论文部分内容阅读
摘 要：化学在消防工作中起着极其重要的作用，并得到了广泛应用。本文主要从化学材料在消防实践中的应用来论述化学对消防的重要性，主要涉及阻燃剂、灭火剂和火灾报警器三个相关领域，最后展望了纳米技术在消防领域的应用前景。
关键词：化学；消防；化学材料
化学是一门主要研究物质组成、结构及化学变化规律的基础自然科学，而消防是一门研究物质的燃烧、防火和灭火原理与技术的科学，可见化学在消防工作中起着极其重要的作用，如化学基本理论为消防在研究燃烧理论并进而确定防火、灭火的原理提供支撑，化学分析方法和仪器为火灾原因调查提供检测方法和测试手段等[1]。因上述两方面已有较多报道，所以本文主要从另一个方面——化学材料在消防实践中的应用来论述化学对消防的重要性。
燃烧是一种化学反应，指可燃物与氧化剂相互作用而发生的剧烈的氧化还原反应，通常伴随火焰、发光和/或发烟等现象[2]。由于可燃物的还原性和氧化剂的氧化性强弱的不同导致燃烧的速率不同，有时甚至可能导致爆炸。燃烧除需有可燃物和氧化剂参与外，还需有引发燃烧的能源（点火源），此三者被称为燃烧三要素。
一、化学材料在阻燃剂方面的应用
建筑、电气及日常生活中使用的木材、塑料和纺织品等，大多属于易燃材料。为了预防火灾的发生，或者发生火灾以后阻止或延缓火灾的扩大化，往往需用阻燃剂对易燃材料进行阻燃处理，使易燃材料变成难燃、不燃的材料；或仅炭化而不着火、不发烟；或者虽炭化、着火和发烟，但燃烧难以扩展。
所谓阻燃，实质上是延缓、抑制燃烧的传播，减少热引燃出现的概率，即从根本上抑制、消除失控燃烧的技术。阻燃剂之所以具有阻燃效果，是因其在燃烧过程中能起到如下作用：（1）捕捉自由基；（2）吸收热量；（3）覆盖作用；（4）稀释作用；（5）转移作用；（6）增强效应。
阻燃剂是在20世纪50年代后期随着高分子材料的出现逐渐发展起来的，是能够阻止材料引燃或抑制火焰蔓延的一种助剂。阻燃剂对材料的阻燃表现为两个方面：物理阻燃作用和化学阻燃作用。物理阻燃作用是通过使可燃物与空气隔绝，或降低可燃物温度使其达不到燃点来实现的；化学阻燃作用则是通过降低燃烧过程中的自由基浓度，破坏链反应条件实现的[3]。具体来说，靠的就是在火焰和热辐射作用下发生的化学反应，大致可归纳为三点：
（一）阻燃剂遇火受热分解出不燃的惰性气体，冲淡被保护基材受热分解出的易燃气体和空气中的氧气，抑制燃烧；
（二）燃烧是游离基引起的链式反应，含氮、磷的阻燃剂受热分解出一些自由基团，与有机游离基化合，中断链式反应，降低燃烧速度；
（三）膨胀型阻燃剂遇火膨胀发泡，生成一层泡沫隔热层，封闭被保护的基材，阻止基材燃烧。
由于火灾造成人员伤亡的致命因素主要是材料燃烧产生的浓厚烟雾和有毒的或腐蚀性的气体，因而在当前研究、选择、评价阻燃剂的工作中，不仅要考虑阻燃性能，还必须特别关注阻燃剂的低毒性和低成烟性。在传统的阻燃剂中，由于卤系阻燃剂遇火发生热分解和燃烧，会产生大量的烟雾和有毒的腐蚀性气体，影响逃生和救援，给其应用带来了负面影响。磷系阻燃剂由于阻燃机理的限制使其应用范围较小，且其废弃物也会造成环境污染。而无机阻燃剂尽管具有热稳定性好、不挥发、阻燃效果持久、价格低廉等优点，但其阻燃效率不高，影响了它的推广和应用。可以看出，不同的阻燃剂各有其优点和不足，单独使用一种阻燃剂，效果往往不太理想，因此，适当选取几种阻燃剂，通过它们之间的协同效应，并辅以其他助剂，阻燃效果可大为提高。
二、化学材料在灭火剂方面的应用
为了防止火灾的发生，人们采取了各种积极的预防措施，然而，火灾有时是难以完全避免的。对一个已失控的燃烧体系来说，灭火的基本原理是研究如何破坏已形成的燃烧条件，中止燃烧的连锁反应，使火熄灭或把其控制在一定范围内，以减少损失。通常灭火的方法可分为隔离、窒息、冷却和抑制四种，其中以水的冷却作用最廉价，以抑制作用效率最高。抑制作用主要是通过灭火剂在火场条件下释放出能够吸收或吸附参与连锁反应传递的自由基的化学活性粒子，使火场中的燃烧反应断链，从而中止火势的蔓延，达到灭火的目的，已成为当今研究和制备灭火剂的主要思路。
凡是能够有效地破坏燃烧条件，使燃烧中止的物质，统称为灭火剂[4]。目前使用的灭火剂不仅品种日趋繁多，能够适应扑灭各种火灾的需要，而且质量不断提高，向着高效、低毒和通用的方向发展，已从最初的天然水发展到如今的水系灭火剂、泡沫灭火剂、干粉灭火剂、卤代烷灭火剂、二氧化碳灭火剂、粉末灭火剂以及近年来研究较多的气溶胶灭火剂等多种系列。
（一）水和泡沫灭火剂
水是被广泛使用的天然灭火剂。因其高比热和高汽化热特性，水在灭火中主要起冷却降温作用。火源放出的热量可被水吸收并以水蒸气形式带走，因供热不足阻止了可燃物的熔融、蒸发或分解，迫使燃烧中断。其次，水蒸气还能排挤和阻止空气进入燃烧区，降低助燃物氧的含量，一般当燃烧区水蒸气的体积达35%时，大多数燃烧反应会停止。水作为灭火剂，虽然应用广泛，但并非万能，比如在扑救油类等有机物火灾，金属钾、钠、钙等火灾，电气火灾和高温状态下的化工设备火灾时，绝对不能用水。
泡沫灭火剂是指能与水混溶，通过机械作用或化学作用产生泡沫进行灭火的物质。如一些高蛋白质与水迅速混合后能够产生大量泡沫。由于具有体轻，流动性好，持久性和抗烧性强，黏着力大等特性，泡沫迅速在着火液面上蔓延和铺展，形成严密的覆盖层，使可燃物与空气隔断，达到窒息灭火的目的。它主要用于扑救一般可燃、易燃有机物的火灾。
（二）干粉灭火剂
燃烧反应是一种自由基链反应。水和泡沫灭火剂是通过破坏燃烧条件来扑灭火灾的。而干粉灭火剂则是通过捕获燃烧反应中的自由基，使链反应终止而扑灭火灾。干粉灭火剂是一种易于流动的细微粉末，其组成基料一般是含有重鍵的无机盐。 （三）卤剂（哈龙）灭火剂
卤剂灭火剂（Halon，哈龙）是甲烷或乙烷的卤素衍生物，它能在火焰的高温中产生活泼的卤原子，卤原子参与物质燃烧过程中的化学反应，消除维持燃烧所必需的活泼的·H、·OH等自由基，因此能用来扑灭火灾（与干粉灭火剂灭火原理相似）。卤剂灭火剂是一种高效、低毒、清洁的灭火剂，灭火后，对火场及被保护物没有破坏性，但由于它对大气臭氧层有很大的破坏作用，为减少和限制其的使用和产量，人们正在积极寻找和研制哈龙灭火剂的代用品。
灭火剂种类很多，它们的灭火机理和适用范围不尽相同。有效扑救火灾的关键在于正确选择和使用灭火剂，无论哪类火灾，只要扑救方法正确，充分发挥灭火剂的灭火作用，就能迅速地将其扑灭。
三、化学材料在火灾报警器方面的应用
火灾报警器一般是基于某种对温度、热量、光或发烟等敏感的化学材料来定量探测周围环境的温度变化和有毒气体、易燃易爆气体、蒸气及烟雾的浓度，并将该过程转换成电信号等，从而来进行火灾的预报和预警[5]。常用的化学材料多为一些金属氧化物，如SnO2，TiO2，ZrO2，In2O3等。根据报警器所使用的传感器种类不同，火灾报警器可以分为以下四种类型：
（一） 感温型火灾报警器
由于火灾发生时燃烧会产生大量的热量，使得周围温度快速的升高。温度传感器将周围环境温度的变化转换成电信号，处理器通过判断电信号的大小来判断是否发生了火灾，如果发生了火灾就会报警。一般分为定温型（温度达到一定值报警）和温差型（升温幅度达到一定值报警）。一般来说定温型容易受到外界其他因素的干扰，温差型相对抗干扰能力比较强。
（二） 感烟型火灾报警器
火灾早期，物质燃烧刚刚开始，还没有明火或者火焰很小，燃烧物质接触的空气不足会导致燃烧不完全，未燃尽的物质会产生大量烟雾。烟雾式火灾报警器可以将空气中的烟雾转换成相应的电信号，判断电信号就能判断是否着火，并发出报警。根据烟雾传感器的不同一般可分为光电感烟型、离子感烟型和激光感烟型等。
（三） 感光型火灾报警器
火灾发生时火焰燃烧除了产生热量和烟雾以外还会产生光，感光型火灾报警器将环境中光的模拟量转换成电信号，进而判断是否发生火灾，根据传感器的不同分为紫外线报警器（对短波敏感）和红外线报警器（对长波敏感）。但是因为光传感器容易受到外界光源的影响，一般来说可靠性比较差。
（四） 复合型火灾报警器
单一传感器火灾报警器容易受到各种影响产生误报，可靠性差。为了提高可靠性，人们将多种传感器集中到一个火灾报警器上，即构成了一复合型火灾报警器，可大大提高可靠性。
最后，需要特别指出的，面对日趋复杂多样的火灾形势，通过利用日新月异的科技进步来开发更多、更新和更好的消防技术产品，对消防工作者而言是一项紧迫的课题。纳米材料作为21世纪最有前途的材料为消防材料的研究开辟了一个全新的领域，前途光明[6]。
目前，纳米技术及纳米材料已经应用到上述三个方面。例如，在阻燃剂方面，纳米级的氧化锑由于粒径的变小具有了特殊的延展性能，在阻燃性能方面比微米级的氧化锑有了数量级的提高。而在灭火剂方面，因为纳米粒子高的比表面积，可极大提高干粉灭火剂的灭火效能。纳米火灾报警器也有着显著的优势：一方面，纳米粒子因其比表面大，使其化学活性强，使用纳米材料制作的传感器或探测器能在极短的时间内作出反应，及早地发出火灾报警信号；另一方面，纳米材料的选择性远远高于普通材料，因而可大大提高预报的准确性，减少误报率等。
参考文献
[1] 高洪泽. 化学在消防中的基础地位探析[J]. 武警学院学报，2002，18（2）：94-96.
[2] 达国军. 浅谈化学在消防中的应用[J]. 保山师专学报，2004，23（5）：35-37.
[3]吉爱顺，白国宝. 21世纪的纳米世界[J]. 山西化工，2001，21（1）：7-9.
作者简介：
李伟业（1986-），男，汉族，助理工程师，本科学历，现在广东省湛江市公安消防支队赤坎区大隊工作。
关键词：化学；消防；化学材料
化学是一门主要研究物质组成、结构及化学变化规律的基础自然科学，而消防是一门研究物质的燃烧、防火和灭火原理与技术的科学，可见化学在消防工作中起着极其重要的作用，如化学基本理论为消防在研究燃烧理论并进而确定防火、灭火的原理提供支撑，化学分析方法和仪器为火灾原因调查提供检测方法和测试手段等[1]。因上述两方面已有较多报道，所以本文主要从另一个方面——化学材料在消防实践中的应用来论述化学对消防的重要性。
燃烧是一种化学反应，指可燃物与氧化剂相互作用而发生的剧烈的氧化还原反应，通常伴随火焰、发光和/或发烟等现象[2]。由于可燃物的还原性和氧化剂的氧化性强弱的不同导致燃烧的速率不同，有时甚至可能导致爆炸。燃烧除需有可燃物和氧化剂参与外，还需有引发燃烧的能源（点火源），此三者被称为燃烧三要素。
一、化学材料在阻燃剂方面的应用
建筑、电气及日常生活中使用的木材、塑料和纺织品等，大多属于易燃材料。为了预防火灾的发生，或者发生火灾以后阻止或延缓火灾的扩大化，往往需用阻燃剂对易燃材料进行阻燃处理，使易燃材料变成难燃、不燃的材料；或仅炭化而不着火、不发烟；或者虽炭化、着火和发烟，但燃烧难以扩展。
所谓阻燃，实质上是延缓、抑制燃烧的传播，减少热引燃出现的概率，即从根本上抑制、消除失控燃烧的技术。阻燃剂之所以具有阻燃效果，是因其在燃烧过程中能起到如下作用：（1）捕捉自由基；（2）吸收热量；（3）覆盖作用；（4）稀释作用；（5）转移作用；（6）增强效应。
阻燃剂是在20世纪50年代后期随着高分子材料的出现逐渐发展起来的，是能够阻止材料引燃或抑制火焰蔓延的一种助剂。阻燃剂对材料的阻燃表现为两个方面：物理阻燃作用和化学阻燃作用。物理阻燃作用是通过使可燃物与空气隔绝，或降低可燃物温度使其达不到燃点来实现的；化学阻燃作用则是通过降低燃烧过程中的自由基浓度，破坏链反应条件实现的[3]。具体来说，靠的就是在火焰和热辐射作用下发生的化学反应，大致可归纳为三点：
（一）阻燃剂遇火受热分解出不燃的惰性气体，冲淡被保护基材受热分解出的易燃气体和空气中的氧气，抑制燃烧；
（二）燃烧是游离基引起的链式反应，含氮、磷的阻燃剂受热分解出一些自由基团，与有机游离基化合，中断链式反应，降低燃烧速度；
（三）膨胀型阻燃剂遇火膨胀发泡，生成一层泡沫隔热层，封闭被保护的基材，阻止基材燃烧。
由于火灾造成人员伤亡的致命因素主要是材料燃烧产生的浓厚烟雾和有毒的或腐蚀性的气体，因而在当前研究、选择、评价阻燃剂的工作中，不仅要考虑阻燃性能，还必须特别关注阻燃剂的低毒性和低成烟性。在传统的阻燃剂中，由于卤系阻燃剂遇火发生热分解和燃烧，会产生大量的烟雾和有毒的腐蚀性气体，影响逃生和救援，给其应用带来了负面影响。磷系阻燃剂由于阻燃机理的限制使其应用范围较小，且其废弃物也会造成环境污染。而无机阻燃剂尽管具有热稳定性好、不挥发、阻燃效果持久、价格低廉等优点，但其阻燃效率不高，影响了它的推广和应用。可以看出，不同的阻燃剂各有其优点和不足，单独使用一种阻燃剂，效果往往不太理想，因此，适当选取几种阻燃剂，通过它们之间的协同效应，并辅以其他助剂，阻燃效果可大为提高。
二、化学材料在灭火剂方面的应用
为了防止火灾的发生，人们采取了各种积极的预防措施，然而，火灾有时是难以完全避免的。对一个已失控的燃烧体系来说，灭火的基本原理是研究如何破坏已形成的燃烧条件，中止燃烧的连锁反应，使火熄灭或把其控制在一定范围内，以减少损失。通常灭火的方法可分为隔离、窒息、冷却和抑制四种，其中以水的冷却作用最廉价，以抑制作用效率最高。抑制作用主要是通过灭火剂在火场条件下释放出能够吸收或吸附参与连锁反应传递的自由基的化学活性粒子，使火场中的燃烧反应断链，从而中止火势的蔓延，达到灭火的目的，已成为当今研究和制备灭火剂的主要思路。
凡是能够有效地破坏燃烧条件，使燃烧中止的物质，统称为灭火剂[4]。目前使用的灭火剂不仅品种日趋繁多，能够适应扑灭各种火灾的需要，而且质量不断提高，向着高效、低毒和通用的方向发展，已从最初的天然水发展到如今的水系灭火剂、泡沫灭火剂、干粉灭火剂、卤代烷灭火剂、二氧化碳灭火剂、粉末灭火剂以及近年来研究较多的气溶胶灭火剂等多种系列。
（一）水和泡沫灭火剂
水是被广泛使用的天然灭火剂。因其高比热和高汽化热特性，水在灭火中主要起冷却降温作用。火源放出的热量可被水吸收并以水蒸气形式带走，因供热不足阻止了可燃物的熔融、蒸发或分解，迫使燃烧中断。其次，水蒸气还能排挤和阻止空气进入燃烧区，降低助燃物氧的含量，一般当燃烧区水蒸气的体积达35%时，大多数燃烧反应会停止。水作为灭火剂，虽然应用广泛，但并非万能，比如在扑救油类等有机物火灾，金属钾、钠、钙等火灾，电气火灾和高温状态下的化工设备火灾时，绝对不能用水。
泡沫灭火剂是指能与水混溶，通过机械作用或化学作用产生泡沫进行灭火的物质。如一些高蛋白质与水迅速混合后能够产生大量泡沫。由于具有体轻，流动性好，持久性和抗烧性强，黏着力大等特性，泡沫迅速在着火液面上蔓延和铺展，形成严密的覆盖层，使可燃物与空气隔断，达到窒息灭火的目的。它主要用于扑救一般可燃、易燃有机物的火灾。
（二）干粉灭火剂
燃烧反应是一种自由基链反应。水和泡沫灭火剂是通过破坏燃烧条件来扑灭火灾的。而干粉灭火剂则是通过捕获燃烧反应中的自由基，使链反应终止而扑灭火灾。干粉灭火剂是一种易于流动的细微粉末，其组成基料一般是含有重鍵的无机盐。 （三）卤剂（哈龙）灭火剂
卤剂灭火剂（Halon，哈龙）是甲烷或乙烷的卤素衍生物，它能在火焰的高温中产生活泼的卤原子，卤原子参与物质燃烧过程中的化学反应，消除维持燃烧所必需的活泼的·H、·OH等自由基，因此能用来扑灭火灾（与干粉灭火剂灭火原理相似）。卤剂灭火剂是一种高效、低毒、清洁的灭火剂，灭火后，对火场及被保护物没有破坏性，但由于它对大气臭氧层有很大的破坏作用，为减少和限制其的使用和产量，人们正在积极寻找和研制哈龙灭火剂的代用品。
灭火剂种类很多，它们的灭火机理和适用范围不尽相同。有效扑救火灾的关键在于正确选择和使用灭火剂，无论哪类火灾，只要扑救方法正确，充分发挥灭火剂的灭火作用，就能迅速地将其扑灭。
三、化学材料在火灾报警器方面的应用
火灾报警器一般是基于某种对温度、热量、光或发烟等敏感的化学材料来定量探测周围环境的温度变化和有毒气体、易燃易爆气体、蒸气及烟雾的浓度，并将该过程转换成电信号等，从而来进行火灾的预报和预警[5]。常用的化学材料多为一些金属氧化物，如SnO2，TiO2，ZrO2，In2O3等。根据报警器所使用的传感器种类不同，火灾报警器可以分为以下四种类型：
（一） 感温型火灾报警器
由于火灾发生时燃烧会产生大量的热量，使得周围温度快速的升高。温度传感器将周围环境温度的变化转换成电信号，处理器通过判断电信号的大小来判断是否发生了火灾，如果发生了火灾就会报警。一般分为定温型（温度达到一定值报警）和温差型（升温幅度达到一定值报警）。一般来说定温型容易受到外界其他因素的干扰，温差型相对抗干扰能力比较强。
（二） 感烟型火灾报警器
火灾早期，物质燃烧刚刚开始，还没有明火或者火焰很小，燃烧物质接触的空气不足会导致燃烧不完全，未燃尽的物质会产生大量烟雾。烟雾式火灾报警器可以将空气中的烟雾转换成相应的电信号，判断电信号就能判断是否着火，并发出报警。根据烟雾传感器的不同一般可分为光电感烟型、离子感烟型和激光感烟型等。
（三） 感光型火灾报警器
火灾发生时火焰燃烧除了产生热量和烟雾以外还会产生光，感光型火灾报警器将环境中光的模拟量转换成电信号，进而判断是否发生火灾，根据传感器的不同分为紫外线报警器（对短波敏感）和红外线报警器（对长波敏感）。但是因为光传感器容易受到外界光源的影响，一般来说可靠性比较差。
（四） 复合型火灾报警器
单一传感器火灾报警器容易受到各种影响产生误报，可靠性差。为了提高可靠性，人们将多种传感器集中到一个火灾报警器上，即构成了一复合型火灾报警器，可大大提高可靠性。
最后，需要特别指出的，面对日趋复杂多样的火灾形势，通过利用日新月异的科技进步来开发更多、更新和更好的消防技术产品，对消防工作者而言是一项紧迫的课题。纳米材料作为21世纪最有前途的材料为消防材料的研究开辟了一个全新的领域，前途光明[6]。
目前，纳米技术及纳米材料已经应用到上述三个方面。例如，在阻燃剂方面，纳米级的氧化锑由于粒径的变小具有了特殊的延展性能，在阻燃性能方面比微米级的氧化锑有了数量级的提高。而在灭火剂方面，因为纳米粒子高的比表面积，可极大提高干粉灭火剂的灭火效能。纳米火灾报警器也有着显著的优势：一方面，纳米粒子因其比表面大，使其化学活性强，使用纳米材料制作的传感器或探测器能在极短的时间内作出反应，及早地发出火灾报警信号；另一方面，纳米材料的选择性远远高于普通材料，因而可大大提高预报的准确性，减少误报率等。
参考文献
[1] 高洪泽. 化学在消防中的基础地位探析[J]. 武警学院学报，2002，18（2）：94-96.
[2] 达国军. 浅谈化学在消防中的应用[J]. 保山师专学报，2004，23（5）：35-37.
[3]吉爱顺，白国宝. 21世纪的纳米世界[J]. 山西化工，2001，21（1）：7-9.
作者简介：
李伟业（1986-），男，汉族，助理工程师，本科学历，现在广东省湛江市公安消防支队赤坎区大隊工作。