全氟己酮微胶囊灭火剂材料的研究进展

一、前言

全氟己酮(C₆F₁₂O)作为一种环境友好型全氟酮类卤代烷烃灭火剂，可通过化学抑制机制有效中断燃烧链式反应。其在高温下分解产生氟自由基(如F•、CF₃•、CFO•)，这些自由基能够捕获并消耗燃烧过程中的关键自由基(如H•、OH•)，从而阻断燃烧反应。此外，全氟己酮的低沸点(49 °C)使其在接触火焰时迅速汽化，该过程不仅吸收大量热量，同时可稀释环境中的氧气浓度，共同发挥阻燃效应^[1]。然而，全氟己酮较差的溶解性与较高的挥发性限制了其储存稳定性和实际应用范围。为此，近年来研究人员开发了微胶囊化技术以改善其储存性能并拓展其应用场景。在该技术中，全氟己酮被包覆于微胶囊内核，其外壳材料(通常为高分子聚合物或无机材料)在常温下可保持结构稳定，但在特定触发条件(主要为高温)下可发生破裂或熔融，无需外部电源或传感器。微胶囊可精准布置于特定需防护的设备或空间内部(如电池模组内部、配电柜狭隙、发动机舱角落等)，实现定点、定向灭火。该策略尤其适用于结构复杂、密闭或难以触及空间的火灾防护，确保灭火剂仅在目标区域高效释放，显著提升了灭火效率并减少了药剂浪费。

图1. 蜡烛火焰灭火过程进行即时高速摄影。整个过程包括全氟己酮微胶囊破裂、全氟己酮喷洒、火焰熄灭和烟雾产生^[2]

二、化学合成方法制备全氟己酮微胶囊

目前使用化学合成方法制备全氟己酮微胶囊通常依赖于原位聚合，以脲醛为外壳材料^[3]。然而该方法涉及复杂的反应条件和高温，不适合全氟己酮等挥发性物质，因此目前大部分文献报道的化学合成全氟己酮微胶囊主要基于低温复合凝聚法(＜45 ℃)。例如，Li及其研究团队^[4]以明胶/多聚磷酸钠交联酚醛树脂为核壳材料制备了一种全氟己酮微胶囊灭火材料，对全氟己酮的包封率达82.27%，室温储存稳定性>1年，将微胶囊添加至室温硫化硅橡胶后制成可重复使用的灭火贴片，可在130 °C热触发释放全氟己酮，15 s内扑灭纸张、电解液火灾。

图2. (a) 显示灭火试验程序的方案。(b-c) 灭火试验结果：无灭火微胶囊或有灭火微胶囊^[4]

类似的，为了解决硼/硝酸钾(B/KNO₃)含能材料在运输和使用中的摩擦/冲击引发的意外燃烧爆炸问题，Han等人^[5]以六偏磷酸钠(SHMP)和明胶(GE)为壳材包裹全氟己酮(CFO)。制备全氟己酮微胶囊(SHMP-GE/CFO)，通过复合凝聚法实现40%包封率，触发温度为130 ℃。值得注意的是该工作在核壳材料中添加了一种蒙脱土(MMT)纳米材料，实验结果表明MMT的纳米片层结构嵌入明胶基质中，可提升微胶囊壳层的抗压性和韧性，在130 °C加热后仅表面开裂而非崩解，证明壳层具备一定机械稳定性，确保微胶囊在运输或加工过程中不易破损，避免全氟己酮提前泄漏。

图3. 燃烧和爆炸抑制实验^[5]

三、基于微流控技术制备全氟己酮微胶囊

传统的微胶囊制备方法，如原位聚合、界面聚合和复合缩合，在包封效率、均一性、可控性和加工成本方面面临着巨大挑战。而微流控技术是精细操作小体积流体的多功能平台，可精确控制均匀乳液、微球和微胶囊的制备。通过调节流动相与分散相的流速来精细地调整胶囊尺寸和外壳厚度。

图4. (a) 通过同轴流动聚焦制备全氟己酮微胶囊的实验系统示意图，包括喷嘴、高精度注射泵、照明装置和紫外线灯; (b) 同轴流聚焦喷嘴示意图^[2]

例如，Li等人^[2]使用微流控技术，基于同轴针头制备了一种光敏树脂为核壳的全氟己酮微胶囊并应用于灭火场景，实验结果表明，该灭火剂微胶囊的爆燃温度约为110 °C，爆炸时间为0.2 ms，75 ℃下96 h质量损失仅0.64%，1年存储性能不变。通过改变灭火微胶囊与基底之间侧向粘结剂的厚度，可以控制全氟己酮喷雾的方向和覆盖范围，以满足特定的灭火需求。

图5. 灭火剂微胶囊贴片的制备和应用^[2]

为了实现制备能够定向打击、多点响应和更适合狭窄空间精准灭火的材料，Pan等人^[6]采用微流控同轴纺丝技术制备了含半球形结节结构的纤维，在结节中嵌入全氟己酮，每个结节为半包埋微胶囊单元，沿纤维轴向分布，以实现遇火定向喷射灭火。该材料可编织成网、缠绕曲面或制成环形贴片，触发温度为120 ℃，75 ℃加速老化600 min质量损失1.61%，此外该材料创新性的加入了一种热致变色粉末(75 ℃变色)，兼具火灾预警功能。 

图6. 灭火结节纤维贴片的制造和应用^[6]

总结

当前全氟己酮微胶囊灭火剂材料的研究已证实，通过复合凝胶法及微流控技术可实现包裹全氟己酮微胶囊的稳定制备，并在实际灭火场景中取得了初步进展。然而，该技术仍面临以下关键挑战：(1) 热管理不足导致复燃风险较高；(2) 微流控技术生产通量低，难以实现规模化生产；(3) 对复杂环境的适应性较弱；(4) 存在环境相容性与成本问题。因此，未来全氟己酮微胶囊的发展可重点关注智能响应型系统设计、高通量微流控芯片开发及绿色工程化方向。

表1.全氟己酮微胶囊制备的材料、方式及其特点

参考文献

[1]Qi L T, Xing Z X, Wu J, et al. Microcapsules for enhancing the safety of LIBs. J Therm Anal Calorim, 2025, 150(5), 3037-3066.

[2]Li C, Bian H, Ding D, et al. Enhancing safety in small confined spaces with thermally triggered fire-extinguishing microcapsules from microfluidics. Lab Chip, 2024, 24(4), 904-912.

[3]Liu H, Zhang T, Zhang M, et al. Preparation and thermal responsiveness of microencapsulated fluorinated liquids for automatic fire extinguishing. Heliyon, 2024, 10(5), e30872.

[4]Li J, Xing Y, Liu H, et al. Fabrication of thermally activated fire-extinguishing microcapsules and silicone rubber composite. Compos Commun, 2025, 53, 102256.

[5]Han Z, Li Z, Yang J. Highly effective suppression of accidental combustion and explosion on B/KNO3 by perfluorohexanone microcapsule. Fuel, 2025, 386, 134305.

[6]Pan Q, Sang N, Zhou T, et al. Array-structured microcapsule fibers for efficient fire extinguishing in confined spaces. Lab Chip, 2025, 25(9), 2193-2204.

[7]Zhou G, Li Y, Liu Y, et al. Preparation of a novel environmental-friendly lithium-ion battery fire suppression microcapsule and its fire extinguishing mechanism in coordination with ABC dry powder. J Clean Prod, 2024, 448, 141438.