原位聚合法制备的各向异性生物质防火气凝胶：兼具隔热、机械强度和火灾预警三大功能

《Polymer Degradation and Stability》：In-Situ Polymerization Engineered Anisotropic Biomass Fire-Resistant Aerogels: Triple-Functional Integration of Thermal Insulation, Mechanical Robustness, and Fire-Warning Performance

生物质气凝胶通过引入GO和PANI并采用Ca2+交联制备，形成具有阻燃、智能预警、高机械强度和优异热绝缘性能的多孔结构材料。

　　生物质气凝胶作为一种新型的绿色建筑隔热材料，因其独特的多孔结构和可持续性而备受关注。然而，其在实际应用中受到防火性能差和机械稳定性不足的限制。为此，本研究构建了一种轻质的生物质气凝胶（CS），其主要由羧甲基纤维素（CMC）和海藻酸（SA）组成。在此基础上，进一步引入氧化石墨烯（GO）以增强其结构框架，形成CSG气凝胶。随后，通过原位聚合技术在气凝胶表面涂覆聚苯胺（PANI），构建出具有导电壳层的复合气凝胶（CSGP），从而赋予其防火安全和智能火灾预警能力。

CSGP气凝胶通过生物质成分、GO、PANI和Ca2?之间的多种相互作用，形成了一个分层多孔交联网络。同时，相较于CS和CSG气凝胶，CSGP在压缩强度（8.36 MPa）、热绝缘性能（31.36 mW/(m·K))和水阻性能（32天）方面表现更优。在火灾模拟测试中，CSGP气凝胶展现了出色的阻燃性能，其极限氧指数高达49%，热释放速率峰值低至31.37 kW/m2，这主要归功于PANI/GO复合层所形成的致密物理屏障。此外，通过GO的热还原行为与PANI的电荷传输增强效应，CSGP气凝胶实现了超快的火灾预警响应（1.3秒），这对于紧急疏散具有重要意义。

本研究提出了一种创新的策略，用于生物质气凝胶的多功能集成设计，涵盖机械性能、防火保护和智能预警功能。同时，推动了生物质气凝胶在智能建筑领域的应用潜力。随着城市化进程的加快，智能建筑的发展对材料性能提出了更高的要求。传统的建筑隔热材料虽然在热绝缘方面表现出色，但在防火、机械强度和智能感知方面存在不足。因此，开发一种兼具热绝缘、防火、机械强度和智能预警功能的新型建筑材料成为当前研究的热点。

在建筑材料领域，热绝缘性能是衡量材料质量的重要指标之一。传统的热绝缘材料通常由无机材料（如二氧化硅）或有机聚合物（如聚酰亚胺）制成，其制备过程往往涉及不可再生资源或有毒物质，这不仅对环境不友好，而且增加了材料成本。相比之下，生物质气凝胶主要基于天然生物质材料，如纤维素、海藻酸、壳聚糖等，这些材料不仅广泛存在且可再生，而且在制备过程中能够显著降低成本。特别是纤维素，作为地球上最丰富的天然多糖，展现了在热绝缘材料开发中的巨大潜力。

然而，建筑领域对热绝缘材料的要求远不止于热性能，还必须具备足够的机械强度以承受外部机械应力和环境损伤。基于这一需求，本研究摒弃了单一纤维素制备气凝胶的方法，而是将海藻酸（SA）和Ca2?作为刚性成分，与羧甲基纤维素（CMC）分子链相结合。通过氢键作用，这两种成分在氧化石墨烯（GO）纳米层之间形成协同整合结构。这种结构不仅充分利用了GO的增强作用，还发挥了SA的固有阻燃性能。因此，生物质气凝胶的机械强度和防火性能得到了显著提升。

在高温条件下，GO的电阻会大幅下降几个数量级，转化为高度导电的还原氧化石墨烯（rGO），从而实现快速的火灾检测。然而，GO的热还原过程是不可逆的，这导致其无法重复检测高温环境，只能进行单次应用。因此，将可重复的火灾预警性能工程化地引入这些生物质气凝胶成为本研究的重要目标。聚苯胺（PANI）作为一种典型的导电聚合物，在酸掺杂过程中可以形成极化/双极化电荷载流子，从而显著提高其电导率，并为实现可重复的火灾预警性能奠定基础。

本研究通过原位聚合方法结合冷冻干燥技术，成功合成了具有多功能的火灾预警气凝胶（CSGP），其前驱体包括CMC、SA、GO和PANI，Ca2?则作为交联剂。值得注意的是，气凝胶的多孔结构通过氢键相互作用、物理缠结、Ca2?螯合交联以及静电吸附介导的交联支持系统进行优化，使得CSGP气凝胶具备出色的机械强度（比模量高达54.52 MPa·cm3/g）和热绝缘性能（31.36-33.69 mW/(m·K))。此外，PANI在GO表面的均匀涂覆能够在高温下形成含氮炭层，发挥阻燃作用（LOI高达49%）；另一方面，PANI与GO的协同作用使气凝胶能够在240°C的高温下实现从绝缘状态到导电状态的快速转变（仅需2.1秒），从而激活火灾预警信号。

令人印象深刻的是，CSGP气凝胶还表现出优异的水阻性能（32天）。本研究为多功能生物质气凝胶的开发提供了一种新的设计思路，其集成了结构稳定性、热绝缘、水阻、高强度、防火安全和智能传感功能。这种材料不仅在热绝缘方面表现出色，还具备良好的防火性能和智能感知能力，为智能建筑的发展提供了重要的技术支持。

在实际应用中，建筑火灾的预防和控制需要多方面的技术手段。传统的防火方法通常依赖于被动式防火材料，如防火涂料、防火板等，这些材料虽然能够在一定程度上阻隔火势，但无法实现主动式的火灾预警。因此，开发一种能够集成在建筑材料中的智能火灾预警材料成为当前研究的迫切需求。而CSGP气凝胶作为一种多功能材料，不仅具备良好的热绝缘性能，还能够在高温下实现快速的火灾检测和预警，这使其在智能建筑领域具有广阔的应用前景。

此外，随着人们对环保和可持续发展的重视，开发绿色建筑材料成为当前研究的重要方向。生物质气凝胶作为一种新型的绿色材料，其制备过程无需使用有害物质，且能够利用天然生物质资源，这不仅降低了材料成本，还减少了对环境的影响。因此，CSGP气凝胶的开发不仅满足了建筑领域对材料性能的多方面需求，还符合可持续发展的理念。

在智能建筑的发展过程中，材料的多功能集成设计是实现智能化的关键。传统的建筑材料通常功能单一，无法满足现代建筑对安全、舒适和智能的需求。因此，开发一种能够集成多种功能的建筑材料成为当前研究的热点。而CSGP气凝胶的多功能设计，使其不仅具备良好的热绝缘性能，还能够在高温下实现快速的火灾检测和预警，同时具备较高的机械强度和水阻性能，为智能建筑的发展提供了重要的技术支持。

综上所述，本研究成功开发了一种新型的多功能生物质气凝胶（CSGP），其集成了轻质、水阻、热绝缘、高强度、防火安全和智能感知功能。通过PANI导电层的构建，CSGP气凝胶实现了从传统被动式防火材料向多功能智能材料的转变。这一材料的开发不仅提升了建筑领域的材料性能，还为智能建筑的发展提供了新的思路和技术支持。未来，随着材料科学和工程技术的不断进步，生物质气凝胶有望在更多领域得到应用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。