基于卡拉胶的可持续性水凝胶防火涂层：提升木质结构在野火中的安全防护性能

针对现有合成聚合物基防火水凝胶环境负担重、附着力差的问题，中国科学技术大学团队开发了一种全生物基卡拉胶-植酸钠-木质素磺酸盐复合水凝胶涂层。该涂层通过分子间强相互作用实现高附着力，干燥后形成阻燃炭层，使木材点燃时间延长至67±5 s，总热释放量(THR)降低24.17%，热释放速率(HRR)下降37.2%，防火性能指数(FPI)提升至0.17 m2 /(s·kW)，同时具备99%的抗菌率，为木质建筑防火提供了环保解决方案。

　　

论文解读：

森林野火正以史无前例的规模威胁着全球生态系统和人类社区。2022年欧洲创纪录的野火和美国频发的火灾事件，不仅吞噬了数百万公顷森林，更通过"野地-城市交界带"（Wildland Urban Interface）蔓延至木质建筑群。传统聚丙烯酸基水凝胶虽能通过水分蒸发降温阻燃，但存在高温易分解、化学合成材料难降解等问题；壳聚糖基材料虽能碳化形成隔热层，但吸水性不足。更严峻的是，现有涂层在强风环境下易脱落，干燥后防火性能骤降，这些缺陷在保护粮仓、古建筑等特殊场景时尤为致命。

中国科学技术大学的研究团队独辟蹊径，从海洋红藻中提取的卡拉胶（Carrageenan）入手，结合植酸钠（Phytic acid）和木质素磺酸盐（Lignosulfonate），开发出全生物基防火水凝胶。这种材料巧妙利用卡拉胶分子中的硫酸基团促进高温交联成炭，植酸盐的磷酸基团加速脱水碳化，木质素磺酸盐的酚羟基则通过氢键增强附着力，形成"三位一体"的协同阻燃机制。

研究采用简单的物理共混法构建水凝胶网络：将2g卡拉胶溶于40mL去离子水后，依次加入植酸钠和木质素磺酸盐，通过机械搅拌形成均质溶液后喷涂于西伯利亚落叶松木板。通过扫描电镜观察到冻干后的涂层呈现多孔互穿网络结构，这种结构为快速水分吸收和释放提供了通道。锥形量热测试显示，涂层使木材点燃时间延迟至67±5秒，较未处理样品提升近3倍；总热释放量(THR)降低24.17%，热释放速率峰值(pHRR)下降37.2%。更值得注意的是，防火性能指数(FPI)从0.04提升至0.17 m²
/(s·kW)，火灾增长指数(FGI)从3.49降至1.57 kW/(m²
·s)，表明涂层显著抑制了火势蔓延速度。

分子机制研究表明，卡拉胶热解产生的磺酸基自由基能与燃烧过程中的羟基自由基结合，中断链式反应；植酸盐促进的脱水碳化与木质素磺酸盐的高含碳特性，共同构建了致密隔热炭层。这种"气相-凝聚相"双效阻燃使涂层在干燥后仍保持防护能力，克服了传统水凝胶依赖水分的问题。此外，涂层的抗菌率对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均达99%，这归因于卡拉胶硫酸基和植酸盐的天然抑菌性。

该研究发表于《Journal of Cleaner Production》，其突破性在于：首次将海洋多糖的成胶性、天然阻燃剂的协同效应与木质基材防护需求相结合，创造出兼具环境友好性（100%生物基原料）和工程适用性（抗风蚀、耐干燥）的防火解决方案。对于古建筑保护，这种可逆、无毒的涂层完美契合文物保护伦理；在粮仓等特殊场景，抗菌特性更显价值。团队提出的"生物质资源高值化利用"策略，为发展碳中和背景下的绿色防火材料提供了新范式。