納米化學在消防技術領域的應用前景展望

1、納米化學在消防技術領域的應用前景展望摘要：本文介紹了納米化學的概念，以及納米材料的獨特性質，展望 了其在納米阻燃材料（納米阻燃劑卜納米鋼結構防火涂料、納米滅火劑、 納米火災報警器、納米消防裝備等消防技術領域的應用前景。納米”是一個長度計量單位，是英文nanometer的譯名。一納米相當于 十億分之一（10-9）米，大約是10個原子的并列的寬度。納米化學是指 在納米尺度（1nm到100nm之間）范圍內研究物質（包括原子、分子的操 縱）的特性和相互作用一門多學科交叉的科學。納米材料是指三維空間 尺寸至少有一維處于納米量級的材料，包括納米微粒（零維材料）、直徑為納米量級的纖維（一維材料）、厚度為納米

2、量級的薄膜與多層膜（二 維材料）以及基于上述低維材料所構成的致密或非致密固體。納米材 料是介于宏觀物質與微觀原子或分子間的過渡亞穩(wěn)態(tài)物質，因而呈現(xiàn) 出一些獨特性質。當物體顆粒小到納米量級后，材料會表現(xiàn)出常規(guī)粗 晶粒材料所不具備的差異特性和反常特性。比如，原來是導體的銅等 金屬，在尺寸減小到幾個納米時就不導電。而絕緣的二氧化硅等，在 尺寸減小到幾個納米或十幾納米時，電阻會大大下降，失去絕緣性， 變得能夠導電。近些年來，納米材料和納米技術發(fā)展勢頭迅猛，由于納米材料具有與 傳統(tǒng)晶體和非晶體材料完全不同的獨特性質，使納米材料和納米技術 在電子學、光學、化工、陶瓷加工、生物工程和醫(yī)藥學等領域得到應用，并

3、相繼取得重大進展。納米技術在消防領域的應用尚屬科學實驗階段，但這項技術已展現(xiàn)出 十分誘人的前景。有關專家認為隨著納米電子學、納米材料學、納米 生物學、納米機械學、納米制造學、納米顯微學及納米測量學等新的 高科技群向前推進，納米技術正在社會生活的各方面產生巨大變革， 并將對21世紀消防技術的發(fā)展產生重大影響。1納米材料和納米技術納米粒子具有體積效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，使得納米材 料具有獨特的光學性能、吸附性能、催化性能、機械性能和化學活性， 這是納米材料近二十年來得到世人矚目的根本原因。對納米材料的研 究最初是從單相金屬材料開始的，到目前已發(fā)展到對合金、化合物、 金屬無機載體、金屬一一

4、有機載體和化合物一一無機載體、化合物一一有機載體等 復合材料以及納米管、納米纖維（或棒）等的研究和制備上。隨著各種形 式納米材料的發(fā)現(xiàn)，具制備工藝也日趨多樣化，常見的有真空蒸發(fā)冷 凝法、球磨法、沉淀法、溶膠一凝膠法、水熱反應法和熱等離子體法， 近年來又相繼出現(xiàn)了脈沖電子沉積法、 電弧蒸發(fā)法、激光高溫燒結法、 超臨界流體的迅速擴張法、超重力法、輻射法、微乳液法及模板合成 法等新工藝。納米技術是在納米空間（0。1100nm）內研究電子、原子和分子運動規(guī)律及其特性，通過操縱單個原子、分子或原子團、分子團來制造具有 特定功能的材料或器件。當物質的尺寸小到1nm100nm（10-9m10-7m）時，由于

5、其量子效應, 物質的局域性及巨大的表面及界面效應， 使物質的很多性能發(fā)生質變， 呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體，也不同于單個孤立原子的奇異現(xiàn)象。如把一塊銅逐漸切取，當切到十幾個納米時候，它的性質完全不一樣 了，變成了一團沒有金屬光澤的黑糊糊的東西。如果你再把它壓制起 來形成一個納米材料，它的強度要比一般的傳統(tǒng)的銅高十幾倍，而且 可以像塑料高分子那樣彎曲。同樣用納米材料做成的陶瓷既摔不碎， 又特別耐高溫。這樣的材料稱為納米材料。納米材料可劃分為納米粒 子、納米線、納米薄膜（涂層）和納米體材（包括介孔材料）。2納米技術在消防工作中的應用從已有的報導來看，納米材料在消防中的應用主要包括五方面的內容： 納

6、米阻燃材料（納米阻燃劑）、納米鋼結構防火涂料、納米滅火劑、納米 火災報警器、納米消防裝備等。2. 1納米阻燃劑納米技術在阻燃材料中的應用已初露端倪，且前景廣闊。眾所周知， 由于聚合物材料（橡膠、塑料、纖維）的易燃性，造成了眾多的火災事故 和人員傷亡，阻燃技術是針對聚合物材料而采用的一種防護措施，即 阻止材料的燃燒及延緩火焰的蔓延，從而大大降低火災的發(fā)生，或將 火災控制在一定的范圍，為火災的撲救贏得寶貴的時間。研究中發(fā)現(xiàn), 有些納米材料具有阻止燃燒的功能，如果將它們作為阻燃劑添加到可 燃材料中，可以改變這些可燃材料的燃燒性能，使其成為難燃燒材料。 從目前已經研制出的或正在研究的項目來看，納米技術

7、用于阻燃劑具 體有以下幾個方面：1、納米超細粉在阻燃材料中的應用。阻燃劑在高分子材料加工過程中 的重要助劑之一，如果采用納米技術對高分子材料進行阻燃處理，可 以實現(xiàn)難燃性和自息性。目前使用的阻燃劑大多數為無機阻燃劑，它 們包括鑲系阻燃劑、鋁系阻燃劑、磷系阻燃劑和硼系阻燃劑等。由于 這些阻燃劑添加到聚合物中，會引起聚合物的加工工藝及產品性能發(fā) 生改變，特別是對模塑產品、擠型產品和薄膜產品的表面光潔度影響 較大，故需要使所有添加型無機阻燃劑的粒度超細化。像目前使用最 多的一種添加型阻燃劑三氧化二鑲，具顆粒大小和形態(tài)對塑料制品和 紡織織物的性能和阻燃效果影響非常大。粒度是三氧化二錫的重要指 標，只有

8、當三氧化二錫的粒度處于納米量級時才會使其本身具有較大 的比表面積，對織物的滲透性大，粘附力高，具有很強的耐洗牢度， 阻燃效果也非常明顯。超細化的阻燃劑可以改善材料的力學性能，減少阻燃劑的用量，滿足 工藝要求。但由于目前使用的三氧化二錫阻燃材料均為微米級的顆粒，而且分散度大，粒子大小不均勻，這樣產品只能涂覆到被保護材料的 外表，大大降低了三氧化二錫的阻燃性能。納米級三氧化二錫阻燃材料由于其粒度的變小具有了特殊的延展性能， 在阻燃性能方面比微米級三氧化二錫有了數量級的提高。尤其重要的 是由于納米級三氧化二錫粒子直徑小于化纖纖維的直徑，有可能加入 到化纖原料母粒中，這樣紡絲后在化纖中均勻分布阻燃材料

9、，從而使 得纖維本身具有高效阻燃性。2、阻燃納米復合材料的應用。盡管使用超細阻燃劑能有效地提高聚合 物的阻燃性能，但也存在一些問題，如不能有效控制有毒氣體的釋放 及大量煙霧的生成，添加阻燃劑后會影響聚合物的機械性能，還會造 成一定的環(huán)境影響。因此，研究并使用聚合物 /層狀無機物納米復合材 料將能同時滿足上述要求并具有較好的阻燃性能。納米復合材料實際 上是將材料中的一個或多個以納米尺寸或分子水平均勻分散在另一組 份的基體中。據國外資料報道，由于這樣處理后的材料存在超細的尺 寸，所以其性質比其相應的宏觀或微米級復合材料均有較大的改善。目前在實驗室已經制備出納米級環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍 6

10、、丙烯酸等復合材料。如尼龍6/蒙脫士（4。2%）納米復合材料的 拉伸強度比純尼龍6增強50%,玻璃化溫度比純尼龍6提高約90C; 同時熱釋放效率也比純尼龍-6要低得很多。聚合物/層狀無機物納米復合材料具有比傳統(tǒng)填充材料優(yōu)異得多的力 學性能、熱性能、阻燃性能、各向異性等。國外已將聚合物 /層狀無機 物納米復合材料用于制造汽車發(fā)動機的配件，并準備應用于飛機內部 材料、燃料艙、電子或電氣部件、護罩內的結構部件、制動器和輪胎 制造等。很顯然，在不遠的將來，采用納米技術還可以研制出具有良 好耐火性能的鋼材、玻璃、水泥、裝飾板、防火涂料等建筑材料，從 而大大提高建筑結構的耐火性能。2. 2納米鋼結構防火涂

11、料鋼結構的耐火極限只有15min,如不采取防火保護措施火災中將在很短 時間內倒塌。奧運工程采用大量鋼結構建筑，這些超高、超大、應用 大量鋼結構的體育場館防火性能很差，如何提高奧運會場館消防安全 水平，已經成為擺在設計、施工及消防部門面前一道共同的課題。目 前采用防火涂料就是最有效的技術手段之一。納米化學將對防火涂料 的3個最重要的成分進行改性和優(yōu)選，從而獲得優(yōu)異的鋼結構防火涂 料。納米無機-有機雜化樹脂納米級無機材料與有機分子復合形成 具有共價鍵結合的復合樹脂。復合樹脂具有耐高溫、粘接強度高等特 點。納米三氧化二錫、氫氧化鎂材料。經實踐證實，由于具有更好 的分布結構，納米三氧化二錫、氫氧化鎂作

12、為阻燃助劑效果良好，可 以大大提高阻燃性能，并能制成具有裝飾性的超薄涂料。無機纖維, 制備1種具有納米級纖維結構的無機纖維。運用特殊工藝將其制成納 米級分散體，保證其與樹脂等材料的充分復合，使超薄涂料即使在燃 燒后也具有高溫強度。2. 3納米滅火劑 納米技術的精髓就是從原子分子的精確操縱出發(fā)構建具有全新分子、 排列形式的人造結構。微米級的氣溶膠為傳統(tǒng)滅火劑，與之相比納米 級氣溶膠有全新的性能，其滅火效能有質的飛躍，也可稱其為納米滅 火劑。目前已有一些才艮導：將傳統(tǒng)的干粉滅火齊1J (NaHCO3KHCO3NH4H2PO4) 制成納米材料。從干粉滅火劑的滅火原理來講，滅火效率與干粉顆粒 的大小有關，在納米尺度范圍的干粉其滅火性能有明顯提高。采用納 米技術開發(fā)新型干粉和泡沫滅火劑，不僅提高了滅火性能，還能延長 滅火劑的有效貯存期。2. 4納米火災探測器制作火災探測器是納米材料最有前途的應用領域之一。目前火災探測 器的小型化、微型化和智能化是其主要發(fā)展方向，國內外火災探測器 研究逐步集中在開發(fā)新型敏感材料的選擇性火災探測器上。在氣體探 測器領域，由于納米材料粒度小，比表面積大，結晶表面催化活性強， 極有可能開發(fā)出性能優(yōu)良的氣敏元件，存在巨大的研究開發(fā)價值和商