纳米材料来防火

 

2007年中，NASA出版了一份关于纳米复合材料的阻火性能研究的研究报告。在化学手段阻火不流行（因为淘汰哈龙的运动，导致全社会草木皆兵。谁也不希望投入化学产品的研究，被更严格的环保标准淘汰。）的今天，关注这一研究趋势就有特殊的意义。笔者虽有一定的传热计算的基础，仍然颇觉艰难地阅读一遍，剔除公式，从物理学的角度来看看这项研究对未来社会安全的影响。

由有机聚合物组成的复合材料通常添加少量的无机硅化铝来改变很多机械和物理特性。 从这一观点出发，在尼龙（杜邦化学品）中添加一种MMT陶土材料，形成一种纳米复合材料。该材料由于陶土微粒与聚合物的相互作用而独特。这一项研究，就是为了确定陶土添加量以及厚度对物质可燃性的影响。 NIST的前期基础研究已经发现，添加物不会改变物质的放热量，但会改变物质的放热曲线。 本来纯尼龙材料燃烧是一条非常尖峰的曲线（在消防工程师看来，能量集中释放，非常危险），添加陶土以后，曲线平缓，时间加长，曲线下的总放热量不变。

伟大的田长霖教授生前一直推行纳米研究（当时他是美国克林顿政府的科技政策顾问，需要科技决策）。所谓纳米研究，据笔者的有限理解，就是改变分子的空间结构，形成一种新型材料，具有某种特殊的物性，以带来新的用途。例如，金刚石与石墨同为碳，但两者的物理性能是相差很大的。纳米材料，最大的特色是导电性和导热性的改变，两者是相互关联的。在这里，消防研究者是利用物质的导热性能，以期使用少量添加剂带来更大的传热性能改变，相应地改变了物质的燃烧性能。

使用纳米材料，会导致点火延迟。按照笔者的经验，点火与表面的传热密切相关。在同样的热量输入的情况下，向后方（物质的深处）损失越多，点火会延迟。所以物质的导热性越大，点火也越困难。用火柴点不着铁钉，固然是能量不够，更重要的是局部热损失导致能量不足。如果是用火柴点铁粉，最好还是在特定的保护下进行操作，小心失火，当心爆炸。

使用纳米材料，会导致蔓延加速。这一推论，表面上与点火是矛盾的，因为蔓延就是连续的点火现象，点火困难，为什么蔓延会容易？因为能量是一定的，损失的热量虽然不会有助本地的点火，但有助于邻处的能量积累，所以在蔓延的情况下，损失的能量被别处利用了。

使用纳米材料，关键是导致能量的时间和空间的重新分布。如何操纵物性的改变，完成一定条件下的阻火要求，是我们消防工程师的任务。这一研究成果，最大的可能应用在于消防服的改进。消防服的设计，是在保证舒适性的前提下，增加阻火性能。性能的增加，一定是有限的，对此需要仔细研究，考量。

关于这项研究的一则轶闻是：三位消防工程系的中国学生碰头到一起。甲说，使用别人的计算传热程序，一接近终点就当掉（无法收敛，或产生没有物理意义的结果）。乙说，燃烧接近终点时，边界条件发生变化，会形成一个放热的尖峰。丙说，那我知道啦，因为放热增加，计算化学反应的步长（单位时间）要减小，否则计算发散。后两者都是运用了经验和常识，但没有第一个人的问题，发挥不了作用。学问需切磋以自明也。您瞧，三个臭皮匠，有时还是赛过诸葛亮的。

有道是，纳米材料变物性，改变换热抗燃烧。化学不行赖物理，个人不足靠讨论。

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