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中國青年學(xué)者一作,最新AM:滅火水凝膠!通過(guò)熱轉化氣凝膠,實(shí)現超強野火盾!

發(fā)表時(shí)間 :2024-09-02 作者 :高分子科學(xué)前沿 來(lái)源 :高分子科學(xué)前沿


隨著(zhù)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(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)境並導致嚴重的經(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,並著(zhù)重保護易受災害影響的森林與城鎮交界區域。
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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。該凝膠可以噴塗在房屋和關(guān)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(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。

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傳統的滅火水增強凝膠由超吸收聚合物製成,類(lèi)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(huì )膨脹成膠狀物質(zhì),緊密附著(zhù)在建築物外部,形成一道厚實(shí)的濕潤屏障。然而,野火附近的環(huán)境極為乾燥,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 )乾涸失效。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(fā)水分,並且纖維素全部燃燒殆盡時(shí),二氧化矽顆粒會(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,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(zhù)稱(chēng)。由於輕便且具有優(yōu)異的隔熱性能,類(lèi)似的矽膠氣凝膠被廣泛應用於太空材料領(lǐng)域。

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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(jìn)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(guò)多價(jià)非共價(jià)方式附著(zhù)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(guò)介面吸附方式附著(zhù)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(wú)損、未被炭化的木材。

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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) 0.1 rad s?1下的表現;c) 動(dòng)態(tài)流動(dòng)掃頻黏度資料,擬合HerschelBulkley (HB)流變模型;d) 兩種PP水凝膠HEC+MC/CSP 15、MHEC/CSP 15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) 0.1 rad s?1下的表現;g) 動(dòng)態(tài)流動(dòng)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(dòng)態(tài)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(chǎn)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(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(jìn)行季節性野火阻燃預處理。這種配方旨在説明野火多發(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、可用於美國聯(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)驗成功之後,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(wú)毒成分製成,實(shí)驗還證明它們可以被土壤中的微生物輕鬆降解,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】

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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 15水凝膠的燃燒過(guò)程圖像。d) 在水、AquaGel-K、HEC+MC/CSP 15、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1MHEC/CSP 15表面處理下,燃燒120秒和300秒後的基材圖像。

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4. PP水凝膠通過(guò)形成多孔二氧化矽薄膜實(shí)現阻燃性能。a) 燃燒後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 15、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1、MHEC/CSP 15 AquaGel-K 的發(fā)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)。
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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 15、HEC+MC/CSP/SDS 1-5-0.1 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(guò)程中燒結並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CSPSEM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)了一種新型熱啟動(dòng)水凝膠。該凝膠通過(guò)纖維素生物聚合物與膠體二氧化矽顆粒的動(dòng)態(tài)相互作用製備,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。這些材料基於地球上最豐富的纖維素,確保了成本效益和環(huán)境友好性。憑藉強效的物理交連線(xiàn)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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