气凝胶被称为“固体烟雾”或“冰冻烟雾”，是一种由胶体粒子或高聚物相互连接形成的纳米多孔轻质固体材料。这种材料一般通过特定的干燥方式将湿凝胶中的液体替换为气体而获得。
自问世以来，气凝胶以其极低的密度、超高的比表面积、优异的隔热性能和吸附性能等优异的物理性能，在保温隔热、吸附、催化剂载体等方面展现出巨大的应用潜力。作为一类备受关注的新结构材料，积极开展气凝胶领域的相关基础和应用研究已成为推动我国新材料产业创新，助力发展新质生产力的重要发力点之一。
1 气凝胶的吸附性和隔热性
气凝胶的吸附性是其显著的特征之一，主要得益于其特有的纳米多孔网络结构和巨大的比表面积。纳米多孔结构不仅提供了广阔的分子接触面积，还通过孔隙的尺寸和形状对特定分子的吸附提供了选择性。
例如，二氧化硅气凝胶在捕获有机分子方面的能力甚至超过了活性炭和硅胶等传统的吸附剂。这是由于气凝胶表面存在大量的未饱和表面原子，具有较高的化学活性，使得SiO2气凝胶对各种分子展现出强烈的吸附倾向，成为最先应用于气体吸附领域的材料。
炭气凝胶的比表面积和孔体积高于SiO2气凝胶，经活化后可达3300㎡/g，是另一大类气凝胶吸附材料。在滤罐式防毒面具中，Zr(OH)4基纤维气凝胶可以作为一种高效的吸附和催化降解材料。
此外，经疏水性改性的气凝胶能够在水中迅速吸收油脂，用于清理溢油事故。未经改性的亲水性气凝胶则能有效吸附水中的重金属离子和其他有害物质，用于水净化处理。
气凝胶材料还具有卓越的隔热性能。在众多气凝胶品种中，SiO2气凝胶已经被广泛地应用于隔热领域，其导热系数介于0.013~0.030W/m·K),能够适应-200~800℃的温度范围，是理想的超级隔热材料。
SiO2气凝胶的隔热机理可以从传热的3种基本方式(热传导、热对流以及热辐射)进行分析。SiO2气凝胶的三维网络骨架由球状的SiO2纳米粒子构成，增加了热传导路径，显著降低了热传导效率。其高达80.0%~99.9%的孔隙率和小于空气分子平均自由程的孔径限制了空气分子运动，能够有效减少热对流。
SiO2气凝胶的孔壁结构形成了反射面和折射面，能够最大限度地抑制热辐射的传递，SiO2气凝胶还展现出耐高温的特性，在900℃高温下仍保持良好的多孔结构，且由于其不燃性，还具备了优秀的防火性能。
除SiO2气凝胶外，近年来其他气凝胶的隔热性也受到越来越多的关注，应用范围逐渐扩大。金属氧化物气凝胶如氧化铝，凭借其高温耐受性和化学稳定性,作为耐火隔热材料已经应用在高温工业领域。有机气凝胶如聚酰亚胺(PI)气凝胶具有较高的机械强度且低吸湿性能，在航空航天隔热材料及防火织物等领域应用广泛。
综上所述，以SiO2气凝胶为代表的气凝胶材料普遍具有出色的隔热性能和吸附性质，使其在防火和灭火领域具有广泛的应用前景，可有效隔离高温热源，减缓火势蔓延速度，并在灭火过程中吸收有害化学物质和烟雾，提高灭火效率和安全性。
2.1 防火保温材料
目前，我国建筑外墙使用的保温材料主要是挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）、模塑聚苯乙烯泡沫（EPS）、聚氨酯泡沫（PU）等有机材料以及岩棉、玻化微珠等无机材料。传统的有机保温材料通常存在易燃的问题，而无机保温材料密度大且吸水后易保温失效，难以同时满足保温和防火的需求。针对这一挑战，许多学者提出使用气凝胶作为保温耐火材料的设想。
SiO2气凝胶作为一种新型的保温材料，因其独特结构和优异导热性，近年来在防火保温领域受到广泛关注。
相较于陶瓷隔热层等传统保温材料，SiO2气凝胶在高温条件下表现出更加卓越的稳定性，具有显著的防火阻燃性能，使得SiO2气凝胶在防火保温领域具有广阔的应用前景。
然而，SiO2气凝胶在实际应用中仍存在一些问题，需要进一步研究和解决。尤其是力学性能较差，容易受到外力破坏，导致在建筑外墙使用时易破裂，限制了其应用范围。
针对上述问题，程凯等采用溶胶-凝胶法制备了疏水改性SiO2气凝胶，水接触角高达139°。制得的SiO2气凝胶平均孔径可达16.86 nm，孔隙率超过了96%，导热系数最低为0.027 4 W/（mK），具有优异的隔热性能。但疏水改性可能会增加SiO2气凝胶的制备成本，并可能对其他性能产生影响，这需要在实际应用中进行综合考虑。
综上所述，SiO2气凝胶的低热传导性和耐高温特性，使其成为防火保温材料的优选材料。疏水改性和装配技术的创新，增强了SiO2气凝胶在实际应用中的安全性与稳定性，为开发更高性能的保温材料开辟了新途径。未来的研究应继续关注如何进一步提高SiO2气凝胶的力学性能和环境适应性，以实现在更广泛领域的应用。
2.1.2 生物基气凝胶防火保温材料
近年来，生物基材料的重要性日益凸显，它们不仅提供了一种可再生和环境友好的替代选择，而且往往在性能上也能满足特定应用需求。
纤维素是最丰富的可再生资源，可从木材、竹子和棉花等生物质材料中提取。研究指出，纤维素基气凝胶在隔热保温领域具有较大潜力。
除纤维素基气凝胶外，其他生物基材料也在防火保温领域取得重要突破。俞书宏团队使用天然生物质和天然矿物制备的纯天然仿木气凝胶具有优良的隔热和耐火性能，其耐火温度超过1300 ℃，并能够在火焰中持续暴露超过20 min，这一突破对防火保温材料的开发具有重大意义。
然而，在低碳节能的背景下，尽管生物基气凝胶以可再生资源为原料具有环保性，但制备过程中不可避免会使用有机溶剂，这些溶剂的使用和排放会对环境造成污染，需采取有效措施进行控制和处理。
通过生物基材料的合理设计和改性，可以开发出既环保又高效的保温材料。特别是通过添加阻燃剂和采用环保的制备工艺，可以显著提升材料的防火性能，这对于提高建筑安全标准、降低火灾风险具有重要意义。
将不同材质的气凝胶结合可以获得复合气凝胶。复合气凝胶综合了不同气凝胶的优点，例如，可以同时具备良好的机械强度和防火性能，能应用于更为严苛的环境。
张泽研发的聚甲基硅氧烷-聚酰亚胺复合气凝胶，以其卓越的机械性能和耐高温性，为防火保温材料领域带来了突破。这种材料不仅具备优秀的压缩性，还显示出极高的热稳定性，其分解温度高达400 °C，即使在火焰中持续灼烧30 min，也能维持结构的完整性，使其成为理想的防火保温材料。
通过巧妙的材料设计和改性，复合气凝胶材料不仅提升了防火保温性能，还增强了机械强度和耐久性，为筑安全和节能提供了高效、环保的解决方案。
气凝胶防火涂料是一种特种涂料，它通过在被保护材料表面形成涂层，隔绝材料与空气的直接接触，延缓热量传递，从而提高被保护基材的耐火极限。
然而，在实际应用过程中，气凝胶防火涂料与混凝土基材之间的兼容性问题不容忽视。由于混凝土基材的复杂性和多样性，涂料与基材之间的黏结力直接影响涂层的防火效果。
然而，在实际应用过程中，气凝胶防火涂料与混凝土基材之间的兼容性问题不容忽视。由于混凝土基材的复杂性和多样性，涂料与基材之间的黏结力直接影响涂层的防火效果。
通过无机黏结剂与可再分散乳胶粉结合，有效增强了涂料在复杂混凝土基材上的稳定附着性。但仍需进一步深入探讨孔隙率、涂料组分间的相互影响及涂层的耐久性和适应恶劣环境的能力，以期推动其广泛应用。
徐国强等利用硬硅钙石和SiO2气凝胶制备了一种新型的超级绝热材料，并将其与防火材料复合形成防火板材。该板材在提升钢结构防火性能方面具有显著优势，其耐火极限较传统防火涂料提高了2.5倍，可为钢构件提供更高级别的防火保护。
具备优异隔热性和低可燃性的气凝胶在锂离子电池热防护领域备受青睐，大量研究证实了其在抑制锂离子电池热失控传播方面具有应用潜力。通过对气凝胶材料基体进行适当改性，并将其复合于动力电池系统中，可以有效提升锂离子电池的防火性能。目前，陶瓷纤维气凝胶毡、玻璃纤维气凝胶毡等气凝胶防火分隔材料已在锂离子电池组防火方面获得初步应用。
消防服是消防员抵御恶劣火场环境的重要屏障，优异的隔热性能是其保障消防员安全的关键特性之一。高质量的消防服能够有效隔绝火焰和热量，减少身体受到热伤害的风险，同时提供必要的柔韧性，以保证消防员活动自由。随着材料科学的进步，新型高性能隔热材料如气凝胶等在消防服中的应用，进一步提高了防护水平，为消防员在复杂多变的火场环境中提供了更为可靠的保护。
气凝胶的纳米多孔结构不仅拥有出色的隔热性能，还有强大的吸附能力。这种吸附特性使气凝胶成为潜在的高效灭火剂，能够快速吸收火源中的有害化学物质和烟雾。
我国发布实施的T/COS 014-2023《二氧化硅基气凝胶灭火剂》中指出，气凝胶灭火剂可以用于扑救A、B、E、F类火灾及锂电池火、醇类火、重油火等初期火灾。该标准的发布，标志着气凝胶灭火剂正式进入实用阶段。
张学同等开发了一种含气凝胶材料的高效液态灭火剂，该灭火剂通过气凝胶粉末与灭火增强剂的协同作用，有效阻隔热量传递和火焰蔓延，展现出简便的操作性和高度的安全性，同时具备优异的灭火效能和阻燃特性。
安春研制了一种水基气凝胶高效灭火剂，由无机气凝胶粉末与多种阻燃剂组成，具有良好的防火和阻燃性能。由于该阻燃剂具有更长的保质期和更优的灭火效能，因此得到了更广泛的应用。
LIU C X等制备了气凝胶灭火剂，并分别采用气凝胶灭火剂、磷酸铵干粉灭火剂、水基灭火剂进行了A类标准火和B类标准火的灭火试验。通过灭火试验对比了气凝胶灭火剂与传统灭火剂的灭火性能，结果显示，气凝胶灭火剂在灭火时间和冷却速度上表现更优。
锂电池火灾火势蔓延迅速、释放有毒气体且难以扑灭，会对人员健康和安全构成极大威胁。WENG JW等和李松的研究表明，气凝胶在吸收热量、抑制火焰、降低燃烧峰值温度以及延缓火灾传播方面具有显著效果，为磷酸铁锂电池火灾防控提供了科学试验依据和实际应用指导。
气凝胶泡沫灭火剂是将经表面改性处理后的无机多孔气凝胶微粒、含磷阻燃剂、含氮阻燃剂、亲水剂按一定质量比混溶于水中制得的。刘通等通过搭建连接有气凝胶灭火剂喷淋装置的锂电池热失控特征测试平台，研究气凝胶泡沫灭火剂在防治电池火灾方面的效能。
如图1所示，电池起火后，气凝胶灭火剂展现出出色的明火抑制效果，接触电池表面形成的致密泡沫，能够有效阻隔氧气，实现快速灭火。对于已经发生热失控的情形，气凝胶灭火剂凭借预热覆盖效果，显著缩短电池射流火的持续时间，可大幅降低电池火灾危害。
综上所述，气凝胶灭火剂的研发和应用为火灾防控领域带来了新的选择。从标准制订到实际的应用，气凝胶灭火剂在多种火灾场景下展现出的卓越灭火性能及安全性，已经日益受到广泛重视。
气凝胶以其出色的隔热和吸附性能，在安全领域中发挥着越来越重要的作用。在防火领域，高效隔热特性使其成为提升建筑耐火等级和船舶防火性能的优选材料。气凝胶还特别适用于锂电池热失控的阻隔，为新能源安全提供了创新解决方案。
此外，气凝胶的轻质特点使其成为提升消防服性能的理想材料，增强了消防员在恶劣火场环境中的保护。在灭火救援领域，气凝胶灭火剂因其环保性、高效灭火性能以及对复杂火情如锂电池火灾的应对能力而得到认可，不仅能迅速熄灭火焰，还能吸附有害化学物质和烟雾，减轻火灾对环境和人体健康的影响。
气凝胶在防火和灭火领域的应用具有良好前景，但也面临制备成本高和力学性能较差等挑战。传统的超临界干燥技术和冷冻干燥技术成本高且能耗大，尽管常压干燥技术已有所发展，但前二者仍是新型气凝胶开发的优先选择。此外，制备过程中的有机溶剂使用对环境和人体健康构成潜在风险，其无害化处理也进一步增加了成本。
为推动气凝胶的商业化生产和应用，需要探索更环保、经济的生产工艺。针对部分气凝胶脆性大和易吸水的问题，可以积极探索功能化改性或开发新型复合气凝胶来提升其力学性能和疏水性。随着技术进步，未来气凝胶在防火和灭火领域的应用必将更加深入。
文章节选自：王伊辰,李思成,王学宝,.气凝胶在防火和灭火领域的应用研究进展【J】.消防科学与技术,2024,(12):1683-1689.
气凝胶企业产业链从成胶，封装，到电池包、储能、轨道交通、建筑、管道等下游应用，从材料的前驱体到各种纤维如陶瓷纤维，玻璃纤维，泡棉等，以及封装材料如PET、PI膜，热熔胶、硅胶框等，同时也包括在生产过程中的设备，如超临界设备，热压机，模切设备。
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原文始发于微信公众号（艾邦气凝胶论坛）：气凝胶在防火和灭火领域的应用研究进展
