煅烧石膏与纳米二氧化硅协同增强泡沫稳定性与阻燃性能的创新研究

针对传统含氟灭火泡沫的环境污染问题，本研究创新性地利用煅烧石膏（CaSO4 ·1/2H2 O）和纳米二氧化硅（NS）开发了环保型纳米石膏泡沫（Nano GF）。该材料表现出卓越的灭火效率（仅需商业AFFF泡沫50%-70%的用量）和360分钟的超长半衰期，并通过静电吸附和氢键作用稳定CTAB泡沫，同时降低密度、提升流动性。研究揭示了天然资源在消防技术中的突破性应用潜力。

　　

传统含氟灭火泡沫（AFFF）虽能有效扑灭Class B火灾（如汽油、乙醇火灾），但其氟碳表面活性剂的持久性、生物累积性和环境毒性引发严峻挑战。与此同时，现有无氟替代品往往面临泡沫稳定性差、阻燃效率低等问题。如何在保持灭火性能的前提下实现环境友好性，成为消防材料领域的核心难题。

澳门大学与五邑大学联合团队在《Materials Today Communications》发表的研究中，首次将建筑行业常用的天然阻燃剂——煅烧石膏（CaSO₄
·1/2H₂
O）与纳米二氧化硅（NS）结合，开发出兼具超长稳定性和高效阻燃的纳米石膏泡沫（Nano GF）。这种材料不仅将泡沫半衰期提升至传统基质的2倍（360分钟），其灭火效率更是显著优于商业AFFF：扑灭正庚烷和乙醇火灾时，分别仅需AFFF 50%和70%的用量。更令人惊叹的是，密度仅65 kg/m3的Nano GF在500℃火焰中30秒不熔融，而密度更高的普通石膏泡沫（85 kg/m3）已失效。

研究团队采用多尺度技术验证机制：通过光学显微镜和扫描电镜（SEM）观察泡沫微观结构，X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学作用，差示扫描量热法（DSC）测定热性能，并结合从头计算（ab-initio calculation）揭示分子间相互作用。实验设计对比了四种泡沫体系：基础泡沫（无石膏/NS）、纳米泡沫（含NS）、石膏泡沫（含石膏）及Nano GF（双重改性）。

关键结果

1. 室温稳定性：Nano GF的排水率比基础泡沫降低60%，半衰期达360分钟，NS通过抑制石膏团聚和静电吸附稳定泡沫膜。
2. 高温性能：120℃环境下，Nano GF的蒸发时间（80秒）比AFFF延长60%；500℃暴露时，NS通过氢键网络阻止石膏熔融坍塌。
3. 灭火效能：对正庚烷火灾，Nano GF的灭火时间比AFFF缩短40%，归因于石膏脱水吸热（CaSO₄
   ·2H₂
   O→CaSO₄

• 2H₂
  O↑）和NS增强的泡沫覆盖性。

结论与意义
该研究颠覆了石膏仅用于被动防火的传统认知，通过NS与十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的协同作用（静电吸附+氢键），实现了泡沫稳定性与阻燃性能的协同提升。NS的双重角色尤为关键：既作为分散剂防止石膏颗粒聚集，又作为骨架增强泡沫高温稳定性。这种天然资源驱动的技术路径，为Class B火灾提供了首个兼具环境友好性（无氟）、经济性（天然石膏）与卓越性能的解决方案，被作者Guoxing Sun评价为“建筑材料在应急消防领域的范式转移”。未来研究可进一步优化NS粒径与石膏比例，拓展至其他自然灾害防治领域。