哈佛大学锁志刚教授：防火水凝胶织物层压板，一个可以挽救生命的简单概念

对于能够长时间耐受高温火灾并且保护皮肤免受烧伤伤害的织物的需求很大。尽管耐火聚合物织物是可商业购买的，但是这些织物中的许多是昂贵的，在暴露于高温时迅速分解和/或变得非常热。作者通过层压水凝胶和织物开发了一类新的阻燃材料。水凝胶含有约90％的水，其具有大的热容量和蒸发焓。当层压板暴露在火中时，随着水的加热和蒸发，大量的能量被吸收。在完全脱水之前，水凝胶的温度不能超过100℃。该织物具有低导热性并保持水凝胶和皮肤之间的温度梯度。使用最近开发的坚韧水凝胶制造层压材料，以确保在加工和使用过程中层压材料的完整性。热模型预测了层压板的性能，并表明它们具有优异的耐热性，与实验非常吻合，使其成为救生应用（如防火毯或服装）的可行候选材料。

美国哈佛大学的ZhigangSuo和JoostJ. Vlassak（通讯作者）在研究防火材料时发现，耐高温的高聚物纤维具有较高的热分解温度和较低的热导率，低热导意味着热量从外部热源传递到皮肤的过程很慢，虽然纤维的热分解温度较高，但纤维在热分解过程中会粘附在皮肤上并放出大量热量；水凝胶中含有大量的水，因而其热容较高，在防火应用中，随着水分的蒸发，水凝胶的热容降低，水凝胶开始分解。将两种不同的防火材料复合，可以得到兼具二者优点的防火复合材料。作者将水凝胶缝合在纤维织物上，使之成层，以期达到优良防火性能。

作者对羊毛、芳纶、氧化聚丙烯腈织物和水凝胶分别做了防热测试、防火测试和热防护性能测试，并通过计算构建了新的热传递模型，同时对水凝胶 - 织物层压板进行了优化设计处理。相关成果以“Fire-Resistant Hydrogel-Fabric Laminates: A Simple Concept That May Save Lives”为题发表在ACS Applied. Materials & Interfaces上。

图文导读

图1. 水凝胶 - 织物层压板的设计

如图是作者设计的水凝胶 - 织物层压板的结构图，（a）在暴露于火焰之前层压板的初始状态。 b）在当前状态下，当水蒸发时，火焰的热量被带走，干燥的聚合物层。当水蒸发时，水凝胶 - 干燥聚合物界面处的100℃边界在水凝胶中不断前移，与此同时，具有低导热性的织物可以在这个过程中保护皮肤。

图2.各种材料的防热测试效果图

（a）将样品置于温度为Th = 350和500℃的热板上，30秒后观察不同阻燃材料的顶面。样品的尺寸统一为55.0×37.5×3.0 mm3.（b）中羊毛在350℃碳化并变脆和变硬。在500℃时，在热板上熔化，无法回收。（c）芳纶织物在350℃时有效地耐热，但在500℃时它迅速收缩，碳化并变成坚硬的织物片。（d）O-PAN织物在两个温度下都能有效地抵抗热量并且不会收缩。（e）水凝胶在高温下不会收缩，在边缘和角落部分附近只有很少的碳化。（f）使用热像仪在T h = 500℃时对不同阻燃材料的顶面温度，可以发现水凝胶的高热容可以在较长的一段时间内使最高温度保持在100℃附近，符合理论预期。

图3. 各种材料的防火测试效果图

对几种材料做防火测试，发现：（a）当暴露在火焰中时，羊毛在几秒钟内就会燃烧，并在接下来变得脆弱。（b）芳纶织物燃烧，并且在火焰之后收缩。（c）O-PAN织物在1分钟时，与其初始状态相似，暴露8分钟后燃烧。（d）水凝胶暴露1分钟后仍保持柔韧性， 4分钟后发生燃烧。（e）观察样品厚度-燃烧时间的函数图像，O-PAN织物和水凝胶随着厚度的增加燃烧时间也明显增加。

图4.对各种材料进行热防护性能测试的效果图

（a）是TPP测试的结构。（b）铜量热计吸收的不同阻燃材料的热量实验数据和模型预测结果。芳族聚酰胺，O-PAN和羊毛的比热分别为1748,740和1200J /（kg K）。芳纶，O-PAN和低温的导热系数分别为0.15、0.031和0.04 W / mK。，芳族聚酰胺，O-PAN和羊毛的密度分别为446、75和162kg / m3（测量）。（c）水凝胶-织物层压板的照片。测试过程中通过螺纹连接将水凝胶与织物制备成层压材料。结果证明，测试的观察值与模型预测值基本吻合，水凝胶-纤维织物复合材料能有效阻碍热量的传递。

总 结

耐火聚合物织物主要由于其高分解温度和低导热性而保护皮肤免受烧伤，不过，高于分解温度时不能提供良好的保护。水凝胶用于耐火应用，但由于水的高导热性而不能长时间使用。本课题通过将水凝胶和织物组合成层压材料，设计出比织物或水凝胶更好的耐火材料：水凝胶可以在水蒸发时保护织物免受高温影响，而织物因其导热系数低可以保持皮肤处于安全的温度。

来源：高分子凝胶与网络

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