随着全球气候变化导致气温升高和干旱加剧，火灾季节变得更加漫长，野火的发生频率和规模也在不断增加。近年来，灾难性的野火摧毁了无数房屋和基础设施，例如美国加州森林大火和玻利维亚森林大火，破坏了自然环境并导致严重的经济损失。因此，我们迫切需要寻找新的解决方案来应对野火，并着重保护易受灾害影响的森林与城镇交界区域。
高温下快速转化为气凝胶
斯坦福大学材料科学与工程学院的教授Eric A. Appel与博士生董常欣带领的团队开发了一种新型水增强凝胶。该凝胶可以喷涂在房屋和关键基础设施上，并在高温下快速转化为气凝胶，从而防止这些建筑和设施在野火中燃烧。相关工作以“Water-Enhancing Gels Exhibiting Heat-Activated Formation of Silica Aerogels for Protection of Critical Infrastructure During Catastrophic Wildfire”为题，发表在《Advanced Materials》期刊上。
传统的灭火水增强凝胶由超吸收聚合物制成，类似于一次性尿布中使用的吸收粉末。将其与水混合后喷涂在建筑物上，聚合物会膨胀成胶状物质，紧密附着在建筑物外部，形成一道厚实的湿润屏障。然而，野火附近的环境极为干燥，伴随强风，即使凝胶锁住的水分也会迅速蒸发。在典型的野火条件下，现有的水增强凝胶会在45分钟内就会干涸失效。Appel团队开发的聚合物-颗粒（PP）水凝胶不仅有效应用时间更长，而且与现有的商业凝胶产品相比，防火效果更加显著。
这种含有二氧化硅的新型水增强凝胶展现出一种独特的现象：当软性、柔韧的水凝胶在高温下迅速蒸发水分，并且纤维素全部燃烧殆尽时，二氧化硅颗粒会形成一种泡沫状的多孔“气凝胶”屏障。这种固态泡沫具有极高的隔热性，能够为基底材质提供持久的防火保护。传统上，硅胶气凝胶是一种固体多孔结构，因其卓越的隔热性能而著称。由于轻便且具有优异的隔热性能，类似的硅胶气凝胶被广泛应用于太空材料领域。
图1.聚合物-颗粒（PP）水凝胶作为可喷涂阻燃凝胶的功能示意图。a) 水增强阻燃凝胶在进行预防性喷涂处理后，成功将野火从森林-城镇交界域的一所房屋外部阻挡的示意图；b) 羟乙基纤维素（HEC）和甲基纤维素（MC）通过多价非共价方式附着在胶体二氧化硅颗粒（CSP）上，形成水增强灭火水凝胶；c) 甲基-2-羟乙基纤维素（MHEC）通过界面吸附方式附着在胶体二氧化硅颗粒（CSP）上；d) 图片展示了i) 将阻燃凝胶涂抹在木材基材上，ii) 使用火炬燃烧凝胶，iii) 形成二氧化硅气凝胶，iv) 显示在二氧化硅气凝胶保护层下完好无损、未被炭化的木材。图2.两种非共价交联水凝胶的可调剪切流变特性。a) 储能模量（G′）和损耗模量（G″）；b) G′（左轴）和tan(δ) 在0.1 rad s⁻¹下的表现；c) 动态流动扫频黏度数据，拟合Herschel–Bulkley (HB)流变模型；d) 两种PP水凝胶HEC+MC/CSP 1–5、MHEC/CSP 1–5以及商业水凝胶Phos-Chek AquaGel-K (0.5 wt%)的动态剪切屈服应力；e) 储能模量（G′）和损耗模量（G″）；f) G′（左轴）和tan(δ) 在0.1 rad s⁻¹下的表现；g) 动态流动扫频黏度数据，拟合HB模型；h) 三种表面活性剂水平下PP水凝胶的动态剪切屈服应力。（a）和（e）中的灰色区域表示由于流变仪几何惯性效应导致的仪器伪影产生的不可靠数据区域。研究人员将这种新型凝胶涂抹在木材基体上，并用燃烧温度远高于野火的气体手持喷灯直接燃烧，以测试其效果。在最佳测试条件下，这种凝胶能够持续保护木材超过7分钟，直至木板开始碳化。而在相同条件下测试现有的商业水增强凝胶时，其保护时间仅为90秒。值得一提的是，这种新型凝胶的研发是基于Appel以往的野火预防工作。早在2019年，Appel团队曾使用这些凝胶作为载体，对森林进行季节性野火阻燃预处理。这种配方旨在帮助野火多发地区实现长期防火，最终成为首个也是唯一一个获得美国农业部森林服务局（USDA Forest Service）批准、可用于美国联邦土地预防性应用的高耐久性阻燃剂PHOS-CHEK FORTIFY®。在最初实验成功之后，研究人员又花费了数年时间进行额外的体系优化。如今，这种凝胶能够稳定储存，使用标准设备即可轻松喷涂，并且能很好地粘附在各种表面上。此外，这些凝胶由无毒成分制成，实验还证明它们可以被土壤中的微生物轻松降解，不会对环境造成任何二次污染。图3. PP水凝胶的流变特性对燃烧性能的影响。a) 燃烧测试装置的图片。b) 表面处理下木材碳化所需的时间。c) MHEC/CSP 1–5水凝胶的燃烧过程图像。d) 在水、AquaGel-K、HEC+MC/CSP 1–5、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1和MHEC/CSP 1–5表面处理下，燃烧120秒和300秒后的基材图像。图4. PP水凝胶通过形成多孔二氧化硅薄膜实现阻燃性能。a) 燃烧后的最终薄膜厚度是通过测量木材基材顶部与气凝胶顶层之间的垂直距离得到的。b) HEC+MC/CSP 1–5、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1、MHEC/CSP 1–5 和 AquaGel-K 的发泡指数（燃烧后气凝胶薄膜厚度与燃烧前水凝胶薄膜厚度的比值）。图5. 二氧化硅颗粒的致密化有助于提高PP水凝胶的阻燃性能。a) HEC+MC/CSP 1–5、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1 和 HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.5 样品的截面视图（上排）和CSP的高倍率视图（下排）的SEM表征。d) 颗粒在加热过程中烧结并从水凝胶转化为气凝胶的示意图。b) 经历不同燃烧时间的薄膜样品中CSP的SEM图像（比例尺=200纳米）。随着野火危机的加剧，传统水增强凝胶在高温和强风环境下容易失效，限制了其在实际环境中的应用。为应对此问题，Appel团队开发了一种新型热激活水凝胶。该凝胶通过纤维素生物聚合物与胶体二氧化硅颗粒的动态相互作用制备，遇热时可转化为具有热绝缘性能的气凝胶，显著增强了基材的防火保护能力。这些材料基于地球上最丰富的纤维素，确保了成本效益和环境友好性。凭借强效的物理交联机制，这些凝胶具有优越的附着力和阻燃性，是极为有效的水增强凝胶。这些创新且环保的材料在极端野火中具有巨大的保护潜力。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202407375声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
