纳米化学在消防技术领域的应用前景展望

1、纳米化学在消防技术领域的应用前景展望摘要：本文介绍了纳米化学的概念，以及纳米材料的独特性质，展望 了其在纳米阻燃材料（纳米阻燃剂卜纳米钢结构防火涂料、纳米灭火剂、 纳米火灾报警器、纳米消防装备等消防技术领域的应用前景。纳米”是一个长度计量单位，是英文nanometer的译名。一纳米相当于 十亿分之一（10-9）米，大约是10个原子的并列的宽度。纳米化学是指 在纳米尺度（1nm到100nm之间）范围内研究物质（包括原子、分子的操 纵）的特性和相互作用一门多学科交叉的科学。纳米材料是指三维空间 尺寸至少有一维处于纳米量级的材料，包括纳米微粒（零维材料）、直径为纳米量级的纤维（一维材料）、厚度为纳米

2、量级的薄膜与多层膜（二 维材料）以及基于上述低维材料所构成的致密或非致密固体。纳米材 料是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质，因而呈现 出一些独特性质。当物体颗粒小到纳米量级后，材料会表现出常规粗 晶粒材料所不具备的差异特性和反常特性。比如，原来是导体的铜等 金属，在尺寸减小到几个纳米时就不导电。而绝缘的二氧化硅等，在 尺寸减小到几个纳米或十几纳米时，电阻会大大下降，失去绝缘性， 变得能够导电。近些年来，纳米材料和纳米技术发展势头迅猛，由于纳米材料具有与 传统晶体和非晶体材料完全不同的独特性质，使纳米材料和纳米技术 在电子学、光学、化工、陶瓷加工、生物工程和医药学等领域得到应用，并

3、相继取得重大进展。纳米技术在消防领域的应用尚属科学实验阶段，但这项技术已展现出 十分诱人的前景。有关专家认为随着纳米电子学、纳米材料学、纳米 生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量学等新的 高科技群向前推进，纳米技术正在社会生活的各方面产生巨大变革， 并将对21世纪消防技术的发展产生重大影响。1纳米材料和纳米技术纳米粒子具有体积效应、表面效应和宏观量子隧道效应，使得纳米材 料具有独特的光学性能、吸附性能、催化性能、机械性能和化学活性， 这是纳米材料近二十年来得到世人瞩目的根本原因。对纳米材料的研 究最初是从单相金属材料开始的，到目前已发展到对合金、化合物、 金属无机载体、金属一一

4、有机载体和化合物一一无机载体、化合物一一有机载体等 复合材料以及纳米管、纳米纤维（或棒）等的研究和制备上。随着各种形 式纳米材料的发现，具制备工艺也日趋多样化，常见的有真空蒸发冷 凝法、球磨法、沉淀法、溶胶一凝胶法、水热反应法和热等离子体法， 近年来又相继出现了脉冲电子沉积法、 电弧蒸发法、激光高温烧结法、 超临界流体的迅速扩张法、超重力法、辐射法、微乳液法及模板合成 法等新工艺。纳米技术是在纳米空间（0。1100nm）内研究电子、原子和分子运动规律及其特性，通过操纵单个原子、分子或原子团、分子团来制造具有 特定功能的材料或器件。当物质的尺寸小到1nm100nm（10-9m10-7m）时，由于

5、其量子效应, 物质的局域性及巨大的表面及界面效应， 使物质的很多性能发生质变， 呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。如把一块铜逐渐切取，当切到十几个纳米时候，它的性质完全不一样 了，变成了一团没有金属光泽的黑糊糊的东西。如果你再把它压制起 来形成一个纳米材料，它的强度要比一般的传统的铜高十几倍，而且 可以像塑料高分子那样弯曲。同样用纳米材料做成的陶瓷既摔不碎， 又特别耐高温。这样的材料称为纳米材料。纳米材料可划分为纳米粒 子、纳米线、纳米薄膜（涂层）和纳米体材（包括介孔材料）。2纳米技术在消防工作中的应用从已有的报导来看，纳米材料在消防中的应用主要包括五方面的内容： 纳

6、米阻燃材料（纳米阻燃剂）、纳米钢结构防火涂料、纳米灭火剂、纳米 火灾报警器、纳米消防装备等。2. 1纳米阻燃剂纳米技术在阻燃材料中的应用已初露端倪，且前景广阔。众所周知， 由于聚合物材料（橡胶、塑料、纤维）的易燃性，造成了众多的火灾事故 和人员伤亡，阻燃技术是针对聚合物材料而采用的一种防护措施，即 阻止材料的燃烧及延缓火焰的蔓延，从而大大降低火灾的发生，或将 火灾控制在一定的范围，为火灾的扑救赢得宝贵的时间。研究中发现, 有些纳米材料具有阻止燃烧的功能，如果将它们作为阻燃剂添加到可 燃材料中，可以改变这些可燃材料的燃烧性能，使其成为难燃烧材料。 从目前已经研制出的或正在研究的项目来看，纳米技术

7、用于阻燃剂具 体有以下几个方面：1、纳米超细粉在阻燃材料中的应用。阻燃剂在高分子材料加工过程中 的重要助剂之一，如果采用纳米技术对高分子材料进行阻燃处理，可 以实现难燃性和自息性。目前使用的阻燃剂大多数为无机阻燃剂，它 们包括镶系阻燃剂、铝系阻燃剂、磷系阻燃剂和硼系阻燃剂等。由于 这些阻燃剂添加到聚合物中，会引起聚合物的加工工艺及产品性能发 生改变，特别是对模塑产品、挤型产品和薄膜产品的表面光洁度影响 较大，故需要使所有添加型无机阻燃剂的粒度超细化。像目前使用最 多的一种添加型阻燃剂三氧化二镶，具颗粒大小和形态对塑料制品和 纺织织物的性能和阻燃效果影响非常大。粒度是三氧化二锡的重要指 标，只有

8、当三氧化二锡的粒度处于纳米量级时才会使其本身具有较大 的比表面积，对织物的渗透性大，粘附力高，具有很强的耐洗牢度， 阻燃效果也非常明显。超细化的阻燃剂可以改善材料的力学性能，减少阻燃剂的用量，满足 工艺要求。但由于目前使用的三氧化二锡阻燃材料均为微米级的颗粒，而且分散度大，粒子大小不均匀，这样产品只能涂覆到被保护材料的 外表，大大降低了三氧化二锡的阻燃性能。纳米级三氧化二锡阻燃材料由于其粒度的变小具有了特殊的延展性能， 在阻燃性能方面比微米级三氧化二锡有了数量级的提高。尤其重要的 是由于纳米级三氧化二锡粒子直径小于化纤纤维的直径，有可能加入 到化纤原料母粒中，这样纺丝后在化纤中均匀分布阻燃材料

9、，从而使 得纤维本身具有高效阻燃性。2、阻燃纳米复合材料的应用。尽管使用超细阻燃剂能有效地提高聚合 物的阻燃性能，但也存在一些问题，如不能有效控制有毒气体的释放 及大量烟雾的生成，添加阻燃剂后会影响聚合物的机械性能，还会造 成一定的环境影响。因此，研究并使用聚合物 /层状无机物纳米复合材 料将能同时满足上述要求并具有较好的阻燃性能。纳米复合材料实际 上是将材料中的一个或多个以纳米尺寸或分子水平均匀分散在另一组 份的基体中。据国外资料报道，由于这样处理后的材料存在超细的尺 寸，所以其性质比其相应的宏观或微米级复合材料均有较大的改善。目前在实验室已经制备出纳米级环氧树脂、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龙 6

10、、丙烯酸等复合材料。如尼龙6/蒙脱士（4。2%）纳米复合材料的 拉伸强度比纯尼龙6增强50%,玻璃化温度比纯尼龙6提高约90C; 同时热释放效率也比纯尼龙-6要低得很多。聚合物/层状无机物纳米复合材料具有比传统填充材料优异得多的力 学性能、热性能、阻燃性能、各向异性等。国外已将聚合物 /层状无机 物纳米复合材料用于制造汽车发动机的配件，并准备应用于飞机内部 材料、燃料舱、电子或电气部件、护罩内的结构部件、制动器和轮胎 制造等。很显然，在不远的将来，采用纳米技术还可以研制出具有良 好耐火性能的钢材、玻璃、水泥、装饰板、防火涂料等建筑材料，从 而大大提高建筑结构的耐火性能。2. 2纳米钢结构防火涂

11、料钢结构的耐火极限只有15min,如不采取防火保护措施火灾中将在很短 时间内倒塌。奥运工程采用大量钢结构建筑，这些超高、超大、应用 大量钢结构的体育场馆防火性能很差，如何提高奥运会场馆消防安全 水平，已经成为摆在设计、施工及消防部门面前一道共同的课题。目 前采用防火涂料就是最有效的技术手段之一。纳米化学将对防火涂料 的3个最重要的成分进行改性和优选，从而获得优异的钢结构防火涂 料。纳米无机-有机杂化树脂纳米级无机材料与有机分子复合形成 具有共价键结合的复合树脂。复合树脂具有耐高温、粘接强度高等特 点。纳米三氧化二锡、氢氧化镁材料。经实践证实，由于具有更好 的分布结构，纳米三氧化二锡、氢氧化镁作

12、为阻燃助剂效果良好，可 以大大提高阻燃性能，并能制成具有装饰性的超薄涂料。无机纤维, 制备1种具有纳米级纤维结构的无机纤维。运用特殊工艺将其制成纳 米级分散体，保证其与树脂等材料的充分复合，使超薄涂料即使在燃 烧后也具有高温强度。2. 3纳米灭火剂 纳米技术的精髓就是从原子分子的精确操纵出发构建具有全新分子、 排列形式的人造结构。微米级的气溶胶为传统灭火剂，与之相比纳米 级气溶胶有全新的性能，其灭火效能有质的飞跃，也可称其为纳米灭 火剂。目前已有一些才艮导：将传统的干粉灭火齐1J (NaHCO3KHCO3NH4H2PO4) 制成纳米材料。从干粉灭火剂的灭火原理来讲，灭火效率与干粉颗粒 的大小有关，在纳米尺度范围的干粉其灭火性能有明显提高。采用纳 米技术开发新型干粉和泡沫灭火剂，不仅提高了灭火性能，还能延长 灭火剂的有效贮存期。2. 4纳米火灾探测器制作火灾探测器是纳米材料最有前途的应用领域之一。目前火灾探测 器的小型化、微型化和智能化是其主要发展方向，国内外火灾探测器 研究逐步集中在开发新型敏感材料的选择性火灾探测器上。在气体探 测器领域，由于纳米材料粒度小，比表面积大，结晶表面催化活性强， 极有可能开发出性能优良的气敏元件，存在巨大的研究开发价值和商