《Process Safety and Environmental Protection》：Preparation and Characterization of a Highly Flame-Retardant Silica-Based Gel for Forest and Grassland Fire Suppression
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摘要基于二氧化硅的凝胶具有快速凝胶化和优异的阻燃性能，在森林和草原灭火方面前景广阔。然而，其实际应用受到结构脆性、快速脱水、粉化和凝胶化动力学不受控等问题的制约。为克服这些局限性，本研究开发了一种新型有机偶联增强型二氧化硅基凝胶（OCSG）体系。通过评估各种无机基材、聚合物和
摘要
基于二氧化硅的凝胶具有快速凝胶化和优异的阻燃性能，在森林和草原灭火方面前景广阔。然而，其实际应用受到结构脆性、快速脱水、粉化和凝胶化动力学不受控等问题的制约。为克服这些局限性，本研究开发了一种新型有机偶联增强型二氧化硅基凝胶（OCSG）体系。通过评估各种无机基材、聚合物和硅烷偶联剂，对配方进行了系统优化。对冷冻干燥样品进行了微观结构和光谱分析（SEM和FTIR），以阐明交联机制。此外，评估了不同凝固剂的凝胶化动力学，并测试了凝胶涂层木板的阻燃性能。结果表明，加入CMC-Na赋予了关键的原位成膜和碳化特性，而硅烷偶联剂则通过共价键和盐桥增强了机械网络。这种有机-无机偶联创建了一种坚固的蜂窝状分级结构，通过Si–O–Si振动的特征性红移得到证实。本研究提出将凝固剂动力学分为U形和L形两种剂-凝胶化曲线轮廓，并确定NH4H2PO4（MAP）和CO2为高效、时间可调的替代方案。在直接火焰暴露下，OCSG迅速形成致密的保水屏障，抑制了纯二氧化硅凝胶（SG）所特有的剧烈"热爆"现象。最终，点燃延迟指数比纯SG涂层面板高出3倍以上，与未处理的对照组相比，最大炭化深度减少了60%，展示了OCSG在灭火应用中的潜力。
引言
森林和草原火灾是破坏性极强的自然灾害，对生态环境和人类安全构成严重威胁（Westerling等，2006，Wu等，2022，Boer等，2020）。近年来，这些火灾的频率和严重程度急剧增加。根据联合国的统计数据，全球每年发生超过20万起此类火灾，总烧毁面积稳步扩大。仅在过去十年中，全球森林的累计烧毁面积已达到8200万公顷（Du等，2023）。值得注意的是，2025年加利福尼亚州的山火蔓延至城市区域，造成了毁灭性的经济损失，引起了广泛的国际关注。
森林和草原火灾的管理与扑救一直是国际社会面临的艰巨挑战。全球研究者对防火和控火进行了深入的研究。这些研究主要聚焦于火灾蔓延机制、灭火材料和战略决策等方面，取得了显著进展（Duff和Tolhurst，2015，Plucinski，2019a，Plucinski，2019b，Zong和Tian，2019）。然而，虽然传统灭火剂可以扑灭局部火灾，但受到效率低、容易复燃和潜在环境风险等限制（Rabajczyk等，2022，Dong等，2024a）。目前，灭火技术和设备的发展遇到了瓶颈，特别是在提高灭火剂效率方面。近期的工艺安全研究进一步探索了新型水基灭火配方，包括碳酸氢盐干水灭火剂（Wang等，2024）、用于煤矿火灾控制的改性干水体系（Wang等，2023）以及复合粉体灭火介质（Cao等，2024），突显了对高效、强粘附灭火材料日益增长的需求。近年来，凝胶型灭火剂引起了广泛关注。这类灭火剂具有高稳定性和低流动性，能够长时间附着在目标表面并在低用量下高效工作。因此，它们在扑灭活跃火灾、防止复燃以及为未点燃材料提供隔热和阻燃方面效果显著。这些独特性质展示了其在各种火灾场景，特别是森林和草原灭火中的巨大应用潜力（Kang等，2024，Li等，2024，You等，2023）。
先前的凝胶体系主要分为无机和有机两类。无机体系基于硅酸盐（Zhu等，2017，Vinogradov，2016，Kuprin，2017）和铝盐（Guo等，2019），在添加凝固剂后发生凝胶化。然而，它们存在含水率低、保水性差、脆性大、管道堵塞和易粉化等缺点。相反，有机体系包含各种自凝胶化聚合物，如聚乙二醇（Guo和Liew，2018）、纤维素（Wu等，2021，Dong等，2024b）、明胶（Kang等，2025）、果胶（Tian等，2025）和大豆蛋白（Wang等，2025）。这些材料通常存在成本高、粘度过大和凝胶化时间过长等缺点。
基于二氧化硅的凝胶（SGs）以液体硅酸钠（水玻璃，WG）为基材，已成为当前研究的重点。为克服其固有缺陷，研究者尝试通过无机和有机掺杂来增强SG性能。例如，Fan等（Fan等，2020）通过在传统水玻璃/凝固剂/膨润土体系中加入聚合物增塑剂，开发了一种新型塑性凝胶。这种改性显著增强了凝胶的致密性和表面光滑度，有效抑制了煤中亚甲基的氧化。其他研究将花青素引入硅酸钠凝胶体系（Xue等，2020，Lu等，2021）。抑制试验表明，该复合材料减缓了煤的氧化和放热；此外，灭火实验表明凝胶能有效覆盖燃烧的煤炭，在1850秒内将核心温度从727°C降至室温，从而实现稳定且不复燃的灭火效果。此外，研究者利用柠檬酸铝缓解硅基凝胶泡沫的粉化问题，获得了一种高保水性的SG泡沫（Zhang等，2022a，Zhang等，2022b，Gong等，2022）。在高温下，该泡沫通过在木材表面形成稳定的SiO?层和含Si–O–C键的碳化层来实现阻燃。此外，其亲水基团和无定形二氧化硅吸附水分子以增强保水性，热重分析和垂直燃烧试验证实了其抑制木材热解和降低质量损失率的能力。
然而，关于二氧化硅基凝胶（SGs）在森林和草原防火中应用的研究仍处于起步阶段，传统凝胶剂和凝固剂的固有局限性尚未解决。为解决这些问题，本研究提出了一种有机偶联增强的二氧化硅基凝胶复合凝胶剂。富含亲水基团的长链有机聚合物与SG网络的物理交联显著增强了保水性、韧性和粘附性。此外，偶联剂通过其氨基和硅氧烷基团桥接有机聚合物和SG网络，进一步提高了凝胶的综合性能。此外，通过广泛的筛选，确定了具有可控凝胶化时间的凝固剂。
随后对所配制的二氧化硅基凝胶进行了系统研究。具体而言，评估了无机凝胶剂的模数和浓度、有机聚合物的类型和浓度以及偶联剂的浓度对体系凝胶化时间、阻燃性和保水性的影响。扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析验证了有机偶联增强型二氧化硅基凝胶（OCSG）的结构形成，并提出了相应的增强机制。此外，考察了不同凝固剂的影响，阐明了凝固剂用量与凝胶化时间之间的定量关系。最后，比较了增强前后的二氧化硅基凝胶涂层木板的阻燃性能。这些发现为森林和草原先进凝胶灭火剂的开发提供了新的见解，为凝胶灭火剂的开发提供了参考。
章节摘要
材料
复合凝胶剂。无机成分为水玻璃（WG；硅酸钠，约40°Bé），使用三种规格，二氧化硅模数（SiO?/Na?O摩尔比）分别为2.2、2.7和3.3。有机聚合物为阴离子聚丙烯酰胺（PAM；固含量>85 wt%，分子量>3×10? g/mol）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na；CP，粘度300–800 mPa·s）、黄原胶（XG；CP）、硅氧烷-聚醚树脂乳液（FM-550；55 wt%）、海藻酸钠（SA；CP）和聚乙二醇6000（PEG
复合凝胶剂优化
无机基材（WG）是复合凝胶剂的主要成分。先前的研究部分解释了其凝胶化机制（Matinfar和Nychka，2023）：在弱酸性（7 > pH > 2）或弱碱性（11 > pH > 7）条件下并含有盐时，硅酸盐单体之间的Si–OH键通过氧逐步缩合，形成Si–O–Si键。随着分子量升高，产生大体积胶体颗粒，使溶液变稠。然后，这些颗粒
结论
本研究成功开发了一种新型有机偶联增强型二氧化硅凝胶（OCSG），以解决传统二氧化硅凝胶固有的结构脆性和剧烈"热爆"缺陷。通过系统的成分优化、微观结构表征和凝固剂动力学分析，阐明了其增强阻燃性能的基本机制。主要结论和创新点总结如下
CRediT作者贡献声明
石泉林： 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法学，资金获取。秦波涛： 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法学，资金获取，概念化。龚子涵： 写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，正式分析，数据整理，概念化。邱静： 验证，调查。
利益冲突声明
作者声明，不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3012500）和徐州科技计划（项目编号：KC25116）的支持。
龚子涵|秦波涛|石泉林|邱静
