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浙大曹堃教授團隊與合作者 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

  近年來，隨著全球變暖，頻發(fā)的森林火災對生物多樣性和人類生命造成了嚴重威脅，且導致了重大經濟損失、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，無論是主動還是被動，都存在環(huán)境污染、靈活性差以及在偏遠地區(qū)可用性有限等問題。特別是面對火焰高度大、傳播迅速的樹冠火時，現(xiàn)有方法多集中于滅火，而鮮少關注對新鮮樹木的有效防火保護。因此，設計一種既環(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、生態(tài)影響和實際應用效果，以期實現(xiàn)森林資源的有效保護。


  鑒于此，浙江大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室曹堃教授團隊及其合作者開發(fā)了一種新型防火材料——基于明膠的防火噴霧（FRS），這一設計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樹木進行防火保護，有效延緩鮮葉、枯葉的點燃時間，促進火自熄滅，抑制火勢的蔓延。一旦火災警報解除，例如被雨水沖刷后，噴灑的物質可生物降解，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植物的生長。



  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博士生艾遠芳，通訊作者為浙江大學曹堃教授、浙江科技大學劉赫揚教授。


  在此基礎上，該團隊正在進行森林防火環(huán)保噴劑方面的后續(xù)探索，目前已成功實現(xiàn)針對極易燃干松針的離火即可自熄的優(yōu)異性能（圖1），相關研究正在示范應用評價之中。


圖1. 噴火十秒后的離火即可自熄滅的實驗示范視頻（unpublished）


  作者通過明膠、植酸、聚乙二醇和尿素簡單反應得到了噴霧前驅體。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，通過錐形量熱測試（CCT）分析了其熱釋放過程，結果表明鮮葉和枯葉的點燃時間分別延長了1.8倍和16.3倍，總熱量釋放減少了34%和39%，火勢增長指數(shù)分別降低了78%和92%。為進一步驗證其防火保護，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FRS優(yōu)異的阻燃性能，作者對其機理進行了深入的研究。主要原因是明膠膜在燃燒過程中會形成較為致密的炭層，起到物理屏障的作用，達到隔氧隔熱的效果。同時，涂層中的磷元素在高溫下分解成含磷自由基，淬滅反應鏈，抑制燃燒過程，從而實現(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理


  值得注意的是，FRS不僅提供了高效的防火保護，其降解產物還能作為肥料促進植物生長。一旦火災預警解除（如遇雨），噴灑在土壤和樹葉上的物質就會開始分解，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植物生長和土壤特性的影響


  曹堃教授團隊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)友好的設計理念，實現(xiàn)了防火與植被養(yǎng)護相結合的目標，尤其為經濟型作物的全周期養(yǎng)護提供新方法。隨著后續(xù)研究和技術優(yōu)化，我們有理由相信，這項創(chuàng)新成果將在未來的森林管理和生態(tài)保護工作中發(fā)揮重要作用，為構建更加安全、綠色的世界貢獻一份力量。


  該研究是曹堃教授團隊繼“可用于木材保護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。論文中種植實驗和相關測試得到了浙江大學農業(yè)試驗站的大力支持。


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

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（責任編輯：xu）
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