料能够响应外界环境变化并将温度信号转化为电信号，对于构建火灾预警涂层至关重要。依据传感材料热致响应特性的不同，可将涂层分为两大类：（1）电阻型火灾预警涂层。该类涂层常与外部电源和报警器相连以构成火灾探测和预警传感装置。其在常温下通常表现为电绝缘状态或导电性能较差，无法形成导电通路，在高温或火焰作用下其电阻急剧减小，预警电路被接通，实现火灾响应。（2）电压型火灾预警涂层。根据塞贝克效应，当该类涂层内部存在温度梯度时，其中的载流子从热端向冷端迁移并富集，从而在材料内部形成电势差，产生电信号，实现高效可重复火灾预警。

 

1.2 涂层防火机理

 

涂层的防火机理主要分为三类：（1）凝聚相防火。在基材表面形成物理屏障以抑制热量和气体的传递，或通过催化炭化作用以延缓火焰蔓延速度；（2）气相防火。受热分解产生自由基清除剂以减缓链式反应，或受热释放惰性气体以稀释可燃组分，从而达到防火效果；（3）凝聚相与气相协效防火，同时结合物理屏障、催化炭化和稀释效应等，进一步增强材料的火灾安全性能。

 

2、 火灾预警防火涂层的研究进展

 

2.1 电阻型火灾预警防火涂层

 

在高温或火焰作用下电阻明显降低是此类涂层实现预警的关键。科研人员广泛研究氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）、金属氧化物、MXene等材料在电阻型火灾预警防火涂层中的应用。

 

2.1.1 GO基电阻型火灾预警防火涂层

 

GO在高温下发生热还原反应，从常温下的电绝缘状态快速转变成导电状态，接通预警电路，实现火灾报警。GO基涂层能实现凝聚相与气相协同防火，有效减缓火势蔓延。Yang等制备了基于壳聚糖（CS）和GO 的预警防火涂层并应用于三聚氰胺（MF）泡沫上，在火焰作用下（600~800 ℃），该涂层5 s内即可触发预警信号，同时生成致密炭层阻碍热量和热解产物的传递以延缓火势蔓延。复合材料的峰值热释放速率（PHRR）与MF相比下降了55.49％，显示出良好的防火效果。

 

鉴于GO 发生热还原所需温度较高（400 ℃以上），对早期火灾相对低温的环境反应迟缓，因此构建低响应温度且高度敏感的GO基涂层对于实现超早期火灾预警尤为必要。Zhang等制备了基于3-（甲基丙烯酰氨）丙基三甲氧基硅烷（MPMS）、L-抗坏血酸（LAA）和GO的复合涂层。MPMS和LAA的协同作用促进了GO在异常温度下的热还原反应，使得该涂层在热分解阶段表现出较低的响应温度（120 ℃），能够实现超早期火灾预警。

 

GO基涂层在实际应用中也面临一些技术难题。首先，在火灾的全盛阶段（>800 ℃），GO易进一步发生热分解，破坏其导电通路，削弱其持续报警能力；其次，GO的热致电阻变化为不可逆过程，无法实现重复火灾预警，因此在火灾发生后需要及时更换涂层，这增加了其实际应用成本。

 

2.1.2 CNTs基电阻型火灾预警防火涂层

 

CNTs多为凝聚相防火，通过热降解形成交联网状结构，进一步提高炭层致密度和强度，增强防火效果。但其在常规条件下具有导电性能，直接用于火灾预警传感时可能导致误报或响应不灵敏，因此对其进行适当的预处理来适度增加其电阻以实现更精准可靠的火灾响应尤为必要。

 

引入氨基是对CNTs 进行功能化预处理的有效方法之一。Zhu 等将聚磷酸铵（APP）与氨基功能化碳纳米管（ACNTs）相结合，采用层层自组装法制备了预警防火涂层。在高温或火焰作用下，ACNTs迅速脱除氨基官能团，并在基材表面形成致密连续炭层，涂层电阻急剧降低，在2 s内触发预警信号。

 

引入聚合物修饰CNTs 也可实现高效火灾预警。Xia 等利用炭黑-聚合物颗粒（CB@KF）和CNTs制备了一种火灾预警防火涂层并涂覆于棉织物上。该涂层在高温或火焰下形成致密炭层，有效抑制了热解产物的扩散。与纯棉织物相比，该复合织物的极限氧指数（LOI）从18％升高到25％，表明其具有良好的防火性能。此外，炭层将CNTs 和炭化CB@KF相连形成连续的导电网络，使涂层在4 s内即可触发预警信号。

 

为了赋予CNTs 在高温环境下的负温度系数效应，可通过功能化修饰引入绝缘基团或聚合物以应用于火灾预警与防火领域。然而，此过程使CNTs加工处理较困难，难以实现大规模生产。此外，CNTs由于其独特的结构和形态易发生团聚现象，如何使其在涂层中分散均匀以形成连续的导电路径仍然是亟需解决的挑战之一。

 

2.1.3 金属氧化物基电阻型火灾预警防火涂层

 

金属氧化物能在基材表面沉积形成火灾预警防火涂层，具有良好的凝聚相抑烟隔热效果，能有效提高基材的火灾安全性能。但金属氧化物柔性较差，难以单独成为涂层，常与黏接剂（如胶体）共同使用，使涂层与基材之间具有良好的黏附性和结合强度。

 

Zhang等利用溶胶-凝胶法制备了基于Fe3O4和鱼鳞状银纳米片的三明治状结构火灾预警防火涂层。该涂层在常温下处于绝缘状态，接触火焰后可实现相对低温下的电阻响应（低于100 ℃）、快速火灾预警（2 s）和持续报警响应（≥15 min）。此外，该涂层具有出色柔韧性，能应用于各种复杂形状的基材，经受了包括折叠、弯曲、拉伸等多种物理形变后仍能保持良好性能，为制备可穿戴智能防火纺织品提供了新思路。

 

2.1.4 MXene基电阻型火灾预警防火涂层

 

MXene具有独特的层状结构和催化炭化能力，能有效抑制气相和固相之间的热量和物质交换，降低材料的火灾危险性。其在高温环境下可发生热氧化转变成TiO2 并产生电子跃迁，增加导电载流子密度，从而使得电阻发生明显变化。

 

Mao 等采用溶剂蒸发法，利用生物基酪蛋白（CAS）、单宁酸（TA）和MXene 制备了火灾预警防火涂层。在防火方面，TA能捕获材料燃烧产生的O·和H·自由基，并与MXene的物理屏障和催化炭化效应协同作用，从气相和凝聚相上实现高效防火。复合涂层的LOI值与CAS的相比升高了13％，表明TA和MXene具有优越的协同防火作用，为涂层能够稳定持续预警提供了保障。在火灾预警方面，该涂层具备快速火灾响应能力（982 ms），能提供持续稳定的报警信号（93 s）。当移除火焰后，由于激发载流子运动的能量消失，且导电路径被不连续的无规则炭层和晶界区阻隔，该涂层显示出从半导体到绝缘体的可逆电阻变化，并在经受7次火焰攻击后仍能预警，大大延长了其实际使用寿命。

 

2.2 电压型火灾预警防火涂层

 

电阻型火灾预警防火涂层依赖外部电源实现火灾响应，在实际应用中电池接触不良或断电等情况会影响其火灾预警的可靠性，因此迫切需要开发新型材料来实现自供电预警。MXene 和Ag2Se具有敏感的热致电压响应特性，能直接将热能转变成电能，无需外部电源即可触发预警信号，为火灾预警提供全新思路。电压型火灾预警防火涂层的研究现状如图2所示。

 

图2　电压型火灾预警防火涂层

 

Fig.2　Voltage-based fire warning and fire retardant coatings

 

2.2.1 MXene基电压型火灾预警防火涂层

 

MXene具有高电导率和灵敏的热致电压响应特性，在局部加热的情况下，该类涂层中会形成温度梯度，通过电子的定向移动产生电压信号，从而触发火灾预警。然而，MXene较窄的能带隙和较高的载流子浓度使其热电效率较低，其火灾响应灵敏度和持久性有待提高，在实际应用中需要解决这一难题以进一步提升其预警性能。

 

构建异质结构和有序层状结构是提高MXene热电效率的有效方法之一。Xie等利用MXene和纤维素改性后的聚吡咯纳米线（PPy-CS）制备了柔性火灾预警防火涂层[图2（a）]。CS的黏附作用使得PPy-CS和MXene形成稳定的异质结构和有序的层状结构，为高能载流子的迁移提供了高效可靠的运输通道，涂层表现出较高的热电效率、灵敏的火灾响应特性（1.9 s）和可重复的火灾预警能力。

 

对MXene进行掺杂改性也能有效提高其热电效率。Zeng等利用MXene、TA和CaCl2制备了一种新型预警防火棉织物[图2（b）]。由于CaCl2具有良好的离子导电性和络合性，当温差达到120 ℃时，涂层的热电电压高达3.72 mV，有望应用于多功能和智能消防服领域以实时检测消防员安全状况。

 

随着MXene与物联网技术的同时涌现，许多研究围绕着可穿戴热电传感设备来实现智能消防。但MXene的低产出效率和高生产成本在一定程度上限制了MXene 基涂层在实际研究和应用中的使用和推广。

 

2.2.2 Ag2Se基电压型火灾预警防火涂层

 

Ag2Se具有较低热导率和较高载流子迁移率，是一种理想的热电材料。但其在防火领域的研究较少，因此需要设计新型的涂层结构，将其与防火材料协效使用以进一步探究其在火灾预警防火领域中的应用。火灾预警防火涂层可仿照类皮肤结构，先在基材表面构建导电网络，使其在火灾传感中发挥与温度传感神经相似的作用，再在外围构建防火涂层，模拟表皮层以保护导电网络，提高火灾预警的可靠性和持久性。Xie等开发了一种热电、防火纳米涂层[ 图2（c）]，其中导电层由Ag2Se、银纳米线（AgNWs）和聚乙烯醇缩丁醛构成，用于实现火灾预警功能；防火层由蒙脱石（MMT）和羧甲基壳聚糖（CCS）构成，用于保护导电层免受火灾威胁。涂层能准确监控100~300 ℃区间内的温度变化，具备灵敏的火灾响应（2 s）、可重复的预警行为和优异的防火性能。人体皮肤的结构和功能为研制火灾预警防火涂层提供了新思路。

 

Ag2Se与MXene相比具有更高的热电效率，但其柔韧性和黏附性较差，难以适应复杂的曲面结构或频繁的弯曲应变，可能导致基材表面的涂层脱落或者性能下降，不利于其在柔性设备领域中的应用。通过进一步的研究和技术改进，有望克服这一难题，使Ag2Se更好地应用于火灾预警防火涂层领域。

 

3、 发展趋势

 

3.1 多功能探索

 

涂层在恶劣室外环境中容易脱落或被腐蚀，在遭受机械形变时容易发生破损，因此需要赋予涂层疏水、疏油、自愈合等多种功能，从而进一步提高涂层的稳定性、耐久性和可靠性，实现高值化利用和功能化应用，如图3所示。

 

图3　火灾预警防火涂层的发展前景

Fig.3　Prospects of fire warning and fire retardant coatings

 

3.1.1 疏水、疏油性

 

雨水、油污或有机溶剂会对火灾预警防火涂层的导电通路造成腐蚀，严重影响其火灾预警性能，因此制备具有疏水疏油性能的涂层至关重要。

 

Wang等制备了基于乙二醇二磷酸、聚苯胺和纳米银颗粒（AgNPs）的预警防火涂层并应用于织物[图3（a）]。复合织物具有灵敏的热致电阻响应特性（3 s内预警），其表面的水接触角约为158°，油接触角约为153°，表现出超双疏性和自清洁性能。同时由于硅、磷、氮的协同防火作用，涂层在高温下形成致密炭层，有效保护了AgNPs形成的导电网络，使其具有良好的稳定性。该复合织物在潮湿、油垢、高温、反复变形等各种条件下均表现出优越的导电特性，在多功能可穿戴纺织品、人体健康实时检测等领域展现出广阔的应用前景。Mao等将聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇分别构筑在MXene表面以制备复合涂层，并对其进行硅烷功能化处理[图3（b）]。处理过后的涂层结构稳定且具备超疏水性，在复杂环境下（雨天、雾霾）仍具有灵敏的火灾响应行为和可重复的火灾预警能力，展现了其在户外复杂环境中的应用潜力。

 

3.1.2 自愈合性

 

涂层在经历反复弯曲或其他机械形变时，容易发生疲劳和损毁，产生的裂纹会对其导电路径和炭层屏障造成致命破坏，严重影响其火灾预警与防火性能，因此赋予涂层自愈合性能对延长其使用寿命具有重要意义。

 

Xie等首先将脲基嘧啶酮（UPy）基团接枝到羟丙基甲基纤维素上，成功合成了功能性纤维素（FC），随后采用一步自组装法制备了GO/FC珍珠状纳米涂层[图3（c）]。涂层在火焰作用下电阻急剧下降，仅需2. 7 s即可进行火灾预警。此外，GO催化FC脱水炭化，使涂层表现出明显的防火和自熄特性。由于FC分子链上富含的UPy基团之间具有多重氢键，涂层展现出良好的水分触发自愈合能力，在40次沉积循环后，遭受过机械破坏且在潮湿环境中修复过的涂层仍可快速触发预警。Zeng等首先制备了MXene基温度传感涂层，用于实时检测外部温度变化并能在4 s内及时触发火灾预警信号；接着利用MMT和2-脲−4含嘧啶酮纤维素（UPC）在MXene基涂层表面构建自愈合防火涂层，由于UPC与MXene的多氢键相互作用，涂层可在损坏后24 h内自愈合，在一定程度上延长了涂层的使用寿命。

 

3.2 大尺寸宏量制备技术

 

目前绝大多数涂层是在实验室里制备，并在小尺寸基材应用测试中表现良好，然而，将其应用于大尺寸基材上研究实际应用性能时，结果往往不理想，因此需要开发大尺寸涂层的宏量制备技术，加快从实验室到市场的生产转变过程。例如，GO在2个电极之间迅速且完全发生热还原反应时，涂层才能发出预警信号，这严重限制了其在大尺寸基材上的实际应用。为了克服这个难题，Xie等通过喷涂技术，利用GO、AgNWs、氟化物聚乙烯醇缩丁醛（FPVB）制备了一种三明治状涂层[图3（d）]。在聚丙烯基材上仅需构筑0.1 mm的涂层，复合材料即可在0.83 s进行火灾响应，其PHRR值下降了57.6％，展现出了灵敏火灾响应能力和优异防火性能，这归功于GO的热致响应行为及GO、AgNWs、FPVB 间的协同防火作用。由于超薄夹层状结构，涂层内任意着火点两端电极的距离均保持在微米级，从而实现了大尺寸涂层（300 mm×50 mm）的制备，在交通、住房和电器等领域具有广阔的应用前景。此外，该涂层具备良好的疏水性和自清洁能力，从而有效解决了涂层吸附灰尘和耐水性差的问题。

 

3.3 智能化

 

传统火灾预警防火涂层缺乏火灾自主决策能力和远程监控功能，依赖于人工操作和传统有线连接，在火灾发生时易受到干扰且效率较低，无法实时传输火场监测数据。因此需要将涂层与新技术（如模型评估、算法预测、压力传感、无线传输、救援定位等）相结合，减少人为干预，提高检测效率，提供更快速灵活的数据处理、远程监控和定位追踪能力，实现涂层的智能化。

 

3.3.1  模型评估、算法预测

 

尽管近年来火灾预警防火涂层发展迅速，但目前尚缺乏统一的参数标准来进行相关预警性能测试评估。例如，在评估涂层的火灾预警响应灵敏度时，由于不同研究采用的触发电阻阻值和电路设计各不相同，无法进行严格准确的可比性控制测试，简单地采用火灾响应时间来对比各种涂层的预警优良性有失偏颇，因此建立一个切实可行的模型能更加全面地评估涂层的预警灵敏度，并为后期涂层优化提供重要依据。此外，模型评估可以与人工智能结合使用以提高火灾预警系统的准确性和智能化程度，利用机器学习算法分析火灾发生概率和发展趋势，从而超早期预测火灾风险，优化防控策略。

 

将涂层与模型评估和算法预测相结合，能综合考虑多种因素以提升性能评估的准确性和火灾预测的可靠性，为选择合适的涂层材料、优化火灾预警性能提供更可靠的依据。

 

3.3.2  压力传感、无线传输、救援定位

 

当火灾发生时，普通火灾预警防火涂层的功能相对不足，无法实时检测和反馈外界环境，无法实现远程数据传输和通信，更无法准确定位和追踪被困人员位置以实施精准救援；此外，涂层通常利用传统报警灯或蜂鸣器来传递预警信号，当人们受到环境干扰时视听感知相对迟钝，这对人员的及时疏散造成严重的影响。因此，涂层需要与智能技术（如压力传感、无线传输和救援定位等）相结合，实现其在智能化场景和可穿戴领域中的应用。

 

He等利用海藻酸钙、Fe3O4和AgNWs制备了一种火灾预警与防火电子纺织品，并将其与纳米摩擦发电机相结合设计了智能消防防护服[图3（e）]。通过单片机获取和传输产生的电压信号，该防护服可实现火灾场景中的数据无线传输和人员实时定位，有效提高救援效率。Wang等利用MXene和CCS制备了新型功能化涂层，并通过层层自组装法将其构建在棉织物上。基于MXene的热致电压响应特性、受压电阻响应特性、高导电性和棉织物的交错结构，复合织物表现出广域温度传感特性、灵敏的运动检测能力和可控的焦耳加热性质，为制备新型智能防火棉织物提供了新思路。

 

涂层与智能技术相结合能够更好地满足特定需求和复杂应用场景，为智能预警防火材料的研发提供了新思路和技术基础。

 

4、 结　语

 

（1）电阻型火灾预警防火涂层依赖外部电源，可与纳米摩擦发电机、热电材料等相结合以实现自供电火灾预警；电压型火灾预警防火涂层需要提高热电效率，主要考虑通过改进材料制备技术来实现；（2）需要探索新型涂层材料和结构设计，进一步优化涂层的火灾预警与防火性能，增强其火灾响应的灵敏性、持久性和可靠性；（3）需要赋予涂层多种功能（疏水疏油性、自愈合性等）以应对复杂环境，满足不同领域和应用场景的需求，提供更全面的保护和性能优化，扩展实际应用范围；（4）需要开发大尺寸涂层的制备技术，促进其市场化生产；（5）将火灾预警防火涂层与物联网智能技术联动，使其能够在智能消防、公共安全和可穿戴领域高效稳定工作。