中國青年學者一作，最新AM：滅火水凝膠！通過熱轉化氣凝膠，實現超強野火盾！

隨著全球氣候變化導致氣溫升高和乾旱加劇，火災季節變得更加漫長，野火的發生頻率和規模也在不斷增加。近年來，災難性的野火摧毀了無數房屋和基礎設施，例如美國加州森林大火和玻利維亞森林大火，破壞了自然環境並導致嚴重的經濟損失。因此，我們迫切需要尋找新的解決方案來應對野火，並著重保護易受災害影響的森林與城鎮交界區域。

高溫下快速轉化為氣凝膠

斯坦福大學材料科學與工程學院的教授Eric A. Appel與博士生董常欣帶領的團隊開發了一種新型水增強凝膠。該凝膠可以噴塗在房屋和關鍵基礎設施上，並在高溫下快速轉化為氣凝膠，從而防止這些建築和設施在野火中燃燒。相關工作以“Water-Enhancing Gels Exhibiting Heat-Activated Formation of Silica Aerogels for Protection of Critical Infrastructure During Catastrophic Wildfire”為題，發表在《Advanced Materials》期刊上。

傳統的滅火水增強凝膠由超吸收聚合物製成，類似於一次性尿布中使用的吸收粉末。將其與水混合後噴塗在建築物上，聚合物會膨脹成膠狀物質，緊密附著在建築物外部，形成一道厚實的濕潤屏障。然而，野火附近的環境極為乾燥，伴隨強風，即使凝膠鎖住的水分也會迅速蒸發。在典型的野火條件下，現有的水增強凝膠會在45分鐘內就會乾涸失效。Appel團隊開發的聚合物-顆粒（PP）水凝膠不僅有效應用時間更長，而且與現有的商業凝膠產品相比，防火效果更加顯著。

這種含有二氧化矽的新型水增強凝膠展現出一種獨特的現象：當軟性、柔韌的水凝膠在高溫下迅速蒸發水分，並且纖維素全部燃燒殆盡時，二氧化矽顆粒會形成一種泡沫狀的多孔“氣凝膠”屏障。這種固態泡沫具有極高的隔熱性，能夠為基底材質提供持久的防火保護。傳統上，矽膠氣凝膠是一種固體多孔結構，因其卓越的隔熱性能而著稱。由於輕便且具有優異的隔熱性能，類似的矽膠氣凝膠被廣泛應用於太空材料領域。

圖1.聚合物-顆粒（PP）水凝膠作為可噴塗阻燃凝膠的功能示意圖。a) 水增強阻燃凝膠在進行預防性噴塗處理後，成功將野火從森林-城鎮交界域的一所房屋外部阻擋的示意圖；b) 羥乙基纖維素（HEC）和甲基纖維素（MC）通過多價非共價方式附著在膠體二氧化矽顆粒（CSP）上，形成水增強滅火水凝膠；c) 甲基-2-羥乙基纖維素（MHEC）通過介面吸附方式附著在膠體二氧化矽顆粒（CSP）上；d) 圖片展示了i) 將阻燃凝膠塗抹在木材基材上，ii) 使用火炬燃燒凝膠，iii) 形成二氧化矽氣凝膠，iv) 顯示在二氧化矽氣凝膠保護層下完好無損、未被炭化的木材。

圖2.兩種非共價交聯水凝膠的可調剪切流變特性。a) 儲能模量（G′）和損耗模量（G″）；b) G′（左軸）和tan(δ) 在0.1 rad s⁻¹下的表現；c) 動態流動掃頻黏度資料，擬合Herschel–Bulkley (HB)流變模型；d) 兩種PP水凝膠HEC+MC/CSP 1–5、MHEC/CSP 1–5以及商業水凝膠Phos-Chek AquaGel-K (0.5 wt%)的動態剪切屈服應力；e) 儲能模量（G′）和損耗模量（G″）；f) G′（左軸）和tan(δ) 在0.1 rad s⁻¹下的表現；g) 動態流動掃頻黏度資料，擬合HB模型；h) 三種表面活性劑水準下PP水凝膠的動態剪切屈服應力。（a）和（e）中的灰色區域表示由於流變儀幾何慣性效應導致的儀器偽影產生的不可靠資料區域。研究人員將這種新型凝膠塗抹在木材基體上，並用燃燒溫度遠高於野火的氣體手持噴燈直接燃燒，以測試其效果。在最佳測試條件下，這種凝膠能夠持續保護木材超過7分鐘，直至木板開始碳化。而在相同條件下測試現有的商業水增強凝膠時，其保護時間僅為90秒。值得一提的是，這種新型凝膠的研發是基於Appel以往的野火預防工作。早在2019年，Appel團隊曾使用這些凝膠作為載體，對森林進行季節性野火阻燃預處理。這種配方旨在説明野火多發地區實現長期防火，最終成為首個也是唯一一個獲得美國農業部森林服務局（USDA Forest Service）批准、可用於美國聯邦土地預防性應用的高耐久性阻燃劑PHOS-CHEK FORTIFY®。在最初實驗成功之後，研究人員又花費了數年時間進行額外的體系優化。如今，這種凝膠能夠穩定儲存，使用標準設備即可輕鬆噴塗，並且能很好地粘附在各種表面上。此外，這些凝膠由無毒成分製成，實驗還證明它們可以被土壤中的微生物輕鬆降解，不會對環境造成任何二次污染。【氣凝膠宏觀、微觀結構變化】

圖3. PP水凝膠的流變特性對燃燒性能的影響。a) 燃燒測試裝置的圖片。b) 表面處理下木材碳化所需的時間。c) MHEC/CSP 1–5水凝膠的燃燒過程圖像。d) 在水、AquaGel-K、HEC+MC/CSP 1–5、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1和MHEC/CSP 1–5表面處理下，燃燒120秒和300秒後的基材圖像。

圖4. PP水凝膠通過形成多孔二氧化矽薄膜實現阻燃性能。a) 燃燒後的最終薄膜厚度是通過測量木材基材頂部與氣凝膠頂層之間的垂直距離得到的。b) HEC+MC/CSP 1–5、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1、MHEC/CSP 1–5 和 AquaGel-K 的發泡指數（燃燒後氣凝膠薄膜厚度與燃燒前水凝膠薄膜厚度的比值）。

圖5. 二氧化矽顆粒的緻密化有助於提高PP水凝膠的阻燃性能。a) HEC+MC/CSP 1–5、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1 和 HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.5 樣品的截面視圖（上排）和CSP的高倍率視圖（下排）的SEM表徵。d) 顆粒在加熱過程中燒結並從水凝膠轉化為氣凝膠的示意圖。b) 經歷不同燃燒時間的薄膜樣品中CSP的SEM圖像（比例尺=200納米）。【小結】隨著野火危機的加劇，傳統水增強凝膠在高溫和強風環境下容易失效，限制了其在實際環境中的應用。為應對此問題，Appel團隊開發了一種新型熱啟動水凝膠。該凝膠通過纖維素生物聚合物與膠體二氧化矽顆粒的動態相互作用製備，遇熱時可轉化為具有熱絕緣性能的氣凝膠，顯著增強了基材的防火保護能力。這些材料基於地球上最豐富的纖維素，確保了成本效益和環境友好性。憑藉強效的物理交連線制，這些凝膠具有優越的附著力和阻燃性，是極為有效的水增強凝膠。這些創新且環保的材料在極端野火中具有巨大的保護潛力。

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來源：高分子科學前沿

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