Tesis:
Highly Sensitive Smart Sensor for Early Fire Warning Detection
- Autor: LI, Xiaolu
- Título: Highly Sensitive Smart Sensor for Early Fire Warning Detection
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80791/
- Director/a 1º: WANG, De-Yi
- Resumen: Los peligros de incendio se manifiestan en pérdidas de bienes, víctimas, daños ecológicos, etc., que amenazan gravemente la supervivencia y el desarrollo de los seres humanos. Actualmente, se utilizan varias medidas para controlar los riesgos de incendio, estas medicionesse dividen en estrategias pasivas de control de incendios que incluyen la adición de retardantes de llama, y estrategias activas de control de incendios que contienen alerta temprana de incendios y gestión de extinción de incendios.
Los sensores de alerta temprana de incendios son una estrategia eficaz. Trabajan principalmente monitorizando y respondiendo a las principales características del proceso de combustión en sus primeras etapas, generando más tiempo disponible más tiempo disponible para tomar medidas oportunas antes de la propagación del fuego para lograr un manejo eficiente del fuego. Este enfoque de control de incendios presenta una ventaja destacada para mitigar los riesgos de incendio. Recientemente, se han avanzado en sensores de alerta temprana de incendios y su desarrollo aún está en curso. Con el objetivo de una mayor optimización, en esta tesis se fabrican diferentes sensores de advertencia de incendios para lograr una advertencia inteligente de incendios a baja temperatura, que muestra la sensibilidad, incluida la temperatura de respuesta, el tiempo de respuesta y la transmisión inteligente de mensajes detectados. Específicamente, estos desarrollos de sistemas de alerta de incendios están presentes en los sensores de alerta temprana de incendios basados en óxido de grafeno (GO) (Capítulo 3), en los sensores de alerta temprana de incendios basados en papel de celulosa (CP) (Capítulo 4), y explora más a fondo el sensor de alerta temprana de incendios de baja temperatura reutilizado en diversas condiciones de humedad (Capítulo 5).
En el capítulo 3, se propone un novedoso sensor de incendios termosensible basado en una película P/Si-GO mediante tecnología capa por capa. Este sensor de alerta temprana de incendios logra una respuesta ultrarrápida en 1 s a una temperatura baja de 250 °C o en un incendio real. Curiosamente, la cooperación de un sistema de comunicación inalámbrico inteligente hecho a medida permite que este sensor muestre mensajes de advertencia en múltiples pantallas de computadora locales y de largo alcance a distanciasde hasta 20 km del área objetivo del incendio. Además, la solución funcional prediseñada funciona como un nano-revestimiento de advertencia de incendios envuelto en una espuma de poliuretano flexible, lo que indica la viabilidad del nano- revestimiento de advertencia de incendios. Con respecto a la limitación de la reducción térmica de GO a baja temperatura, se espera que se introduzca un MXene conductor como puente para preparar otro sensor de advertencia de incendios basado en GO modificado con MXene. Este sensor implementa una alerta de baja temperatura a 250 ºC en 1 segundo y se combina con un pequeño dispositivo de conversión de señal inalámbrico de diseño propio para mejorar su inteligencia. Además, la transmisión de la señal de advertencia contiene el mensaje de advertencia en un monitor de computadora y un valor preciso de luminosidad del fuego en tiempo real en un monitor de computadora local y remoto a través del sensor de luminosidad asociado.
En el capítulo 4, se aplica el sustrato CP para preparar sensores de advertencia de incendios que son prometedores para la protección contra incendios en interiores. En detalle, se fabrica una novedosa alarma contra incendios utilizando CP retardante de llama cargado con GO y MXene. Debido al excelente efecto de conmutación de resistencia eléctrica dependiente de la temperatura del GO, el papel modificado actúa como un aislante eléctrico a temperatura ambiente y se vuelve conductor de electricidad a altas temperaturas. La introducción de MXene conductivo mejora la velocidad de detección de incendios, lo que genera una advertencia de incendio por baja temperatura de 2 s, que en primer lugar se calcula mediante una técnica novedosa y cuantificable. Además, el sensor de alarma contra incendios diseñado está acoplado a una interfaz de comunicación inalámbrica para transmitir convenientemente señales de incendio "PELIGRO DE FUEGO" a una pantalla de cristal líquido de forma remota. Para lograr el equilibrio entre flexibilidad y retardo de llama, un sistema de advertencia de incendios basado en CP funcional y flexible producido mediante una técnica simple de recubrimiento por inmersión proporciona flexibilidad, advertencia rápida de baja temperatura y una novedosa capacidad de conversión de señal inalámbrica local y remota. El sistema de alerta de incendios propuesto cumple con el requisito crítico de una alerta rápida de baja temperatura, presentando mensajes de advertencia en 2 s por debajo de 250 ºC y con buenas propiedades mecánicas. Además, los datos de luminosidad y temperatura recopilados se envían a ordenadores locales y remotos mediante conversión inalámbrica. Este papel de alarma contra incendios inteligente diseñado es prometedor como papel tapiz de advertencia de incendios para el interior de casas sin sacrificar la decoración.
En el capítulo 5, se propone un sensor basado en CS modificado con sales utilizando un método de ensamblaje fácil que responde a temperaturas aún más bajas, especialmente aquellas causadas por electrodomésticos. Este sensor responde rápidamente a una temperatura baja de 50 °C y a una llama en 2 s. Además, este sensor se reutiliza para advertir de peligro 17 veces, lo que resulta en una mayor practicidad. Adicionalmente, este sensor tiene una respuesta sensible a la humedad relativa humedad relativa superior al 50 % a 50 °C y 75 °C debido a su sensibilidad a la humedad, lo que mejora la capacidad de este sensor de alerta temprana de incendios que funciona en diversas condiciones de humedad. La propiedad especial proporciona una aplicación potencial en ambientes hostiles.
ABSTRACT
Fire hazards are manifested in property loss, casualties, ecological damage, etc., which seriously threaten the survival and development of human beings. Various measurements are utilized to mitigate the caused harm. Briefly, these measurements are divided into passive fire-control strategies, including the addition of flame retardants, and active fire-control strategies containing early fire warning and fire-fight management.
Early fire-warning sensors are one efficient strategy. They mainly work by monitoring and response to the features of combustion behavior in the early stage, which earns more available time to take timely action before fire propagation to achieve efficient fire management. This fire-control approach presents a salient advantage in mitigating fire hazards. Early fire warning sensors have recently been advanced, and their development is still ongoing. Aiming for further optimization, different fire-warning sensors are fabricated in this thesis to achieve smart low-temperature fire warnings, showing sensitivity in response temperature, response time, and intelligent transmission of detected messages. Specifically, these developments of fire-waring sensors are present in the graphene oxide (GO) -based early fire-warning sensors (Chapter 3), cellulose paper (CP) -based early fire-warning sensors (Chapter 4), and further explores the reused low-temperature early fire-warning sensor under various humidity condition (Chapter 5).
In chapter 3, a novel early thermo-sensitive fire sensor based on P/Si-GO film by layer-by-layer technology is proposed. This early fire-warning sensor achieves an ultrafast response within 1 s at a low temperature of 250 °C or an actual fire. Intriguingly, the cooperation of an intelligent custom-made wireless communication system allows this sensor to show warning messages on multiple local and long-range computer screens at distances up to 20 km from the target fire area. Furthermore, the pre-designed functional solution works as fire-warning nano-coating wrapped into a flexible polyurethane foam, indicating the feasibility of fire-warning nano-coating. Concerning the limitation of thermal reduction of GO at low temperatures, conductive MXene expected as a bridge is introduced to prepare another MXene-modified GO-based fire-warning sensor. This sensor implements a low-temperature alert at 250 ºC within 1 s and is coupled with a small self-designed wireless signal conversion device to improve its intelligence. Moreover, the warning signal transmission contains the warning message on a computer monitor and precise real-time fire luminosity value on a local and a remote computer monitor via the associated luminosity sensor.
In chapter 4, CP substrate is applied to prepare fire-warning sensors promising for indoor fireproofing. In detail, a novel fire alarm is fabricated by using flame-retardant CP loaded with GO and MXene. Owing to the excellent temperature-dependent electrical resistance switching effect of GO, the modified paper acts as an electrical insulator at room temperature and becomes electrically conductive at high temperatures. Introducing conductive MXene enhances the fire detection speed, leading to a low-temperature fire warning of 2 s, which is first calculated by a novel and quantifiable technique. Moreover, the designed fire alarm sensor is coupled to a wireless communication interface to conveniently transmit fire signals “FIRE DANGER” to a liquid crystal display screen remotely. For achieving the balance between flexibility and flame retardancy, one flexible functional CP-based fire-warning system produced via a simple dip-coating technique provides flexibility, rapid low-temperature warning, and a novel local and remote wireless signal conversion capability. The proposed fire-warning system meets the critical requirement of a fast low-temperature warning, presenting warning messages within 2 s under 250 ºC and mechanical properties. Moreover, the luminosity and temperature data collected is sent to local and remote computers by wireless conversion. These designed smart fire alarm papers are promising for fire-warning wallpaper for interior houses without sacrificing decoration.
In chapter 5, a salts-modified CS-based sensor is proposed using a facile assembling method responding to further lower temperatures, especially those caused by household electric appliances. This sensor responds quickly to a low temperature of 50 °C and a flame within 2 s. In addition, this sensor is reused to warn of danger 17 times, resulting in improved practicality. Furthermore, this sensor responds to relative humidity above 50 % at 50 °C and 75 °C sensitively due to its humid sensitivity, improving this early fire warning sensor's ability to work under various humidity conditions. The particular property provides a potential application in harsh environments, especially on rainy days. The comparison between different salts-modified CS films is carried out to elucidate the mechanism of the formation of electric current under the joint driven by temperature and humidity. Moreover, real-time temperature and relative humidity monitoring can be achieved with a wireless transmission section. This design shows a promising approach for multifunctional CS-based sensors and paves a path to developing a new generation of smart fire-warning detectors.