隨著(zhù)全球氣候變化導致氣溫升高和干旱加劇，火災季節變得更加漫長(cháng)，野火的發(fā)生頻率和規模也在不斷增加。近年來(lái)，災難性的野火摧毀了無(wú)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(huán)境并導致嚴重的經(jīng)濟損失。因此，我們迫切需要尋找新的解決方案來(lái)應對野火，并著(zhù)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的教授Eric A. Appel與博士生董常欣帶領(lǐng)的團隊開(kāi)發(fā)了一種新型水增強凝膠。該凝膠可以噴涂在房屋和關(guān)鍵基礎設施上，并在高溫下快速轉化為氣凝膠，從而防止這些建筑和設施在野火中燃燒。相關(guān)工作以“Water-Enhancing Gels Exhibiting Heat-Activated Formation of Silica Aerogels for Protection of Critical Infrastructure During Catastrophic Wildfire”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。

傳統的滅火水增強凝膠由超吸收聚合物制成，類(lèi)似于一次性尿布中使用的吸收粉末。將其與水混合后噴涂在建筑物上，聚合物會(huì )膨脹成膠狀物質(zhì)，緊密附著(zhù)在建筑物外部，形成一道厚實(shí)的濕潤屏障。然而，野火附近的環(huán)境極為干燥，伴隨強風(fēng)，即使凝膠鎖住的水分也會(huì )迅速蒸發(fā)。在典型的野火條件下，現有的水增強凝膠會(huì )在45分鐘內就會(huì )干涸失效。Appel團隊開(kāi)發(fā)的聚合物-顆粒（PP）水凝膠不僅有效應用時(shí)間更長(cháng)，而且與現有的商業(yè)凝膠產(chǎn)品相比，防火效果更加顯著(zhù)。

這種含有二氧化硅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(fā)水分，并且纖維素全部燃燒殆盡時(shí)，二氧化硅顆粒會(huì )形成一種泡沫狀的多孔“氣凝膠”屏障。這種固態(tài)泡沫具有極高的隔熱性，能夠為基底材質(zhì)提供持久的防火保護。傳統上，硅膠氣凝膠是一種固體多孔結構，因其卓越的隔熱性能而著(zhù)稱(chēng)。由于輕便且具有優(yōu)異的隔熱性能，類(lèi)似的硅膠氣凝膠被廣泛應用于太空材料領(lǐng)域。

圖1.聚合物-顆粒（PP）水凝膠作為可噴涂阻燃凝膠的功能示意圖。a) 水增強阻燃凝膠在進(jìn)行預防性噴涂處理后，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(guò)多價(jià)非共價(jià)方式附著(zhù)在膠體二氧化硅顆粒（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(guò)界面吸附方式附著(zhù)在膠體二氧化硅顆粒（CSP）上；d) 圖片展示了i) 將阻燃凝膠涂抹在木材基材上，ii) 使用火炬燃燒凝膠，iii) 形成二氧化硅氣凝膠，iv) 顯示在二氧化硅氣凝膠保護層下完好無(wú)損、未被炭化的木材。

圖2.兩種非共價(jià)交聯(lián)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(dòng)態(tài)流動(dòng)掃頻黏度數據，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(yè)水凝膠Phos-Chek AquaGel-K (0.5 wt%)的動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)流動(dòng)掃頻黏度數據，擬合HB模型；h) 三種表面活性劑水平下PP水凝膠的動(dòng)態(tài)剪切屈服應力。（a）和（e）中的灰色區域表示由于流變儀幾何慣性效應導致的儀器偽影產(chǎn)生的不可靠數據區域。研究人員將這種新型凝膠涂抹在木材基體上，并用燃燒溫度遠高于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(guò)7分鐘，直至木板開(kāi)始碳化。而在相同條件下測試現有的商業(yè)水增強凝膠時(shí)，其保護時(shí)間僅為90秒。值得一提的是，這種新型凝膠的研發(fā)是基于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(jìn)行季節性野火阻燃預處理。這種配方旨在幫助野火多發(fā)地區實(shí)現長(cháng)期防火，最終成為首個(gè)也是唯一一個(gè)獲得美國農業(yè)部森林服務(wù)局（USDA Forest Service）批準、可用于美國聯(lián)邦土地預防性應用的高耐久性阻燃劑PHOS-CHEK FORTIFY?。在最初實(shí)驗成功之后，研究人員又花費了數年時(shí)間進(jìn)行額外的體系優(yōu)化。如今，這種凝膠能夠穩定儲存，使用標準設備即可輕松噴涂，并且能很好地粘附在各種表面上。此外，這些凝膠由無(wú)毒成分制成，實(shí)驗還證明它們可以被土壤中的微生物輕松降解，不會(huì )對環(huán)境造成任何二次污染。【氣凝膠宏觀(guān)、微觀(guān)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(shí)間。c) MHEC/CSP 1–5水凝膠的燃燒過(guò)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秒后的基材圖像。

圖4. PP水凝膠通過(guò)形成多孔二氧化硅薄膜實(shí)現阻燃性能。a) 燃燒后的最終薄膜厚度是通過(guò)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(fā)泡指數（燃燒后氣凝膠薄膜厚度與燃燒前水凝膠薄膜厚度的比值）。

圖5. 二氧化硅顆粒的致密化有助于提高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表征。d) 顆粒在加熱過(guò)程中燒結并從水凝膠轉化為氣凝膠的示意圖。b) 經(jīng)歷不同燃燒時(shí)間的薄膜樣品中CSP的SEM圖像（比例尺=200納米）。【小結】隨著(zhù)野火危機的加劇，傳統水增強凝膠在高溫和強風(fēng)環(huán)境下容易失效，限制了其在實(shí)際環(huán)境中的應用。為應對此問(wèn)題，Appel團隊開(kāi)發(fā)了一種新型熱激活水凝膠。該凝膠通過(guò)纖維素生物聚合物與膠體二氧化硅顆粒的動(dòng)態(tài)相互作用制備，遇熱時(shí)可轉化為具有熱絕緣性能的氣凝膠，顯著(zhù)增強了基材的防火保護能力。這些材料基于地球上最豐富的纖維素，確保了成本效益和環(huán)境友好性。憑借強效的物理交聯(lián)機制，這些凝膠具有優(yōu)越的附著(zhù)力和阻燃性，是極為有效的水增強凝膠。這些創(chuàng )新且環(huán)保的材料在極端野火中具有巨大的保護潛力。

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