可喷涂凝胶可在野火期间保护建筑物

Josiah02

随着气候变化导致气候更热、更干燥，我们看到火灾季节越来越长，野火规模越来越大、发生频率越来越高。近年来，灾难性的野火摧毁了房屋和基础设施，给受影响地区的人们的生命和生计造成了毁灭性的损失，并破坏了野地资源和经济。我们需要新的解决方案来扑灭野火并保护地区免受破坏。
斯坦福大学的研究人员开发出一种增水凝胶，可以喷洒在房屋和关键基础设施上，以帮助防止它们在野火中燃烧。
该项研究于8 月 21 日发表在《先进材料》杂志上，表明新型凝胶比现有的商用凝胶持续时间更长，而且效果显著提高。
“在典型的野火条件下，目前的增水凝胶会在 45 分钟内干燥，”工程学院材料科学与工程副教授、该论文的资深作者 Eric Appel 说。
“我们开发了一种应用范围更广的凝胶——你可以在火灾发生前喷洒它，同时仍然获得保护的好处——而且在火灾发生时它会发挥更好的作用。”
持久保护
保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。与水混合后喷洒在建筑物上，它们会膨胀成胶状物质，粘附在建筑物外部，形成厚厚的湿盾。
但野火附近的环境极其干燥，温度可能接近 100 度，风力很大，湿度为零，即使是凝胶中的水也会很快蒸发。
在阿佩尔及其同事设计的凝胶中，水只是第一层保护。除了纤维素基聚合物外，凝胶中还含有二氧化硅颗粒，当凝胶受热时，这些颗粒就会残留下来。
“我们发现了一种独特的现象，柔软的水凝胶在加热后可以无缝转变为坚固的气凝胶防护罩，从而提供增强且持久的野火防护。这种环保突破超越了当前的商业解决方案，提供了卓越且可扩展的野火防御措施，”该研究的主要作者 Changxin “Lyla” Dong 说道。
“当水沸腾后，所有的纤维素都烧掉了，剩下的二氧化硅颗粒就被组装成泡沫，”阿佩尔说。“这种泡沫具有很强的隔热性，最终会分散所有的热量，完全保护其下方的基质。”
二氧化硅形成气凝胶——一种固体多孔结构，是一种特别好的绝缘体。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。
研究人员测试了几种新型凝胶的配方，将它们涂在胶合板上，然后将其暴露在燃气手电筒的直接火焰下，燃气手电筒的燃烧温度比野火高得多。
他们最有效的配方能维持七分钟以上，之后木板才会开始烧焦。当他们以同样的方式测试市售的防水凝胶时，它对胶合板的保护时间不到 90 秒。
“传统凝胶一旦干燥就无法发挥作用，”阿佩尔说。“我们的材料在暴露于火中时会形成这种二氧化硅气凝胶，在水全部蒸发后，它仍能继续保护处理过的基质。一旦火熄灭，这些材料很容易被冲走。”
偶然的发现
新凝胶以阿佩尔之前的野火预防工作为基础。2019 年，阿佩尔和他的同事使用这些凝胶作为载体，将野火阻燃剂一次持续数月地保持在植被上。该配方旨在帮助防止野火多发地区的火灾。
“我们已经在这个平台上工作多年了，”阿佩尔说。“这个新进展有点偶然——我们想知道这些凝胶本身会有什么表现，所以我们就把一些凝胶涂在一块木头上，然后用实验室里放着的火炬把它点燃。我们观察到了一个非常酷的结果，凝胶膨胀成气凝胶泡沫。”
在最初的成功之后，研究人员又花了几年时间进行额外的工程设计来优化配方。现在，这种凝胶储存稳定，使用标准设备即可轻松喷涂，并能很好地粘附在各种表面上。这种凝胶由无毒成分制成，这些成分已获美国林务局批准使用，研究人员进行的研究表明，它们很容易被土壤微生物分解。
“它们对人类和环境都是安全的，”阿佩尔说。“可能需要进一步优化，但我希望我们可以对这些凝胶进行试点应用和评估，以便在发生火灾时使用它们来帮助保护关键基础设施。”
更多信息： Changxin Dong 等人，《水增强凝胶表现出热激活二氧化硅气凝胶的形成，用于在灾难性野火期间保护关键基础设施》，《先进材料》（2024 年）。DOI ：10.1002/adma.202407375
期刊信息： 先进材料