仅供医学专业人士阅读参考

点击右上方“关注”，准时接收每日精彩内容推送。

水凝胶在使用过程当中不可避免的问题就是脱水变干燥，尤其是在高温的环境下，水分蒸发的速度会更快。相信大多数做水凝胶材料的研究工作者们都设想过：水凝胶经过脱水变干之后还能有哪些用途。近期在《Nature Communications》期刊上发表的一篇文章指出动态水凝胶在脱水过程中表现出的各向异性脱水模式，脱水诱导的应力触发了动态水凝胶内部聚合物网络的重排，这种重排在宏观结构重建中起着关键作用，为设计新型生物材料和制造技术提供了新的思路。

传送门：

水凝胶脱水还能用吗？《Nature Communications》一文给你答案

斯坦福大学Eric A. Appel研究团队开发的水凝胶实现了“遇热则强”，脱水后会形成二氧化硅气凝胶，这种材料在高温下具有出色的隔热性能，能够在水凝胶完全干燥后继续保护基材不受火焰影响。这一特性使得这些水凝胶在野火防护等应用中具有潜在的优势。相关内容以“Water-Enhancing Gels Exhibiting Heat-Activated Formation of Silica Aerogels for Protection of Critical Infrastructure During Catastrophic Wildfire”为题发表在《Advanced Materials》杂志上。

1.主要内容

用纤维素衍生物以及胶体二氧化硅颗粒作为交联剂构成的聚合物-颗粒（PP）水凝胶在火焰作用下迅速失去水分，形成坚固的固态二氧化硅网络，作为防火的物理屏障。

图1 水凝胶作为可喷涂阻燃凝胶的原理图

两种不同的非共价交联水凝胶（HEC+MC/CSP和MHEC/CSP）以及商业水增强凝胶Phos-Chek AquaGel-K的流变学特性。通过频率扫描测试，测定了存储模量（G′）和损耗模量（G″），并计算了tan(δ)（G″/G′）来评估材料的固体-流体特性。图中还显示了稳态剪切流曲线数据和Herschel-Bulkley模型拟合，用以确定材料的屈服应力。结果表明，与商业AquaGel-K相比，所研究的PP水凝胶配方具有更高的tan(δ)值，表明它们在变形时能更有效地吸收和耗散能量，展现出更流体化的特性。此外，通过添加表面活性剂，如SDS和Tween 20，对水凝胶的流变特性进行了调整，发现添加表面活性剂会降低水凝胶的屈服应力，使其在基材上更易于流动和变形。

图2 两种不同的非共价交联水凝胶的可调剪切流变特性

使用了一种标准的火焰源来模拟野火条件下的高温环境，对不同配方的水凝胶进行了直接火焰暴露，直至木材基材开始炭化。结果显示，基于聚合物-颗粒(PP)相互作用的水凝胶配方，尤其是含有羟乙基纤维素(HEC)和甲基纤维素(MC)的混合物以及添加了表面活性剂SDS的凝胶，能够显著延长木材基材的炭化时间，提供超过7分钟的保护。而MHEC/CSP 1-5配方的水凝胶也提供了超过5分钟的保护。相比之下，商业产品AquaGel-K的保护时间不到90秒。此外，PP水凝胶在火焰暴露下迅速形成坚固的多孔硅质气凝胶层，这种层不仅在燃烧过程中保持了对基材的强附着力，而且在燃烧后可以轻易地从基材上清除，证明了其作为阻燃材料的实用性和有效性。这些结果突出了PP水凝胶在提高火灾防护能力方面的潜力，尤其是在野火等极端条件下保护关键基础设施的应用前景。

图3 PP水凝胶的流变特性影响烧伤性能

通过测量转化后的气凝胶薄膜厚度和定义发泡指数，研究者量化了不同水凝胶配方的隔热效能。SEM图像直观展示了气凝胶的微观多孔结构，证明了PP水凝胶在火焰下能够形成坚固的硅质泡沫，有效隔绝热量，保护基材免受损害，从而验证了其作为高效阻燃材料的潜力。

图4 PP水凝胶通过形成多孔二氧化硅薄膜阻燃

2.全文总结：

研究人员开创了一种创新的水增强凝胶，它利用纤维素聚合物和胶体二氧化硅颗粒的交联作用，展现出优异的粘弹性和保水性能，能够在热激活下迅速转变为具有高度多孔结构的二氧化硅气凝胶，为在灾难性野火中保护关键基础设施提供了一种有效的隔热保护层。通过一系列流变学、燃烧测试和微观结构分析，研究证明了这些水凝胶在火焰下形成坚固的硅质泡沫，有效延长基材的阻燃时间，并且具有生物相容性、生物可降解性和环境友好性，展现出在野地-城市界面防火应用中的巨大潜力。

了解更多

关注“EngineeringForLife”，了解更多前沿科研资讯