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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  來源:高分子科技
關(guān)鍵詞:防火 明膠 防火噴霧

  近年來,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題。傳統(tǒng)的森林防火措施,無論是主動(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)。



  20241219日,該論文“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(1),相關(guān)研究正在示范應(yīng)用評(píng)價(jià)之中。


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 噴火十秒后的離火即可自熄滅的實(shí)驗(yàn)示范視頻(unpublished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%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)鋪展成膜


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,通過錐形量熱測(cè)試(CCT)分析了其熱釋放過程,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%39%,火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)分別降低了78%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。


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,抑制燃燒過程,從而實(shí)現(xiàn)快速自熄迅速降溫的效果


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。


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題,而且通過引入生態(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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