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(guò)溶膠-凝膠過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)碳化間苯二酚和甲醛氣凝膠獲得，后來(lái)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(lái)。

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(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程。結(jié)果表明，在熱通量為25 kW/m2時(shí)疏水SiO2氣凝膠開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)以下兩種策略來(lái)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(lái)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(guò)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?；谝陨蟽煞N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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)程中抑制劇烈的起泡過(guò)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?？傖尫艧?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?，煙氣排放減少，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?；谝陨蠁?wèn)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(guò)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(guò)將冷凍的PVA/MMT溶膠浸入硼砂溶液中，在冰融化過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(shù)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(guò)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?，F(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)在溫和的NaOH/PEG溶液中溶解、凍融處理，再經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)程成本較高，因而急需開(kāi)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(lái)了燃燒風(fēng)險(xiǎn)，但一直為人所忽略。所以可以通過(guò)采用不易燃的硅源和酸，以及熱處理等方法來(lái)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(guò)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。