圖1.2017年6月14日倫敦公寓樓火災事故。
無機保溫材料如礦物棉、玻璃氈等雖然具有很好的防火性，但其保溫效果通常不佳。而傳統的聚合物保溫材料普遍易燃，雖然可以通過添加阻燃劑來提高其防火性，但是，有機阻燃劑（通常含磷、溴等元素）的使用則會對環境和人類的健康造成危害；無機阻燃劑（如二氧化硅、黏土等）雖然會提高聚合物保溫材料的阻燃性，但仍難耐受長時間的火焰侵蝕，因為單分散狀態的無機組分會隨著聚合物的燃燒而逐漸脫落，從而失去保護作用。
研究人員設想，如果將聚合物保溫材料內部的無機阻燃劑連接成一個網絡，這樣在聚合物被燃燒后無機阻燃劑的網絡就不會脫落，從而保護內部聚合物不被火焰侵蝕，達到更長時間的防火效果。
最近，在中國科學技術大學俞書宏教授的指導下，合肥微尺度物質科學研究中心于志龍博士后等以殼聚糖作三維模板，成功研制了具有雙網絡結構的酚醛樹脂/二氧化硅復合氣凝膠材料。這種獨特的雙網絡結構賦予了其輕質多孔、隔熱防火和耐火焰侵蝕的特點，這項工作發表在《德國應用化學》上。
圖2. 雙網絡結構的酚醛樹脂/二氧化硅復合氣凝膠材料的制備過程。
這種雙網絡結構的復合氣凝膠，具有樹枝狀的微觀多孔結構，纖維的尺寸在20 納米以內，且兩種組分各自都成連續的網絡，實現了有機、無機組分在納米尺度上的均勻分散。這種復合氣凝膠具有良好的機械強度和可加工性，可以承受60%的壓縮而不破裂。該氣凝膠的多孔特點，使其具有很好的保溫隔熱效果，不僅優于傳統商用的發泡聚苯乙烯、礦物棉等工業材料，而且在低溫和低濕度的環境下也能維持很好的隔熱效果。
圖3.雙網絡氣凝膠的照片、微觀結構和有機無機兩種組分的分布照片。（a）掃描電子顯微鏡照片顯示樹枝狀多孔結構；（b-c）高分辨透射電鏡照片顯示兩組分在納米尺度下相對分布情況；（d-e）硅元素（紅色）在氣凝膠網絡中的分布。
正如之前所設想的，這種獨特的雙網絡結構賦予了氣凝膠優異的防火阻燃和耐火焰侵蝕的性能。研究人員用噴燈火焰（~1300 oC）和酒精燈火焰（500~600 oC）來模擬特殊火災情況下和一般火災情況下的火焰，用以檢測氣凝膠的防火性，并用紅外熱成像儀記錄樣品背面的溫度變化。經過30分鐘的測試，噴燈火焰下樣品背面溫度穩定在300 oC左右，酒精燈火焰下樣品背面溫度穩定在150 oC左右，而且隨著有機組分的燃燒，二氧化硅網絡暴露出來并附著在氣凝膠表面而不會脫落，繼續發揮隔絕熱量的作用，從而避免墻體承力結構過熱。
有研究表明，鋼筋混凝土結構在受熱350 oC以上時強度會急劇下降，從而極易引起坍塌，因此，這種材料的使用可以避免火災的蔓延，避免建筑物承力結構的失效坍塌，為人員撤離爭取寶貴的時間。
圖4.雙網絡氣凝膠在1300?C噴燈火焰下背面溫度隨時間的變化和最后樣品的狀態。
圖5. 雙網絡氣凝膠在~600?C酒精燈火焰下背面溫度隨時間的變化和最后樣品的狀態。
來源：中國科學技術大學
