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  水凝膠憑借其可調節的物理化學性質，在眾多領域都展現出了廣闊的應用前景，其中，通過引入填料制備的復合水凝膠（CHs）是提升其性能的重要策略。然而，面對液壓密封、鉆孔修復等嚴苛的工業場景，亟需開發一種能夠大量泵送、且無需外部能量輸入即可自發凝膠化的可注射材料。而傳統CHs的制備往往依賴高溫或紫外光引發等高能耗工藝，抑或是受限于高昂的填料成本，嚴重制約了其大規模工業化應用。因此，設計兼具低成本、室溫可控聚合及優異力學性能的新型CHs系統，對推動水凝膠走向實際應用具有重要意義。

  近日，浙江大學鄭強教授、太原理工大學朱鳳博副教授團隊在復合水凝膠領域取得了重要進展。該團隊開發了一種新型CHs系統，創新性地利用煤炭燃燒產生的固廢顆�！勖夯遥�FA）作為可持續且經濟的填料。研究團隊利用粉煤灰中豐富的微量金屬元素的催化特性，結合堿的活化作用，成功實現了乙烯基單體在室溫條件下的快速自由基聚合。該策略無需外部能量輸入即可一步法實現強韌粉煤灰復合水凝膠的規�；苽�。結果表明，通過簡單地調節堿濃度即可實現對凝膠行為的調控。此外，該研究還進一步展示了這種復合凝膠在膠粘劑、快速密封等多場景下的應用潛力。這一策略不僅為粉煤灰的高值化利用開辟了新途徑，也為面向工業化需求的高性能復合水凝膠的設計提供了新思路。

  相關研究以“Alkali-activated fly ash catalyzed sustainable and scalable production of tough composite hydrogels toward versatile applications”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。該論文的第一署名單位為太原理工大學，碩士研究生師小雯為論文第一作者，鄭強教授和朱鳳博副教授為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金 (U22A20151, 52473018) 和山西省自然科學基金 (202403021221044) 的資助。

（1）堿激發粉煤灰催化的復合凝膠的室溫聚合現象

  以常見的丙烯酰胺（AAm）單體為例，當FA和NaOH溶液一并加入含有單體、交聯劑、KPS的混合液后，前驅液在5min內即發生膠凝反應，10min內則完全凝膠化。值得注意的是，這種凝膠過程是在常溫條件下進行的，無需外部紫外線照射或加熱處理。相比之下，僅含FA或僅含NaOH的前驅液均無法自發地快速聚合。更重要的是，該系統對氧氣不敏感，可在空氣中輕松實現工業級原料從7mL到7L的線性放大制備，展現出卓越的規�；瘽摿�。

圖1. 堿激發FA催化的復合凝膠的室溫聚合。

（2）堿激發粉煤灰催化自由基快速聚合的機理

  作者通過掃描電鏡、等溫量熱、電子順磁共振光譜研究了堿激發粉煤灰催化自由基快速聚合的機理。結果表明，堿可以溶解粉煤灰表面的氧化層，該過程一方面伴隨有熱釋放，從而降低常見的熱引發劑過硫酸鉀（KPS）分解所需的能壘；另一方面，堿激發粉煤灰可促進KPS分解并產生大量自由基，從而在無需外部能量輸入的情況下引發自由基單體（如AAm）在室溫條件下的快速聚合。而通過簡單地調節NaOH濃度，可以實現對體系膠凝行為的調控。

圖2. 堿激發FA催化快速聚合的機制。

（3）粉煤灰對復合凝膠機械性能的強韌化作用

  除了催化作用，粉煤灰還可顯著提升水凝膠的力學性能。相較脆而弱的PAAm單網絡水凝膠，含FA的復合凝膠斷裂應力及撕裂能均提升了近10倍，且該凝膠可承受超過95%的壓縮應變并在外力撤除后迅速恢復原狀。粉煤灰對凝膠網絡的強韌化作用來自其與高分子鏈之間所形成的物理相互作用，由此使復合凝膠在變形過程中提供額外的能量耗散能力。

圖3. 復合凝膠的力學性能。

圖4. 粉煤灰對復合凝膠的強韌化作用。

（4）基于堿激發粉煤灰的復合凝膠的多場景應用

  高性能粘合劑：該凝膠前驅體溶液可直接注射于木材、金屬、玻璃等多種基材表面，實現室溫下的快速粘接。

  松散土壤或巖石固定：將凝膠前驅體溶液注入砂粒模型中，室溫下即可發生原位膠凝反應并將砂礫固定。

  鉆孔密封：該凝膠前驅體溶液注入透明管道后，其可原位自發凝膠化，在負壓下管道內可快速建立近真空環境。

圖5. 粉煤灰復合凝膠的多場景應用。

結論與展望

  本研究利用煤炭燃燒的固廢顆粒粉煤灰為填料，結合堿對粉煤灰的活化作用，成功開發出一種在室溫快速膠凝、且可以規模化制備的強韌復合水凝膠體系。其催化機制源于煤灰在堿作用下的放熱溶解，以及其促進引發劑分解并產生大量自由基的協同效應。同時，粉煤灰作為增強相，有效賦予了凝膠網絡優異的能量耗散能力，大幅提升了材料的力學性能。該復合凝膠體系在粘接、巖土固化及煤礦安全密封等領域展現出巨大的應用潛力。該策略不僅為粉煤灰的高值資源化利用開辟了新途徑，也為面向工業應用的高性能復合水凝膠設計提供了新思路。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174270