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图1.2017年6月14日伦敦公寓楼火灾事故。
无机保温材料如矿物棉、玻璃毡等虽然具有很好的防火性，但其保温效果通常不佳。而传统的聚合物保温材料普遍易燃，虽然可以通过添加阻燃剂来提高其防火性，但是，有机阻燃剂（通常含磷、溴等元素）的使用则会对环境和人类的健康造成危害；无机阻燃剂（如二氧化硅、黏土等）虽然会提高聚合物保温材料的阻燃性，但仍难耐受长时间的火焰侵蚀，因为单分散状态的无机组分会随着聚合物的燃烧而逐渐脱落，从而失去保护作用。 研究人员设想，如果将聚合物保温材料内部的无机阻燃剂连接成一个网络，这样在聚合物被燃烧后无机阻燃剂的网络就不会脱落，从而保护内部聚合物不被火焰侵蚀，达到更长时间的防火效果。 最近，在中国科学技术大学俞书宏教授的指导下，合肥微尺度物质科学研究中心于志龙博士后等以壳聚糖作三维模板，成功研制了具有双网络结构的酚醛树脂/二氧化硅复合气凝胶材料。这种独特的双网络结构赋予了其轻质多孔、隔热防火和耐火焰侵蚀的特点，这项工作发表在《德国应用化学》上。 图2. 双网络结构的酚醛树脂/二氧化硅复合气凝胶材料的制备过程。
这种双网络结构的复合气凝胶，具有树枝状的微观多孔结构，纤维的尺寸在20 纳米以内，且两种组分各自都成连续的网络，实现了有机、无机组分在纳米尺度上的均匀分散。这种复合气凝胶具有良好的机械强度和可加工性，可以承受60%的压缩而不破裂。该气凝胶的多孔特点，使其具有很好的保温隔热效果，不仅优于传统商用的发泡聚苯乙烯、矿物棉等工业材料，而且在低温和低湿度的环境下也能维持很好的隔热效果。 图3.双网络气凝胶的照片、微观结构和有机无机两种组分的分布照片。（a）扫描电子显微镜照片显示树枝状多孔结构；（b-c）高分辨透射电镜照片显示两组分在纳米尺度下相对分布情况；（d-e）硅元素（红色）在气凝胶网络中的分布。
正如之前所设想的，这种独特的双网络结构赋予了气凝胶优异的防火阻燃和耐火焰侵蚀的性能。研究人员用喷灯火焰（~1300 oC）和酒精灯火焰（500~600 oC）来模拟特殊火灾情况下和一般火灾情况下的火焰，用以检测气凝胶的防火性，并用红外热成像仪记录样品背面的温度变化。经过30分钟的测试，喷灯火焰下样品背面温度稳定在300 oC左右，酒精灯火焰下样品背面温度稳定在150 oC左右，而且随着有机组分的燃烧，二氧化硅网络暴露出来并附着在气凝胶表面而不会脱落，继续发挥隔绝热量的作用，从而避免墙体承力结构过热。 有研究表明，钢筋混凝土结构在受热350 oC以上时强度会急剧下降，从而极易引起坍塌，因此，这种材料的使用可以避免火灾的蔓延，避免建筑物承力结构的失效坍塌，为人员撤离争取宝贵的时间。 图4.双网络气凝胶在1300⁰C喷灯火焰下背面温度随时间的变化和最后样品的状态。 图5. 双网络气凝胶在~600⁰C酒精灯火焰下背面温度随时间的变化和最后样品的状态。 来源：中国科学技术大学 |
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