研究背景

1、火灾危害：全球火灾频发，造成大量人员伤亡、财产损失及环境污染，密闭空间火灾因隐蔽性强、点火源难定位、蔓延快，防控难度极大。

2、现有技术缺陷：传统传感器响应滞后，灭火装置体积大、部署难；现有自响应灭火材料存在定向控制弱、响应慢、复燃风险高等问题。

3、技术突破口：微流控技术可制备单分散、结构可调的微胶囊，结合热响应机制，有望实现早期火灾精准防控。

近期，南昌大学先进制造学院陈建锋副教授、戴一川副教授等人利用非平面微流控策略，成功制备出具有可控结构与热响应特性的水基灭火微胶囊。该微胶囊在热触发下能迅速释放细水雾，并通过贴片形式实现快速灭火，兼具环境友好与高效定向释放的优势，为电气设备等狭小空间的火灾防控提供了极具潜力的技术方案。相关研究以“Size optimization of fire-extinguishing microcapsules fabricated via non-planar microfluidics and their performance study”为题目，发表于期刊《Lab on a Chip》。

本文要点：

1、本研究基于非平面微流控技术，设计了一种新型PDMS微流控装置，用于高效制备热响应型水基灭火微胶囊。

2、微胶囊以阻燃光刻胶为壳材、含4wt%SDBS的水溶液为芯材、3wt%PVA溶液为驱动相，经UV固化形成结构均一（变异系数2.28%）、壳层致密的核壳结构，其直径和壳厚可通过调节各相流速及流速比精准调控。

3、微胶囊的热响应机制为120℃时壳材玻璃化转变与芯材汽化增压同步发生，可在0.2ms内快速破裂释放细水雾，且SDBS的添加显著降低表面张力，提升雾化灭火效果。

4、依据UL94V-0标准确定最优尺寸为直径550μm、壳厚35μm，该尺寸微胶囊灭火效率最高、响应最快（1.12ms扑灭蜡烛火焰），且可通过调节胶粘剂覆盖高度实现20°-50°的水雾释放角度调控。

5、基于最优尺寸微胶囊制备的热响应灭火贴片，在1-2cm灭火距离内3秒即可有效灭火，经加速老化和振动测试后仍保持良好稳定性。

6、该水基微胶囊系统环境友好、高效低成本且具备定向释放能力，适用于锂电池、配电盒等密闭或难触及空间的早期火灾防控，为下一代灭火技术发展提供了新思路。

图1 热响应型灭火微胶囊的制备及工作原理示意图：(a) 利用流动聚焦装置通过微流控技术制备前驱体液滴；(b) 液滴在紫外光照射下发生光聚合反应，形成稳定的核壳结构微胶囊；(c) 灭火贴片的工作机制：火焰产生的热量触发微胶囊破裂，释放水基灭火剂。

图2 通过流动参数调控微胶囊形貌：(a) 不同驱动相流速（10000 μL/min 至 15000 μL/min）下的微胶囊形貌；(b) 不同内外相总流速（40 μL/min 至 140 μL/min）下的微胶囊形貌；(c) 不同内外相流速比（5:1 至 1:2）下的微胶囊形貌；(d) 对应 (a) 驱动相流速（Qf）、(b) 内外相总流速（Qi+Qo）及 (c) 流速比的微胶囊统计数据，分别标记为 (i-iii)；(e) 微胶囊完整状态与破裂状态的扫描电子显微镜（SEM）图像；(f) 傅里叶变换红外（FTIR）光谱结果；(g) 不同内外相流速比（1:2、1:1、2:1）微胶囊的热重分析（TGA）结果。比例尺：500 μm。

图3 水基微胶囊的破裂特性及细水雾释放行为：(a) 观测微胶囊破裂过程的实验装置示意图；(b) 不同时间点破裂覆盖面积的三维轮廓图；(c) 微胶囊破裂覆盖面积的时间变化规律；(d) 不同粘贴位置下的三维破裂轮廓对比；(e) 水雾释放角度与粘贴位置的关系。

图4 高速相机捕捉的蜡烛火焰灭火过程：水基微胶囊响应明火释放细水雾，有效扑灭火焰后产生烟雾。比例尺：1 mm。

图5 尺寸与壳厚对水基微胶囊灭火及破裂特性的影响：(a) 不同环境温度下微胶囊直径与破裂响应时间的关系；(b) 不同温度下不同壳厚微胶囊的破裂响应时间；(c) 粒径范围与流速比对微胶囊结构完整性的影响；(d) 火焰功率与有效灭火所需微胶囊直径的关系及灭火过程；(e) 不同尺寸微胶囊破裂覆盖面积的三维轮廓图；(f) 微胶囊直径与破裂覆盖面积的关系。

图6 热响应灭火贴片的制备与应用：(a) 热响应灭火贴片的制备流程示意图；(b) 热响应灭火贴片性能评价的实验装置示意图。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5LC01058F

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