灼烧后变成气凝胶，斯坦福大学开发新型凝胶可在野火中保护建筑

■ 信息来源：斯坦福大学、气凝胶产业编译

气候变化造成了更炎热、更干燥的天气，我们看到火灾季节更长，野火更大、更频繁。近年来，灾难性的野火摧毁了房屋和基础设施，给受灾地区人民的生命和生计造成了毁灭性的损失，并破坏了荒地资源和经济发展。我们需要新的解决方案来对抗野火，保护地区免受损害。斯坦福大学的研究人员开发出了一种增水凝胶，可以喷洒在房屋和关键基础设施上，以防止它们在野火中燃烧。8月21日发表在《Advanced Materials》杂志上的研究表明，这种新型凝胶的寿命更长，且效果显著优于现有的商用凝胶。该论文的资深作者、工程学院材料科学与工程副教授Eric Appel表示：“在典型的野火条件下，现有的增水凝胶会在45分钟内变干。我们已经研制出了一种应用范围更广的凝胶——可以在野火发生前进行喷洒，仍然可以保护建筑，而且这种凝胶在野火发生时效果更佳。”

持久的保护

增水凝胶由高吸水性聚合物制成，类似于一次性尿布中的吸水粉末。将它们与水混合并喷洒在建筑物上，它们会膨胀成一种凝胶状物质附着在建筑物的表面，形成一个厚厚的湿“盾牌”。但野火附近的环境极其干燥——温度可能接近100度，伴有强风和零湿度——甚至凝胶中的水也会很快蒸发。

在Appel及其同事设计的凝胶中，水只是第一重保护。除了纤维素基聚合物外，该凝胶还含有二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒是在凝胶受热时留下的。该研究的主要作者Changxin Dong说：“我们发现了一种独特的现象，即柔软、有弹性的水凝胶在受热时无缝过渡为坚固的气凝胶防护层，提供强效和持久的野火防护作用。这一具有环保意识的突破超越了当前的商业解决方案，提供了一种优越且可扩展的野火防护功能。”

Appel说：“当水分蒸干，所有的纤维素燃烧殆尽时，只剩下组装成泡沫的二氧化硅颗粒。这种泡沫具有高度的绝热性，最终会驱散所有的热量，完全地保护其下方的基材。”

二氧化硅形成的气凝胶是一种具有多孔结构固体，是一种特别好的绝热材料。类似的二氧化硅气凝胶用于太空应用，因为它们非常轻，可以阻止大多数传热方式。

研究人员测试了他们的新型凝胶的几种配方，将其涂在胶合板上，并将其直接暴露在手持喷枪的火焰中，喷枪的燃烧温度比野火高得多。他们最有效的凝胶配方持续了7分钟多，然后木板开始烧焦。当他们以同样的方式测试一种市售的增水凝胶时，发现它对胶合板的保护时间不到90秒。

Appel说：“传统的凝胶一旦变干就不起作用了。我们的材料在暴露于火中时会形成这种二氧化硅气凝胶，在所有水分蒸发后继续保护处理过的基材。一旦火熄灭，这些材料很容易被冲洗。”

偶然的发现

这些新型凝胶以Appel之前预防野火的工作为基础。2019年，Appel和他的同事利用这些凝胶将野火阻燃剂附着在植被上，每次可保持数月。该配方的目的是防止易发生野火的地区起火。

Appel说：“我们已经与这个平台合作多年了。这次的新进展有点偶然，我们想知道这些凝胶会如何自行发挥作用，于是我们就把一些凝胶抹在了一块木头上，然后将其暴露在实验室内放置的火炬的火焰中。我们观察到了这个非常酷的结果，凝胶膨胀成了气凝胶泡沫。”

在取得初步成功后，研究人员又花费了数年时间对配方进行优化。这种凝胶现在储存稳定，可以用标准设备轻松喷洒，而且能很好地附着在各种表面上。这种凝胶由无毒成分制成，已经获得美国林业局批准使用，研究人员进行的研究表明，它们很容易被土壤微生物分解。Appel说：“它们对人和环境来说都是安全的。可能还需要进一步优化，但我希望我们可以对这些凝胶进行中试规模的应用和评估，这样我们就可以在火灾发生时使用它们来保护关键基础设施。”这项工作的其他参与者来自加州州立理工大学。这项工作由戈登与贝蒂·摩尔基金会（Gordon & Betty Moore Foundation）、施密特科学研究员（Schmidt Science Fellows）和美国国家科学基金会（ National Science Foundation）资助。

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