氣凝膠的阻燃性能研究進(jìn)展

樊肖雄，張光磊，徐 亮，秦勝建

(石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050043)

0 引 言

氣凝膠是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的新型材料，它通過溶膠-凝膠過程，采用超臨界干燥或冷凍干燥使氣體取代濕凝膠中溶液的同時(shí)保留其網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的方法制得[1]。由于其納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，氣凝膠材料具備了獨(dú)特的性能，如低密度、低導(dǎo)熱率、低折射率、低介電常數(shù)、低聲阻抗等，在熱學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、吸附等方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景[2]。

SiO2氣凝膠是世界上最早被研發(fā)出的氣凝膠，其由斯坦福大學(xué)的Kistler[3]在1931年采用鹽酸水解水玻璃的方法及超臨界干燥技術(shù)制得，之后Kistler還將氣凝膠定義為濕凝膠內(nèi)的液體被氣體取代，同時(shí)保持凝膠骨架結(jié)構(gòu)的多孔材料[4]。隨后一些研究者還制備了其它許多氧化物氣凝膠如Al2O3氣凝膠[5]、ZrO2氣凝膠等[6]。1987年，美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Pekala等[7]首次以間苯二酚和甲醛為原料，在堿性條件下經(jīng)溶膠-凝膠過程和超臨界干燥制得了有機(jī)單體縮聚的氣凝膠，標(biāo)志著有機(jī)氣凝膠研究的開端，隨后聚丙烯腈、聚乙烯醇等有機(jī)氣凝膠層出不窮[8]。碳?xì)饽z作為一種新型輕質(zhì)納米多孔的無(wú)定形炭素材料，最早通過碳化間苯二酚和甲醛氣凝膠獲得，后來隨著碳納米管和石墨烯的興起，碳納米管氣凝膠和石墨烯氣凝膠不斷被研發(fā)出來。

隨著氣凝膠制備技術(shù)的發(fā)展，不同種類的氣凝膠分別展示出其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。氣凝膠的低熱導(dǎo)率使其成為保溫隔熱性能最好的材料之一，在建筑保溫、熱力管道等領(lǐng)域具有巨大的潛在市場(chǎng)[9]。氣凝膠制品的首個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):GB/T 34336—2017《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》于2017年10月16日正式發(fā)布，從2018年9月1日開始實(shí)施。此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氣凝膠材料在用作保溫隔熱建筑材料的同時(shí)需要具備足夠的阻燃性。近年來研究者對(duì)氣凝膠材料的阻燃性能進(jìn)行了大量的研究。本文將根據(jù)其凝膠成分的不同，分別介紹硅系氣凝膠、有機(jī)氣凝膠以及碳?xì)饽z的阻燃性研究進(jìn)展等。

1 硅系氣凝膠的可燃性及阻燃研究

SiO2氣凝膠是發(fā)現(xiàn)最早，研究最廣泛并得到應(yīng)用的一種硅系氣凝膠。SiO2氣凝膠的密度低至0.003～0.500 g/cm3，熱導(dǎo)率低至0.001 3～0.021 0 W/(m·K)，比表面積高達(dá)500～1 200 m2/g[10]，具有良好的保溫隔熱性能[11]。然而，純SiO2氣凝膠的親水性以及脆性限制了其大規(guī)模應(yīng)用。通過在SiO2氣凝膠骨架中引入官能團(tuán)可以達(dá)到疏水和改善脆性的目的，但同時(shí)會(huì)影響其自身的阻燃性能。

1.1 硅系氣凝膠的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

SiO2氣凝膠只含有Si、O元素，其骨架結(jié)構(gòu)為Si-O-Si的空間網(wǎng)絡(luò)，本身具有較好的阻燃性能。但SiO2氣凝膠具有親水性，當(dāng)被長(zhǎng)期用作保溫隔熱材料時(shí)，親水性氣凝膠會(huì)不斷吸收空氣中的水分，導(dǎo)致各項(xiàng)性能指標(biāo)顯著下降[12]。所以工程應(yīng)用的氣凝膠一般要進(jìn)行疏水改性，即引入疏水性官能團(tuán)到氣凝膠表面[13-15]。甲基是SiO2氣凝膠最常用的疏水基團(tuán)，其可通過在制備氣凝膠的同時(shí)引入三甲基氯硅烷或六甲基二硅氧烷獲得。除甲基之外，前驅(qū)體上殘留的未反應(yīng)的有機(jī)基團(tuán)和一些有機(jī)溶劑也保留在凝膠的SiO2多孔網(wǎng)絡(luò)中。由于甲基和這些殘留的有機(jī)物質(zhì)的熱穩(wěn)定性較差，當(dāng)遇到熱輻射和在火災(zāi)條件下時(shí)，這些有機(jī)成分成為SiO2氣凝膠的潛在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

Li等[16]采用錐形量熱儀和熱分析的方法，研究了疏水性SiO2氣凝膠在熱輻射下的燃燒行為和氧化動(dòng)力學(xué)過程。結(jié)果表明，在熱通量為25 kW/m2時(shí)疏水SiO2氣凝膠開始輕微冒煙，在熱通量達(dá)到50 kW/m2時(shí)形成火焰，整個(gè)SiO2氣凝膠表面不會(huì)同時(shí)點(diǎn)燃，火焰從初始著火點(diǎn)逐漸擴(kuò)散。He等[17]研究了疏水SiO2氣凝膠在空氣中的熱解過程，可分為三個(gè)步驟：甲基的羥基化，醇羥基的分裂和CO的氧化。相應(yīng)的燃燒機(jī)理為：疏水SiO2氣凝膠中的有機(jī)成分受熱分解出可燃?xì)怏w，當(dāng)可燃?xì)怏w在特定溫度下達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)被點(diǎn)燃。疏水SiO2氣凝膠已經(jīng)被證明在熱輻射下是可燃的[18]，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明疏水性SiO2氣凝膠的PCS值[19](總?cè)紵裏?相對(duì)較高，超過了中國(guó)或歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A類建筑材料的PCS值，存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 硅系氣凝膠的阻燃研究

考慮到SiO2氣凝膠的使用可靠性，有機(jī)疏水基團(tuán)的引入是不可或缺的。在有機(jī)疏水基團(tuán)存在的前提下，可通過以下兩種策略來提高其阻燃性能：改變前驅(qū)體和添加阻燃劑。對(duì)于前者，使用無(wú)機(jī)硅源如硅酸鈉等作為前驅(qū)體來提升阻燃性已有廣泛報(bào)道[20]。對(duì)于后者需要保證阻燃劑的添加與凝膠體系相容，并且不會(huì)降低SiO2氣凝膠的優(yōu)異性能。考慮到SiO2氣凝膠制備過程中的酸催化水解反應(yīng)以及含磷化合物廣泛用作阻燃劑[21]這兩點(diǎn)，可以使用磷酸(PA)作為制備SiO2氣凝膠的阻燃劑。基于以上兩種阻燃策略，可以從兩方面降低疏水性SiO2氣凝膠的可燃性，一方面是基于正硅酸乙酯(TEOS)和硅酸鈉(SS)作為前驅(qū)體制備阻燃SiO2氣凝膠，另一方面將溶膠-凝膠法中常用的鹽酸(HA)改為磷酸(PA)，提高SiO2氣凝膠的阻燃性。Li等[22]分別研究了有機(jī)硅源(TEOS)和無(wú)機(jī)硅源(SS)與鹽酸(HA)和磷酸(PA)分別組合制備SiO2氣凝膠。通過微觀結(jié)構(gòu)表征表明，與TEOS/HA的SiO2氣凝膠相比，基于SS制備的SiO2氣凝膠具有更致密的納米顆粒，更小的孔徑和更大的比表面積。TG-DSC分析表明，SS/HA的SiO2氣凝膠具有更高的熱穩(wěn)定性，具有改善的有機(jī)基團(tuán)的氧化放熱反應(yīng)起始溫度和峰值溫度。臨界熱通量(CHF)定義為恰好使材料著火的最小熱通量。TEOS/HA和SS/PA的臨界熱通量分別為14.61 kW/m2和19.34 kW/m2。與TEOS/HA相比，SS/PA的CHF值較大表明其阻燃性得到了改善。這應(yīng)歸因于SS/HA的SiO2氣凝膠的有機(jī)基團(tuán)數(shù)量較少，比表面積相對(duì)較低。通過將PA引入SiO2氣凝膠中，SS/PA的SiO2氣凝膠可燃性進(jìn)一步降低。通過降低的總熱值證實(shí)SS/PA中的磷組分有助于阻燃。結(jié)合熱穩(wěn)定性分析和可燃性研究可以得出結(jié)論：以硅酸鈉為前驅(qū)體，引入PA等磷化合物，可以提高疏水性SiO2氣凝膠的阻燃性。

2 有機(jī)氣凝膠的阻燃研究

有機(jī)氣凝膠的骨架由高分子聚合物組成，其具有比無(wú)機(jī)氣凝膠更好的機(jī)械性能。然而，由于化學(xué)成分主要由碳和氫組成，聚合物一般都具有較好的可燃性。因此，提高阻燃性能對(duì)于有機(jī)氣凝膠的大規(guī)模應(yīng)用意義重大。關(guān)于有機(jī)氣凝膠的阻燃方面，目前研究較多的主要有聚乙烯醇(PVA)氣凝膠、纖維素氣凝膠和果膠氣凝膠等。

2.1 聚乙烯醇(PVA)氣凝膠

PVA是通過聚乙酸乙烯酯水解制備的水溶性聚合物。PVA氣凝膠除了具有一般氣凝膠所具有的高孔隙率、極低密度等特性外，還具有無(wú)毒、成本低、易溶于水等特點(diǎn)[23]。但PVA氣凝膠極限氧指數(shù)只有19.5%，UL94垂直燃燒測(cè)試無(wú)級(jí)別，屬于高度易燃的材料，在實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)行阻燃改性。

圖1 燃燒速度與納米粘土含量的關(guān)系[25]Fig.1 Combustion velocity as a function of nanoclay content[25]

相較于常規(guī)的阻燃劑如溴化有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)填料等，納米粘土安全無(wú)毒，且聚合物中存在的氫與納米粘土晶格中的氧之間存在強(qiáng)烈的吸引力，使得納米粘土被認(rèn)為是改善聚合物氣凝膠阻燃性能的良好選擇。納米粘土中最常用來對(duì)PVA氣凝膠進(jìn)行阻燃改性的是納米蒙脫土(MMT)。Chen等[24]通過聚乙烯醇(PVA)與鈉基蒙脫土(Na-MMT)形成水凝膠前驅(qū)體，經(jīng)過冷凍干燥后得到PVA/MMT復(fù)合氣凝膠，在錐形量熱測(cè)試中測(cè)得熱釋放速率峰值僅為10.7 kW/m2，且沒有大范圍燃燒。但是Chen等[24]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)需要加入大量蒙脫土才能達(dá)到最優(yōu)異的阻燃效果，提高M(jìn)MT含量的同時(shí)會(huì)使PVA氣凝膠力學(xué)性能明顯下降，阻燃效果最佳時(shí)比彈性模量下降了42.43%。Simoón等[25]分別用親水性納米粘土(HN)和蒙脫土納米粘土(SN)制備了納米粘土基PVA氣凝膠。通過對(duì)比樣品點(diǎn)燃10 s后的燃燒速度發(fā)現(xiàn)(如圖1)，隨著納米粘土質(zhì)量比從1%，5%到10%的增加，燃燒速度分別由3.4 mm/s和3.3 mm/s降低至2.6 mm/s和2.9 mm/s并最終低至2.4 mm/s和2.7 mm/s。這些結(jié)果表明納米粘土可有效增加PVA氣凝膠的阻燃性能。其阻燃原理為PVA氣凝膠的燃燒過程始于熱降解，降解產(chǎn)物形成揮發(fā)性氣泡逸出，納米粘土顆粒的存在可以在燃燒的降解過程中抑制劇烈的起泡過程隔絕空氣抑制熱降解從而降低PVA氣凝膠的可燃性[26]。

在添加SN作為阻燃劑的情況下，Shang等[27]進(jìn)一步研究了熱處理對(duì)SN/PVA氣凝膠阻燃性的影響，結(jié)果表明在200 ℃下處理3 h后，復(fù)合材料中的羥基消除并形成羰基，導(dǎo)致機(jī)械性能略有下降。但是，羥基的消除使熱處理后SN/PVA氣凝膠的熱穩(wěn)定性顯著提高。總釋放熱(THR)由22.2 MJ/m2降至6.6 MJ/m2，熱釋放率峰值(PHRR)由366.6 kW/m2降至116.7 kW/m2。同時(shí)在燃燒后碳?xì)埩袅吭黾樱瑹煔馀欧艤p少，這些結(jié)果均表明在200 ℃熱處理后的SN/PVA氣凝膠阻燃性能得到顯著改善。

蒙脫土在火災(zāi)區(qū)域形成的保護(hù)屏障主要是阻止火焰蔓延，而不是降低材料的火災(zāi)負(fù)荷或材料可燃性[28]。除了納米粘土之外，添加其它有效的阻燃劑例如多磷酸銨(APP)，可以實(shí)現(xiàn)更高的耐火性[29]，但它們與聚合物的相容性和分散性差且會(huì)影響氣凝膠的機(jī)械性能。基于以上問題，Wang等[30]用哌嗪(PA)改性聚磷酸銨(PA-APP)，并將其用于改善聚乙烯醇(PVA)/蒙脫土(MMT)氣凝膠的阻燃性。在燃燒測(cè)試中，所有改性后的氣凝膠均達(dá)到UL94垂直燃燒測(cè)試V-0等級(jí)，極限氧指數(shù)(LOI)值由未改性時(shí)24.5%最多增長(zhǎng)至34.0%。PHRR由209.6 kW/m2減至80.4 kW/m2，THR由20 MJ/m2降至5.7 MJ/m2。與PVA/MMT/APP氣凝膠相比，由于基質(zhì)和PA-APP填料之間的界面粘合力的增加，使得PVA/MMT/PA-APP氣凝膠的壓縮模量增加了93.4%。PVA/MMT/PA-APP氣凝膠樣品的密度略低于未改性的氣凝膠的密度，因?yàn)镻A-APP使整體收縮率降低。所有試驗(yàn)結(jié)果表明，PA-APP的加入不僅提高了氣凝膠的熱穩(wěn)定性和阻燃性，而且保持了其機(jī)械性能。

除了添加阻燃劑這種方法，Shang等[31]通過新型熔融交聯(lián)方法制備了高度穩(wěn)固且阻燃的硼酸鹽交聯(lián)的聚乙烯醇/蒙脫土氣凝膠。通過將冷凍的PVA/MMT溶膠浸入硼砂溶液中，在冰融化過程中精確地誘導(dǎo)PVA的二醇與硼砂溶液中的硼酸酯之間的交聯(lián)來制備PVA/MMT水凝膠，聚合物鏈的重排和隨后的膨脹導(dǎo)致更精細(xì)和更緊湊的網(wǎng)絡(luò)，隨后通過冷凍干燥獲得相應(yīng)的氣凝膠，其機(jī)械性能和阻燃性能均得到改善。由于含硼化合物和硅酸鹽的遷移，交聯(lián)的氣凝膠在受熱時(shí)形成致密的碳層，保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)免受破壞，錐形量熱法測(cè)得的極限氧指數(shù)達(dá)到27.6%，THR最低至11.3 MJ/m2，PHRR由366.6 kW/m2降至146.5 kW/m2，表現(xiàn)出良好的耐火性能。

Guo等[32]選擇了具有生物相容性、無(wú)毒性和阻燃性的羥基磷灰石(HAP)制備了PVA-HAP復(fù)合氣凝膠。在提升了阻燃性能的情況下，PVA與HAP之間形成氫鍵使得復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能十分優(yōu)良，其比模量達(dá)到58.7 kN/(m·kg)，熱導(dǎo)率比純PVA氣凝膠更低，低至0.033 6～0.038 7 W/(m·K)，這可能是由于其孔壁的微觀結(jié)構(gòu)造成。在垂直燃燒對(duì)比試驗(yàn)中，PVA氣凝膠很容易被點(diǎn)燃并燃燒殆盡。相比之下，PVA-HAP復(fù)合氣凝膠在燃燒器火焰被移除后就立刻表現(xiàn)出自熄性能。除了表面上的一些黑色灰塵外，樣品仍保留原始形狀。

2.2 纖維素氣凝膠

纖維素氣凝膠由于其具有環(huán)境友好、原材料易得、機(jī)械強(qiáng)度高和低導(dǎo)熱性的優(yōu)點(diǎn)一直備受矚目，然而其高度易燃的特性嚴(yán)重阻礙了其作為隔熱材料的應(yīng)用。通常，纖維素凝膠通過纖維素在LiCl/DMAc、NMMO、堿/尿素或硫脲體系以及離子液體中的溶解和溶膠-凝膠過程、超分子組裝而形成[33]。

Guo等[34]使用N-羥甲基二甲基膦酰丙酰胺(MDPA)和1，2，3，4-丁烷四羧酸(BTCA)作為共添加劑，通過環(huán)保型冷凍干燥和后交聯(lián)方法制備出輕質(zhì)的阻燃纖維素(CNF)海綿狀氣凝膠。與純CNF氣凝膠相比，CNF/BTCA/MDPA氣凝膠LOI值在棉織物的阻燃標(biāo)準(zhǔn)(26.0～28.0)之內(nèi)[35]，在UL94測(cè)試中具有V-0等級(jí)，THR值下降至2.0 MJ/m2，表現(xiàn)出良好的阻燃和自熄性能以及較高的焦炭產(chǎn)率(多達(dá)268%)。同時(shí)，CNF/BTCA/MDPA氣凝膠的柔韌性略微降低，彈性顯著提高。此外，CNF/BTCA/MDPA氣凝膠樣品還表現(xiàn)出優(yōu)異的絕熱性能，導(dǎo)熱率低至0.032 58 W/(m·K)，然而，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)低于聚合物氣凝膠。

Hu等[36]用真空冷凍的方法制備了一種摻雜散裝Al離子的羧甲基纖維素(CMC)氣凝膠。在該方法中，以Al離子為交聯(lián)劑，以D-(+)-葡萄糖酸δ-內(nèi)酯作為持續(xù)釋放劑。通過調(diào)控Al離子的釋放速率，控制Al離子與羧基之間的反應(yīng)速度，使得Al離子在氣凝膠中均勻分布。Al離子與羧甲基纖維素之間的配位類型為雙齒橋連配。通過調(diào)節(jié)Al離子的用量和羧甲基纖維素的取代度，分別制備了互連網(wǎng)絡(luò)和緊密堆積的片狀結(jié)構(gòu)氣凝膠。在UL94可燃性試驗(yàn)中，Al離子摻雜的CMC氣凝膠在火焰中的燃燒時(shí)間小于10 s，氣凝膠的總?cè)紵龝r(shí)間(燃燒時(shí)間和余輝時(shí)間)小于50 s，沒有燃燒滴落氣凝膠，氣凝膠的剩余長(zhǎng)度與原始長(zhǎng)度的比率高于0.80。因此，這種改性纖維素氣凝膠的可燃性可以被評(píng)定為V-0等級(jí)。此外，Al離子摻雜的CMC氣凝膠在移去火焰后顯示出自熄性質(zhì)。Al離子摻雜的CMC氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性，其阻燃機(jī)理為Al離子的存在導(dǎo)致絕緣燒焦層的快速形成[37]以及Al2O3絕熱保護(hù)涂層形成[38]。當(dāng)Al離子摻雜的CMC氣凝膠暴露于醇的火焰時(shí)，燒焦層和Al2O3抑制CMC氣凝膠的進(jìn)一步分解。因此，Al離子摻雜的CMC氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)受到一定程度的保護(hù)(如圖2所示)。

圖2 鋁摻雜CMC氣凝膠及暴露于酒精火焰后的顯微圖[36]Fig.2 Micrographs of aluminum doped CMC aerogels and exposed to alcohol flames[36]

在保持纖維素氣凝膠優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)提升其阻燃性是目前研究的一大熱點(diǎn)。He等[39]通過原位溶膠凝膠工藝將氫氧化鋁納米顆粒(AHNPs)摻入纖維素凝膠中，制備出阻燃、吸聲和機(jī)械增強(qiáng)的纖維素基復(fù)合氣凝膠。通過冷凍干燥將AHNPs涂覆在纖維素復(fù)合氣凝膠上。結(jié)果表明，制備的復(fù)合纖維素氣凝膠具有良好的阻燃性能，其熱釋放速率峰值(PHRR)由對(duì)照樣品的280 W/g降至22 W/g，總熱釋放(THR)由13.2 kJ/g降至1.6 kJ/g。此外，AHNPs復(fù)合氣凝膠的加入提升了其力學(xué)性能，復(fù)合氣凝膠的抗壓強(qiáng)度從0.08 MPa增加到1.5 MPa。

纖維素來源多種多樣，為降低成本和廢物利用，Han等[40]使用NaOH/尿素水溶液將廢棉料溶解，凝固纖維素制備三維納米多孔纖維素氣凝膠，并將其作為用于非聚集生長(zhǎng)的氫氧化鎂納米顆粒(MHNPs)的支架/模板來達(dá)到阻燃的目的，而不是用傳統(tǒng)的阻燃劑在聚合物基質(zhì)中混合的方法。纖維素氣凝膠分別在不同濃度的氫氧化鎂溶液中處理相同時(shí)間，制得的氣凝膠分別燃燒10 s后發(fā)現(xiàn)，隨著氫氧化鎂含量的增加，氣凝膠的燃燒速度從5 mm/s降低到0.8 mm/s。說明該方法能有效地提高纖維素氣凝膠的阻燃性能。

2.3 果膠氣凝膠

果膠(PC)具有低導(dǎo)熱率(約0.02 W/(m·K))、生物可降解性、生物相容性，在過去的幾年中果膠氣凝膠已被研發(fā)和使用在藥物輸送、隔熱和絕緣領(lǐng)域。然而，這些氣凝膠往往像大多數(shù)聚合物泡沫(如聚氨酯泡沫)一樣易燃，耐水性差，阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。

Zhao等[41]以可再生果膠(PC)和聚苯胺(PA)為原料，通過聚合-凝結(jié)和超臨界干燥工藝制得了果膠氣凝膠。由于PC與PA之間特殊的物理交聯(lián)作用，使得果膠氣凝膠具有分級(jí)孔和高表面積(103～205 m2/g)的三維網(wǎng)絡(luò)。基于這種特殊的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，果膠氣凝膠表現(xiàn)出良好的抗壓強(qiáng)度(4.7～9.2 MPa)和耐水性。熱導(dǎo)率測(cè)量和熱重分析的結(jié)果表明，這些氣凝膠不僅具有低導(dǎo)熱率(0.033～0.038 W/(m·K))還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過極限氧指數(shù)測(cè)試，垂直燃燒測(cè)試，微量燃燒和錐形量熱測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)，PA與PC之間的交聯(lián)作用使得果膠氣凝膠具有優(yōu)異的阻燃性能。

Chen等[42]以水為溶劑，采用冷凍干燥法制備了基于果膠和三聚氰胺-甲醛樹脂(MF)的自交聯(lián)氣凝膠，其中果膠為結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)作為酸催化MF的交聯(lián)劑。隨著果膠含量的增加，氣凝膠的壓縮模量顯著增加。其壓縮模量可達(dá)23.2 MPa，比模量達(dá)到188 MPa·cm3/g。經(jīng)過錐形量熱法測(cè)試發(fā)現(xiàn)MF-果膠氣凝膠的熱釋放率峰值(PHRR)最低為80.1 kW/m2，遠(yuǎn)低于商業(yè)化的聚合物泡沫；THR最低為19.7 MJ/m2，LOI最高達(dá)到43.5%。以上測(cè)試均表明MF-果膠氣凝膠具有良好的阻燃性。

有機(jī)氣凝膠種類繁多，相較于硅氣凝膠，它的本征力學(xué)性能較強(qiáng)，同時(shí)兼具了低熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，但易燃性限制了其廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段增強(qiáng)其阻燃性的主要方法有以下三類：(1)添加阻燃劑在聚合物基質(zhì)中混合，如聚磷酸銨(APP)等，但可能會(huì)影響其力學(xué)性能和密度等；(2)通過交聯(lián)阻燃類物質(zhì)達(dá)到阻燃效果；(3)制備基質(zhì)即阻燃的復(fù)合有機(jī)氣凝膠。

3 碳?xì)饽z

碳?xì)饽z由有機(jī)氣凝膠(通常為甲醛(RF)類有機(jī)氣凝膠)在惰性氣體的保護(hù)下經(jīng)高溫碳化處理后制得[43]。通過改變有機(jī)氣凝膠的溶膠凝膠參數(shù)或?qū)μ蓟に囘M(jìn)行優(yōu)化，可以得到性能優(yōu)異的碳?xì)饽z。

Wan等[44]通過熱解再生纖維素氣凝膠方法制備了各種碳?xì)饽z。上述再生纖維素氣凝膠是通過在溫和的NaOH/PEG溶液中溶解、凍融處理，再經(jīng)過再生和冷凍干燥而制得的氣凝膠。孔徑為1～60 nm的碳?xì)饽z在熱解后保持相互連接的三維網(wǎng)絡(luò)，并顯示出IV型吸附等溫線。熱解過程包括含氧官能團(tuán)的分解，纖維素晶體結(jié)構(gòu)的破壞，以及高度無(wú)序的無(wú)定形石墨的形成。碳?xì)饽z具有優(yōu)異的阻燃性能，在測(cè)試中當(dāng)暴露于酒精燃燒器的火焰時(shí)，碳?xì)饽z不支持任何燃燒并且一直釋放出明顯的煙霧。

碳系氣凝膠本身具有良好的阻燃性能，不需要經(jīng)過阻燃改性。現(xiàn)有的研究工作主要集中在兩方面，一是碳?xì)饽z微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，結(jié)合理論研究和模擬來探究微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，從而可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)出更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。二是低成本且規(guī)模化的制備方法仍需要進(jìn)一步的努力[45]。目前氣相沉積系統(tǒng)能一次合成面積為10 cm2、厚度為1 cm的樣品，但這個(gè)過程成本較高，因而急需開發(fā)設(shè)計(jì)出更簡(jiǎn)單且成本更低的制備方法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳?xì)饽z的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

硅系氣凝膠本身具有很好的阻燃性能，在應(yīng)用時(shí)一般對(duì)其進(jìn)行疏水改性，改性后其改性官能團(tuán)帶來了燃燒風(fēng)險(xiǎn)，但一直為人所忽略。所以可以通過采用不易燃的硅源和酸，以及熱處理等方法來達(dá)到阻燃效果。有機(jī)氣凝膠因?yàn)槠淠z基質(zhì)所以普遍阻燃性能較差，作為保溫隔熱材料時(shí)必須要進(jìn)行防火阻燃改性。目前主要有添加阻燃劑、交聯(lián)阻燃材料、制備本身基質(zhì)阻燃的復(fù)合氣凝膠等。但在阻燃改性時(shí)應(yīng)想辦法盡量減少阻燃改性對(duì)氣凝膠力學(xué)性能及熱導(dǎo)率的不良影響。碳?xì)饽z本身具有良好的阻燃性能，不需經(jīng)過阻燃改性即可應(yīng)用在電容器、電池等電子電器領(lǐng)域。

當(dāng)氣凝膠的防火阻燃性能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，相信氣凝膠這種性能優(yōu)良的新型材料會(huì)有更加廣闊發(fā)展前景和應(yīng)用領(lǐng)域。