對于能夠長時間耐受高溫火災并且保護皮膚免受燒傷傷害的織物的需求很大。盡管耐火聚合物織物是可商業購買的，但是這些織物中的許多是昂貴的，在暴露于高溫時迅速分解和/或變得非常熱。作者通過層壓水凝膠和織物開發了一類新的阻燃材料。水凝膠含有約90％的水，其具有大的熱容量和蒸發焓。當層壓板暴露在火中時，隨著水的加熱和蒸發，大量的能量被吸收。在完全脫水之前，水凝膠的溫度不能超過100℃。該織物具有低導熱性并保持水凝膠和皮膚之間的溫度梯度。使用最近開發的堅韌水凝膠制造層壓材料，以確保在加工和使用過程中層壓材料的完整性。熱模型預測了層壓板的性能，并表明它們具有優異的耐熱性，與實驗非常吻合，使其成為救生應用（如防火毯或服裝）的可行候選材料。

美國哈佛大學的ZhigangSuo和JoostJ. Vlassak（通訊作者）在研究防火材料時發現，耐高溫的高聚物纖維具有較高的熱分解溫度和較低的熱導率，低熱導意味著熱量從外部熱源傳遞到皮膚的過程很慢，雖然纖維的熱分解溫度較高，但纖維在熱分解過程中會粘附在皮膚上并放出大量熱量；水凝膠中含有大量的水，因而其熱容較高，在防火應用中，隨著水分的蒸發，水凝膠的熱容降低，水凝膠開始分解。將兩種不同的防火材料復合，可以得到兼具二者優點的防火復合材料。作者將水凝膠縫合在纖維織物上，使之成層，以期達到優良防火性能。

作者對羊毛、芳綸、氧化聚丙烯腈織物和水凝膠分別做了防熱測試、防火測試和熱防護性能測試，并通過計算構建了新的熱傳遞模型，同時對水凝膠 - 織物層壓板進行了優化設計處理。相關成果以“Fire-Resistant Hydrogel-Fabric Laminates: A Simple Concept That May Save Lives”為題發表在ACS Applied. Materials & Interfaces上。

圖文導讀

圖1. 水凝膠 - 織物層壓板的設計

如圖是作者設計的水凝膠 - 織物層壓板的結構圖，（a）在暴露于火焰之前層壓板的初始狀態。 b）在當前狀態下，當水蒸發時，火焰的熱量被帶走，干燥的聚合物層。當水蒸發時，水凝膠 - 干燥聚合物界面處的100℃邊界在水凝膠中不斷前移，與此同時，具有低導熱性的織物可以在這個過程中保護皮膚。

圖2.各種材料的防熱測試效果圖

（a）將樣品置于溫度為Th = 350和500℃的熱板上，30秒后觀察不同阻燃材料的頂面。樣品的尺寸統一為55.0×37.5×3.0 mm³.（b）中羊毛在350℃碳化并變脆和變硬。在500℃時，在熱板上熔化，無法回收。（c）芳綸織物在350℃時有效地耐熱，但在500℃時它迅速收縮，碳化并變成堅硬的織物片。（d）O-PAN織物在兩個溫度下都能有效地抵抗熱量并且不會收縮。（e）水凝膠在高溫下不會收縮，在邊緣和角落部分附近只有很少的碳化。（f）使用熱像儀在T h = 500℃時對不同阻燃材料的頂面溫度，可以發現水凝膠的高熱容可以在較長的一段時間內使最高溫度保持在100℃附近，符合理論預期。

 

圖3. 各種材料的防火測試效果圖

對幾種材料做防火測試，發現：（a）當暴露在火焰中時，羊毛在幾秒鐘內就會燃燒，并在接下來變得脆弱。（b）芳綸織物燃燒，并且在火焰之后收縮。（c）O-PAN織物在1分鐘時，與其初始狀態相似，暴露8分鐘后燃燒。（d）水凝膠暴露1分鐘后仍保持柔韌性， 4分鐘后發生燃燒。（e）觀察樣品厚度-燃燒時間的函數圖像，O-PAN織物和水凝膠隨著厚度的增加燃燒時間也明顯增加。

圖4.對各種材料進行熱防護性能測試的效果圖

（a）是TPP測試的結構。（b）銅量熱計吸收的不同阻燃材料的熱量實驗數據和模型預測結果。芳族聚酰胺，O-PAN和羊毛的比熱分別為1748,740和1200J /（kg K）。芳綸，O-PAN和低溫的導熱系數分別為0.15、0.031和0.04 W / mK。，芳族聚酰胺，O-PAN和羊毛的密度分別為446、75和162kg / m³（測量）。（c）水凝膠-織物層壓板的照片。測試過程中通過螺紋連接將水凝膠與織物制備成層壓材料。結果證明，測試的觀察值與模型預測值基本吻合，水凝膠-纖維織物復合材料能有效阻礙熱量的傳遞。

總  結

耐火聚合物織物主要由于其高分解溫度和低導熱性而保護皮膚免受燒傷，不過，高于分解溫度時不能提供良好的保護。水凝膠用于耐火應用，但由于水的高導熱性而不能長時間使用。本課題通過將水凝膠和織物組合成層壓材料，設計出比織物或水凝膠更好的耐火材料：水凝膠可以在水蒸發時保護織物免受高溫影響，而織物因其導熱系數低可以保持皮膚處于安全的溫度。

來源：高分子凝膠與網絡