基于MHEC/CSP的防火凝胶的设计与性能：提升的粘附性、保水性和阻燃性能

《Process Safety and Environmental Protection》：Design and Performance of MHEC/CSP-Based Fire-Preventing Gel: Enhanced Adhesion, Water Retention, and Flame-Retardant Properties

水增强型防火凝胶通过MHEC/CSP双基体及APTES/PA协同网络构建，实现高粘度（4.8×10^5 mPa·s）、剪切稀化（4.1×10^4 mPa·s）及13分钟长效阻燃（残炭率>40%），建立Si-O-Si/P-N协同机制和四重防护体系。

　　

作者：Jingyi Chi、Yanyun Zhao、Xiangming Hu、Xinlei Yang、Zhenglong He、Botao Qin

山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东省青岛市266590

摘要

为了解决野火中防火凝胶材料在高温蒸发、强风作用下的脱落以及与垂直基材长期粘附性差的问题，本研究开发了一种具有“二级凝胶化、强粘附性和长期阻燃性”的水增强型防火阻燃凝胶。该凝胶以高粘度甲基羟乙基纤维素（MHEC）和胶体二氧化硅颗粒（CSP）作为双基质，并引入3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和植酸（PA）来构建Si-O-Si/P-N协同网络。最佳配方（M₁C₁，MHEC:CSP=1:1）在0.4分钟内自组装完成，静态粘度为4.8×10⁵ mPa?s，在喷雾剪切区的粘度为4.1×10⁴ mPa?s。暴露于火源时，该凝胶在0.5分钟内膨胀成封闭的碳-二氧化硅气泡壁，提供13分钟的阻燃效果，炭化残渣率超过40%。经过APTES改性的M₁C₁A凝胶和APTES+PA改性的M₁C₁AP凝胶在2分钟内完成自组装，其粘度分别达到M₁C₁的315.0%和118.4%。TG-IR和拉曼光谱证实了“Si-O-Si + P-N碳促进”机制以及“保水-控裂-抑气-隔氧”四级保护链；M₁C₁AP的ID/IG比为1.2。该凝胶具有剪切稀释特性，适用于多种场景，为野火预防和控制提供了解决方案。

引言

随着全球气候变暖的加剧（Mack, 2021, Randerson, 2006, Reich, 2022），野火的频率和强度显著增加（Reich, 2022, Jones et al., 2024a, Scholten et al., 2021），对生态环境、经济发展和人类生命安全构成了严重威胁（Hansen, 2013, Alkama and Cescatti, 2016, Forzieri et al., 2017, Turetsky, 2010）。近年来，美国、欧洲和澳大利亚等地区的野火造成的经济损失达数十亿美元（Gauthier et al., 2015, Dennison et al., 2014）。这些灾害不仅破坏生态系统，还大幅增加了温室气体排放，进一步凸显了有效和可持续的野火预防措施的紧迫性（Zhao et al., 2024, Jones et al., 2024b, Chovatiya et al., 2025, Noble et al., 2025）。因此，加强森林火灾预防对于环境安全、生态保护和应对全球气候变化至关重要。

防火凝胶材料的开发对于野火控制至关重要。传统的防火方法和技术在应对野火方面存在显著局限性。基于水的防火剂在高温下会迅速蒸发，难以维持其阻燃效果（Xu et al., 2025, Yuan et al., 2021, Mykhalichko et al., 2019, Kuznetsov et al., 2021）。干粉防火剂在使用过程中可能污染环境，其防火效果也受风等因素影响（Li and Du, 2024, Zhao et al., 2023, Zheng et al., 2023, Zhang et al., 2023）。泡沫防火剂可以覆盖燃烧表面并部分阻挡氧气，但某些泡沫中的化学成分可能对环境和人类健康构成潜在危害（Zhu et al., 2024, Wang et al., 2025, Cheng et al., 2024）。防火凝胶（特别是传统的单一组分有机/无机凝胶，如纯羟乙基纤维素凝胶或纯二氧化硅凝胶）具有优异的化学稳定性，凝胶化过程易于控制，能在复杂的工作条件下保持稳定性能，从而适应不同场景的需求。然而，由于缺乏有机-无机协同结构，这些传统凝胶在极端高温条件下长时间受热时水分会迅速蒸发，导致凝胶开裂和泄漏通道重新形成，从而削弱甚至破坏防火效果（Ma et al., 2025, Yan et al., 2022）。因此，开发新型、环保且高效的防火凝胶材料，同时具备“高粘附性和耐高温蒸发性”，是一项紧迫的任务。

然而，需要注意的是，野火预防和控制的特殊场景对材料性能提出了更高要求，其中在提高阻燃性的同时平衡粘附性已成为关键挑战（Liu et al., 2025）。作为一种新兴的防火材料，水增强型凝胶（如Yu等人（2016）开发的MHEC/CSP自组装水凝胶，以及Dong等人（2024）优化的水凝胶-气凝胶转化系统）具有独特优势：MHEC的柔性链可以弥补CSP的无机脆性，通过动态吸附形成“柔性网络”以避免断裂。但目前，这类水增强型凝胶仅依赖氢键进行物理交联，导致界面结合力较弱，从而在垂直基材或强风条件下粘附性较差，无法满足野火场景的长期保护需求。

为了解决这一粘附性问题，本研究考虑引入硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）——它可以在有机（MHEC）和无机（CSP）相之间起到“桥梁”作用（Li et al., 2025, Jaber et al., 2025, Yu et al., 2025, Lan et al., 2025）。APTES分子中的氨基可以与MHEC的羟基形成氢键或化学相互作用，同时乙氧基硅烷水解产生的硅醇基团可以与CSP表面的硅醇基团缩合，形成Si-O-Si共价键，增强界面结合力（Bi et al., 2025, Zhu et al., 2025, Ding et al., 2025）。此外，MHEC较长的分子链可以提高分子缠结的紧密度，加热（后续制备过程中采用60°C预热）可以进一步优化胶体球的结构：一方面暴露出更多的羟基/羟乙基亲水基团，另一方面增强胶体球本身的稳定性，为后续凝胶性能优化奠定基础。

在本研究中，将预热的MHEC（60℃预热，以促进MHEC分子链的展开，提高其与CSP的分散相容性并避免颗粒团聚）与CSP结合，制备了一种新型防火水凝胶。为进一步优化性能，依次引入APTES（增强粘附性）和PA（中和APTES引起的碱度并辅助形成碳层），制备了三种功能性的凝胶：

• (1). 基本MHEC/CSP凝胶（M_xC_y，其中X和Y分别代表MHEC和CSP的质量比，用于验证双基质的基本协同性能）；
• (2). MHEC/CSP-APTES凝胶（M_xC_yA，用于改善界面粘附性并解决强风条件下的脱落问题）；
• (3). MHEC/CSP-APTES-PA凝胶（M_xC_yAP，平衡粘附性和pH中性，避免对植被的碱性损伤）。

通过优化材料配方和制备工艺，本研究旨在提高凝胶在高温和强风等恶劣条件下的保水性和基材粘附性，克服现有材料（传统凝胶和未经改性的水增强型凝胶）的缺点，实现野火阻燃性能的突破。这项研究对于提高森林火灾预防和控制能力以及减少火灾损失具有重要的科学意义和实际应用价值。

材料

选择高粘度级别的甲基羟乙基纤维素（MHEC，25℃时粘度≥100,000 mPa·s）作为构建凝胶聚合物网络的主要成分，购自Macklin公司。胶体二氧化硅颗粒（CSP，Ludox TM-50，50 wt%水性分散液，平均粒径20-30 nm）作为关键纳米颗粒成分，通过与MHEC的相互作用形成独特的凝胶结构，由Sigma-Aldrich公司提供。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES，纯度≥98%）和植酸也被用于制备。

凝胶化时间和流变性能

凝胶的凝胶化和粘度对其实际应用和适用场景具有重要影响。本部分从“结构-时间-流变”三个维度探讨了不同配方对凝胶性能的决定性作用（如图2所示）：光学和SEM图像显示，当MHEC:CSP = 1:1时，CSP纳米颗粒与纤维素均匀混合形成凝胶，呈现均匀的半透明状态，无颗粒团聚现象。

结论

本研究开发了一种具有优化性能的水增强型防火凝胶，包括强粘附性、高保水性和长期阻燃性。通过结合甲基羟乙基纤维素（MHEC）和胶体二氧化硅（CSP），并引入3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和植酸（PA），构建了Si-O-Si/P-N协同网络，提高了凝胶在极端条件下的性能。最佳配方为M₁C₁，MHEC:CSP = 1:1。

作者贡献声明

Xinlei Yang： 数据可视化、资源获取。

Xiangming Hu： 资金获取。

Botao Qin： 资金获取。

Zhenglong He： 资源获取。

Yanyun Zhao： 资金获取。

Jingyi Chi： 文章撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、数据整理、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFC3012500, 2024YFC3012502）、国家自然科学基金联合基金重点支持项目（U25B20139）、国家自然科学基金（52274216, 52274217, 52504239）、中国博士后科学基金会（项目编号2025M781735）、中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（项目编号GZC20250003）以及青岛市博士后支持等的财政支持。