近日，天津科技大学程博闻院士团队在《Soft Science》期刊发表研究，以纳米纤维素与TiO₂@MXene构建交联气凝胶，兼具高弹性缓冲、压力传感与微量氨气检测能力，可集成于安全帽，为新一代一体化智能个体防护材料提供可行方案。
研究团队跳出单一导电填料思路，选用天然桉木提取的纳米纤维素（CNF）作为整体支撑骨架，CNF来源绿色、成本低廉，三维纤维网络能搭建完整多孔基底；选用高导电MXene纳米片作为传感功能载体，同时通过温和氧化工艺在MXene片表面原位生长二氧化钛颗粒，构建金属-半导体异质结构，专门用来提升氨气识别灵敏度；最后引入硅烷偶联剂GPTMS作为分子“桥梁”，把纤维素与改性MXene牢牢共价交联在一起。
区别于普通简单共混气凝胶，该材料依靠Ti-O-Si、C-O-Si稳定共价键替代脆弱的分子间氢键，从分子层面解决复合材料受压易滑移、结构易坍塌的通病，定向冷冻工艺造就规则层状孔道，为形变缓冲、气体吸附预留充足空间。
超弹性缓冲力学性能：普通纯纤维素气凝胶受压后纤维之间氢键断裂，外力撤去后会出现80%以上永久塌陷；本研究通过GPTMS交联体系构建互穿网络，搭配层状四边形孔道结构，受压时孔壁只会发生S型弯折、四边形折叠，不会出现断裂、坍塌，外力消失后结构可自主复原。即便承受90%极限压缩形变，材料回弹率仍稳定维持95%，经历上千次循环压缩后，力学性能衰减幅度低。
对比市面上安全帽通用EPS、EPE缓冲材料，该气凝胶能吸收更多冲击力；30cm、1米高度鸡蛋跌落直观测试中，商用泡沫会出现鸡蛋反弹二次撞击，而这款气凝胶可快速耗散全部冲击能，无回弹、鸡蛋完好无损，完美适配头部防护场景。高温高湿老化12小时后，材料依旧保持高回弹与稳定抗压强度，井下潮湿、闷热的爆破作业环境也能长期稳定使用。
压阻压力传感：MXene片均匀附着在多孔孔壁上，构成连续导电通路，让气凝胶本身变成柔性压力传感器。材料分层多孔结构带来梯度形变特性，传感区间覆盖0–80%全压缩应变，从轻微磕碰、中等撞击到重度落石冲击都能精准识别。低形变区间传感灵敏度高达3.9，信号线性拟合度接近0.99，信号响应速度稳定在84ms、恢复62ms，历经1500次循环压缩传感测试，信号基线无明显漂移。
室温氨气传感：研究在MXene表面生长TiO₂纳米颗粒，构建肖特基异质结，两种材料界面形成内置电场，大幅放大气体吸附带来的电阻变化。低至1 ppb的微量氨气泄漏都能稳定检出；1 ppm标准氨气环境下，响应时间仅17秒，相比无TiO₂改性的样品检测速度提升近8倍，作业现场炸药微量分解、氨气刚泄漏时就能快速触发预警。即便环境相对湿度提升至85%，也不会彻底破坏传感性能，适配井下潮湿环境长期工作。
物理冲击防护：将气凝胶均匀铺设在头盔内部，层状多孔结构吸收高空坠石、爆破冲击波产生的动能，降低头部撞击峰值加速度；鸡蛋跌落模拟实验直观证明其消能能力优于传统泡沫内衬。
双重实时预警系统：气凝胶单元串联LED指示灯，分为压力预警、毒气预警两套信号。头盔受到撞击时，对应位置指示灯亮起，提醒工人头部受创及时休息；周边氨气泄漏超标时，全域警示灯持续点亮，提示现场存在爆炸、中毒风险，工作人员可第一时间撤离危险区域。
该双传感弹性气凝胶为高危作业智能防护开辟新思路：材料体系创新（生物基CNF+TiO₂异质改性，原料绿色、制备简单、具备规模化潜力）、功能集成创新（单一气凝胶同步实现缓冲吸能、撞击监测、ppb级氨气检测三重功能）、工程落地创新（性能测试贴合矿山爆破真实工况，直接适配现有安全帽结构改造）。
后续可围绕工业化落地与性能拓展持续优化：
简化定向冷冻工艺降低制备成本；调控TiO₂负载量，拓展硫化氢等矿山多毒气同步识别能力；集成柔性无线传输模块，将撞击、氨气数据实时上传终端平台，搭建远程作业安全监测系统；依托生物基纤维素基底开发可降解版本，延伸至消防、化工等多场景智能防护装备。
来源：仪器网、迈爱德编辑整理
为了促进气凝胶技术的研发与应用，艾邦创建气凝胶产业链微信群，希望能够汇聚各方的智慧和资源，共同推动行业的发展。
