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浙大曹堃教授團(tuán)隊(duì)與合作者 Commun. Mater.：環(huán)境友好型森林防火新策略 - 基于明膠的防火噴霧（FRS）
2024-12-28  來(lái)源：高分子科技
關(guān)鍵詞：防火 明膠 防火噴霧

  近年來(lái)，隨著全球變暖，頻發(fā)的森林火災(zāi)對(duì)生物多樣性和人類生命造成了嚴(yán)重威脅，且導(dǎo)致了重大經(jīng)濟(jì)損失、空氣污染、土壤侵蝕和退化等系列問(wèn)題。傳統(tǒng)的森林防火措施，無(wú)論是主動(dòng)還是被動(dòng)，都存在環(huán)境污染、靈活性差以及在偏遠(yuǎn)地區(qū)可用性有限等問(wèn)題。特別是面對(duì)火焰高度大、傳播迅速的樹冠火時(shí)，現(xiàn)有方法多集中于滅火，而鮮少關(guān)注對(duì)新鮮樹木的有效防火保護(hù)。因此，設(shè)計(jì)一種既環(huán)保又能顯著提升整體森林防滅火性能的新策略，成為亟待解決的重大挑戰(zhàn)。這需要綜合考慮材料科學(xué)、生態(tài)影響和實(shí)際應(yīng)用效果，以期實(shí)現(xiàn)森林資源的有效保護(hù)。


  鑒于此，浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹堃教授團(tuán)隊(duì)及其合作者開發(fā)了一種新型防火材料——基于明膠的防火噴霧（FRS），這一設(shè)計(jì)有望為森林防火提供一種既高效又環(huán)保的新方法。值得注意的是該防火噴霧能夠在干旱期對(duì)樹木進(jìn)行防火保護(hù)，有效延緩鮮葉、枯葉的點(diǎn)燃時(shí)間，促進(jìn)火自熄滅，抑制火勢(shì)的蔓延。一旦火災(zāi)警報(bào)解除，例如被雨水沖刷后，噴灑的物質(zhì)可生物降解，在不影響土壤微生物群功能的前提下，作為葉面和土壤肥料促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。



  2024年12月19日，該論文以“Gelatin-based spray for forest fire prevention and fertilization”為題發(fā)表在最新一期NATURE旗下的《Communications Materials》上，第一作者為浙江大學(xué)博士生艾遠(yuǎn)芳，通訊作者為浙江大學(xué)曹堃教授、浙江科技大學(xué)劉赫揚(yáng)教授。


  在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行森林防火環(huán)保噴劑方面的后續(xù)探索，目前已成功實(shí)現(xiàn)針對(duì)極易燃干松針的離火即可自熄的優(yōu)異性能（圖1），相關(guān)研究正在示范應(yīng)用評(píng)價(jià)之中。


圖1. 噴火十秒后的離火即可自熄滅的實(shí)驗(yàn)示范視頻（unpublished）


  作者通過(guò)明膠、植酸、聚乙二醇和尿素簡(jiǎn)單反應(yīng)得到了噴霧前驅(qū)體。噴霧具有非常高的使用安全性，能夠形成高透光率（89.1%）和低霧度（2.8%）的薄膜。此外，較低的表面張力和接觸角，賦予了噴霧在超疏水荷葉上具有抗反彈性能，因此在樹葉上能快速自動(dòng)鋪展并成膜。


圖2. 環(huán)境友好型阻燃噴霧劑的制備及其特性


  將該噴霧劑分別應(yīng)用在兩種含水率不同的桂花鮮葉和兩種枯葉（松針和含笑落葉）上，能夠有效降低燃燒溫度和燃燒區(qū)域，通過(guò)錐形量熱測(cè)試（CCT）分析了其熱釋放過(guò)程，結(jié)果表明鮮葉和枯葉的點(diǎn)燃時(shí)間分別延長(zhǎng)了1.8倍和16.3倍，總熱量釋放減少了34%和39%，火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)分別降低了78%和92%。為進(jìn)一步驗(yàn)證其防火保護(hù)，將噴霧噴灑于鮮活的易燃樹種柏樹上，在大火的持續(xù)的燃燒下，能夠明顯延緩樹木的燃燒。


圖3.環(huán)境友好型阻燃噴霧劑的防火性能


  針對(duì)FRS優(yōu)異的阻燃性能，作者對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。主要原因是明膠膜在燃燒過(guò)程中會(huì)形成較為致密的炭層，起到物理屏障的作用，達(dá)到隔氧隔熱的效果。同時(shí)，涂層中的磷元素在高溫下分解成含磷自由基，淬滅反應(yīng)鏈，抑制燃燒過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)快速自熄及迅速降溫的效果。


圖4. 環(huán)境友好型阻燃噴霧劑的阻燃機(jī)理


  值得注意的是，FRS不僅提供了高效的防火保護(hù)，其降解產(chǎn)物還能作為肥料促進(jìn)植物生長(zhǎng)。一旦火災(zāi)預(yù)警解除（如遇雨），噴灑在土壤和樹葉上的物質(zhì)就會(huì)開始分解，向土壤和植物葉面中釋放氮和磷等養(yǎng)分，有助于提高植物的光合作用。結(jié)果表明，小麥幼苗在接受FRS處理后，其凈光合速率提高了63-84%，植物高度增加了2.5-3.2厘米。更重要的是，即使在高濃度下，FRS也不會(huì)影響土壤微生物群的功能，有別于一般的滅火劑，可確保土壤生態(tài)環(huán)境的基本穩(wěn)定。


圖5. 環(huán)境友好型阻燃噴霧劑對(duì)植物生長(zhǎng)和土壤特性的影響


  曹堃教授團(tuán)隊(duì)提出的基于明膠的膨脹型阻燃噴劑為森林防火帶來(lái)了新的思路和技術(shù)手段。它不僅解決了現(xiàn)有防火措施中存在的諸多問(wèn)題，而且通過(guò)引入生態(tài)友好的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了防火與植被養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的目標(biāo)，尤其為經(jīng)濟(jì)型作物的全周期養(yǎng)護(hù)提供新方法。隨著后續(xù)研究和技術(shù)優(yōu)化，我們有理由相信，這項(xiàng)創(chuàng)新成果將在未來(lái)的森林管理和生態(tài)保護(hù)工作中發(fā)揮重要作用，為構(gòu)建更加安全、綠色的世界貢獻(xiàn)一份力量。


  該研究是曹堃教授團(tuán)隊(duì)繼“可用于木材保護(hù)的透明防水無(wú)煙膨脹型阻燃涂料”（Materials Chemistry and Physics 2023）、“超臨界二氧化碳輔助反應(yīng)擠出發(fā)泡聚丙烯無(wú)鹵膨脹型阻燃輕量化材料”（Journal of Applied Polymer Science 2022）等工作之后的又一重要成果，并得到國(guó)家自然基金的資助。論文中種植實(shí)驗(yàn)和相關(guān)測(cè)試得到了浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的大力支持。


  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43246-024-00712-z

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