【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料制备与传感的，具体涉及一种结构生色材料及火灾早期预警系统及火灾早期预警方法。
技术介绍
1、火灾作为威胁人类财产和生命安全的重要隐患，其早期预警对火灾的控制和减少人员伤亡和财产损失至关重要。目前火灾预警主要通过可燃物燃烧产生的烟雾、可燃性分解物等进行预警，预警主要发生在材料燃烧之后，对火灾的预警不利。在建筑物、电器、电线等处的起火多数是材料的局部过热引起材料变形，进一步升温达到材料着火点，材料燃烧引发火灾。因此，开发用于早期材料升温过程的非明火的早期火灾预警材料，具有重要意义。目前已有专利(cn 109191763)使用颜色变化实现火灾预警的报道，但是所有的材料颜色对比度、传感器的灵敏度和适用的温度范围均未明确报道。
2、本专利技术基于结构生色材料在材料升温的热变形过程，制备了具有结构色的光子晶体涂层、贴片，适用于不同材料升温过程的非明火预警。结合现有的摄像技术，制备了用于火灾早期预警的非接触式、多重报警火灾预警传感器，通过摄像头监测结构生色涂层、贴片的颜色变化，通过视频监控即可在监视端如电脑、报警器等处实现材料高温预警，进而将火灾预警时间提前，达到预防火灾的目的。
3、本专利技术公开了一种红绿灯式结构生色涂层、贴片等制备方法，并据此制备了高灵敏火灾预警传感器，其制备过程主要包括结构生色涂层的制备、结构生色贴片的制备、以及火灾预警传感器的制备方法。相对传统方法，本专利技术的火灾报警器基于绿色到红色的转变，这种转变类似红绿灯的原理，不论是肉眼还是传感器取色，其颜色对比度更大，传感器的灵敏度
技术实现思路
1、本专利技术的目的之一在于提供一种结构生色材料，能够在升温过程中发生明显的颜色变化，可用于制备火灾早期预警领域。
2、本专利技术的目的之二在于提供一种火灾早期预警系统，能够通过简单的监测生色单元的颜色变化情况预知基体材料的温度变化情况，具有灵敏度高、响应及时的特点，进而达到火灾的早期预警的目的。
3、本专利技术的目的之三在于提供一种火灾早期预警方法，方法简单，易于实现，具有灵敏度高、响应及时的特点。
4、本专利技术实现目的之一所采用的方案是：一种结构生色材料，包括单分散纳米粒子、添加剂和高吸光度纳米粒子，其中单分散纳米粒子主要为硫化锌、二氧化硅、氧化锌、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或者多种；添加剂主要为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚甲基烯酸丁酯中的一种或者多种；高吸光度材料主要为炭黑、炭黑纳米粒子、石墨烯、mxene、碳纳米管、聚多巴胺等黑色的纳米粒子中的一种或者多种。
5、优选地，所述单分散纳米粒子的质量百分数为10％-99％、添加剂的质量百分数为0.1％-20％、高吸光度纳米粒子的质量百分数为0.005％-10％。
6、优选地，所述单分散纳米粒子的粒径为：100-800nm。
7、优选地，通过水热法、溶胶凝胶法、聚合法中的任意一种方法合成单分散的纳米粒子，调控反应温度、溶剂含量、各物质的用量，最终制备的纳米粒子粒径范围主要为：100nm-800nm，其多分散指数pdi≤1.4。
8、具体的调控反应温度为60～80℃，溶剂的质量百分数含量为10％-30％。
9、本专利技术实现目的之二所采用的方案是：一种火灾早期预警系统，生色单元、监测单元、采集单元、处理单元和警报单元；
10、所述生色单元涂覆或者贴合于基体表面，用于感应基体受热膨胀导致的形变并产生颜色变化；
11、所述监测单元监测生色单元的实时颜色变化，监测数据通过采集单元传输至处理单元处理单元通过分析采集的rgb或cmyk颜色参数的变化，控制报警器是否发出警报。
12、其中，所述生色单元为如权利要求1-3中任一项所述的结构生色材料制备的结构生色涂层或结构生色贴片，将所述结构生色涂层涂覆于待监测基体表面或者将所述结构生色贴片贴附于待检测基体表面。
13、优选地，将单分散纳米粒子、添加剂、高吸光度纳米粒子分散在溶剂中，通过蘸涂、喷涂、旋涂中的任意一种方式涂覆到基体表面，干燥即可；所述结构生色贴片的制备方法为：将单分散纳米粒子、添加剂、高吸光度纳米粒子分散在溶剂中，通过蘸涂、喷涂、旋涂中的任意一种方式涂覆到贴片的一侧，另一侧设置粘胶层。所述贴片的材料主要为：聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂等中的一种或多种，其为热膨胀系数大于50ppm(室温-200℃)的塑料。
14、优选地，溶剂主要为水、乙醇、四氢呋喃、甲醇、丙醇、二甲基亚砜中的一种或者多种，所述结构生色材料分散液中溶剂的质量百分数含量为30％-99％。
15、优选地，当基体为塑料、工程塑料时，生色单元采用结构生色涂层，当基体材料热膨胀系数较小时，生色单元处采用结构生色贴片。
16、具体的，当基体为聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、环氧树脂、尼龙、聚苯醚酯、纤维素、聚胺酯等时，生色单元采用结构生色涂层；当基体为铁、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、陶瓷、玻璃、石墨材料、不锈钢等时，生色单元处采用结构生色贴片。
17、本专利技术实现目的之三所采用的方案是：一种火灾早期预警的方法，包括以下步骤：
18、(1)将权利要求1-3中任一项所述的结构生色材料制备的结构生色涂层或结构生色贴片贴合于待检测基体表面作为生色单元；
19、(2)确定监测区域，安装监测单元，实时监测生色单元的颜色；
20、(3)采集实时监测的生色单元的颜色传输至处理单元；
21、(4)处理单元全程捕获rgb值或cmyk值的变化并计算，与设置的阈值进行比较，通过报警单元进行火灾预警。
22、优选地，材料变色后，当采用rgb值进行计算时，具体阈值b值变化大于等于20，g值变化大于等于30，r值变化范围为32～50；当采用cmyk值进行计算时，具体阈值c值变化范围为20～30，m值变化范围为0～90，y值变化范围为90～95，k值变化范围小于5。
23、单分散纳米粒子在基底材料表面形成长程有序、短程有序等结构，进而使得基体材料具有鲜艳的颜色。在基底材料受热升温时，其链运动使得上述涂层材料之间的间距增大，再升温基底材料进入涂层间隙，最终引起材料颜色的变化，进而实现火灾早期预警。
24、基底材料主要为：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、环氧树脂板、聚碳酸酯等热塑性材料中的一种或者多种，若待检测设备本身具有较好的热变形能力，可直接作为基底材料，在其表面构筑结构生色涂层。
25、针对热变形不明显或者热膨胀系数低的材料(如金属、陶瓷、聚四氟乙烯等)，制备一种结构生色贴片，贴片的基体材料为本身具有较好热变形能力的材料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、环氧树脂板、聚碳酸酯等热塑性材料中的一种或者多种，该贴片可粘贴到待检测材料表面，上述结构生色涂层或者贴片在升温过程中能够快本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种结构生色材料，其特征在于：包括单分散纳米粒子、添加剂和高吸光度纳米粒子，其中单分散纳米粒子主要为硫化锌、二氧化硅、氧化锌、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或者多种；添加剂主要为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚甲基烯酸丁酯中的一种或者多种；高吸光度材料主要为炭黑、炭黑纳米粒子、石墨烯、MXene、碳纳米管、聚多巴胺等黑色的纳米粒子中的一种或者多种。
2.根据权利要求1所述的结构生色材料，其特征在于：所述单分散纳米粒子的质量百分数为10％-99％、添加剂的质量百分数为0.1％-20％、高吸光度纳米粒子的质量百分数为0.005％-10％。
3.根据权利要求1所述的结构生色材料，其特征在于：所述单分散纳米粒子的粒径为：100-800nm。
4.根据权利要求1所述的结构生色材料，其特征在于：通过水热法、溶胶凝胶法、聚合法中的任意一种方法合成单分散的纳米粒子，最终制备的纳米粒子粒径范围主要为：100nm-800nm，其多分散指数PDI≤1.4。
5.一种火灾早期预警系统，其特征在于：生色单元、监测单元、采集单元、处理单元和警报单元；>
6.根据权利要求5所述的火灾早期预警系统，其特征在于：所述结构生色涂层的制备方法为：将单分散纳米粒子、添加剂、高吸光度纳米粒子分散在溶剂中，通过蘸涂、喷涂、旋涂中的任意一种方式涂覆到基体表面，干燥即可；所述结构生色贴片的制备方法为：将单分散纳米粒子、添加剂、高吸光度纳米粒子分散在溶剂中，通过蘸涂、喷涂、旋涂中的任意一种方式涂覆到贴片的一侧，另一侧设置粘胶层；所述贴片的材料主要为：聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的火灾早期预警系统，其特征在于：溶剂主要为水、乙醇、四氢呋喃、甲醇、丙醇、二甲基亚砜中的一种或者多种，所述结构生色材料分散液中溶剂的质量百分数含量为30％-99％。
8.根据权利要求5所述的火灾早期预警系统，其特征在于：当基体为塑料、工程塑料时，生色单元采用结构生色涂层，当基体材料热膨胀系数较小时，生色单元处采用结构生色贴片。
9.一种火灾早期预警的方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的火灾早期预警的方法，其特征在于：材料变色后，当采用RGB值进行计算时，具体阈值B值变化大于等于20，G值变化大于等于30，R值变化范围为32～50；当采用CMYK值进行计算时，具体阈值C值变化范围为20～30，M值变化范围为0～90，Y值变化范围为90～95，K值变化范围小于5。
...【技术特征摘要】
1.一种结构生色材料，其特征在于：包括单分散纳米粒子、添加剂和高吸光度纳米粒子，其中单分散纳米粒子主要为硫化锌、二氧化硅、氧化锌、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或者多种；添加剂主要为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚甲基烯酸丁酯中的一种或者多种；高吸光度材料主要为炭黑、炭黑纳米粒子、石墨烯、mxene、碳纳米管、聚多巴胺等黑色的纳米粒子中的一种或者多种。
2.根据权利要求1所述的结构生色材料，其特征在于：所述单分散纳米粒子的质量百分数为10％-99％、添加剂的质量百分数为0.1％-20％、高吸光度纳米粒子的质量百分数为0.005％-10％。
3.根据权利要求1所述的结构生色材料，其特征在于：所述单分散纳米粒子的粒径为：100-800nm。
4.根据权利要求1所述的结构生色材料，其特征在于：通过水热法、溶胶凝胶法、聚合法中的任意一种方法合成单分散的纳米粒子，最终制备的纳米粒子粒径范围主要为：100nm-800nm，其多分散指数pdi≤1.4。
5.一种火灾早期预警系统，其特征在于：生色单元、监测单元、采集单元、处理单元和警报单元；
6.根据权利要求5所述的火灾早期预警系统，其特征在于：所述结构生色涂层的制备方法为：将单分散纳米粒子、添加剂、高...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭海英，石情文，孙九霄，梁金星，姚凯翔，胡京川，唐一丹，彭家顺，刘晓洪，潘晨，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：
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