王玉忠院士:大火灾扑救难,抓预防是关键

2020-05-14 09:09:20 来源: 科学大师 网易号 举报
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采写|章剑锋 

出品| 网易科技《科学大师》栏目(ID:tech_163)

今年五一假期,全国共发生火灾3773起。职能部门的防范工作可谓严阵以对,全国各级应急管理部门和消防救援队伍期间组织了4.5万个工作组,共出动13万余人次,现场检查服务22.3万余家企业和单位,排查整治问题隐患42.5万余项。


国内疫情形势好转,但随着复工复产,火灾却可能出现反弹——这是应急管理部消防救援局的公开警告。该局近期在一份通报中提到,随着复工复产进度加快,经济社会秩序的逐步恢复,各类灭火救援任务随之增多,开始逐步接近往年的情况。

就在3月30日,四川省凉山西昌市经久乡发生森林火灾,造成19名地方扑火人员牺牲、3名重伤和部分民房烧毁,这是继去年同日当地森林火灾造成30名扑火人员遇难后的又一重大伤亡,引起舆论聚焦。



“对山火的预防或对山林的阻燃处理是很难做到的,它一旦烧起来,很难自熄”,中国工程院院士、四川大学教授、环保型高分子材料国家地方联合工程实验室和新型阻燃防火材料开发与应用国家地方联合工程研究中心主任王玉忠对网易科技《科学大师》记者说,不仅山火不好扑救,城市火灾的扑灭难易也不能一概而论,一则高层建筑特别是摩天大楼火灾,由于消防工具的局限性,不好扑救;再则,“从着火到轰燃之前的这个阶段是比较容易把火灭掉的。但到了轰燃发生后就不好灭了,只能依靠专业的消防人员通过专用的灭火器材灭火。”


王玉忠告诉记者,根据火灾的形成过程,轰燃是火灾发展的最盛期,火情此时已由局部演变成大火,室内空气中充满的由有机材料热分解产生的易燃气体/产物会突然着火,造成火焰迅速扩散,甚至爆燃,产生极大量的热量和有毒烟气,室内热烟气温度平均可达600℃。

相关实验测试也显示,在一个房间中,从局部着火到全面轰燃,可以在短短两分多钟发生。着火一分半钟,就意味着已错过最佳灭火时机,靠个人力量无法控制火情。而轰燃发生后,人的逃生机率几乎为零(据上海消防博物馆、中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室)。

王玉忠是目前中国阻燃材料研究领域唯一的一位院士。从上世纪80年代开始,他就致力于高分子材料的阻燃研究。通俗地讲,阻燃技术就是将阻燃剂引入到材料中,能使材料在遇火时,不易被点燃、离火自行熄灭,或可以实现延缓火场轰燃发生的时间,为人逃离火场避免危险争取时间。

目前,王玉忠的研究团队正在从事大飞机、高铁等重大工程涉及的阻燃技术的研究。

资料显示,三十多年来,王玉忠院士提出和发展的阻燃新原理、新方法,为解决阻燃领域的技术难题和瓶颈技术起到重要作用,特别是在解决国内外阻燃界公认的阻燃难题方面取得了国际领先水平的成果。他的团队所研发的技术,也在不同高分子材料中得到广泛应用。

本职之外,王玉忠还是应急管理部系统的“消防与应急救援国家工程实验室”技术委员会副主任、国家重点研发项目“特殊结构建筑防火灭火关键技术装备研发与应用示范”项目咨询专家组组长。他还是国家强制标准《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求及标识》的起草人之一,这是中国第一个公共场合用阻燃制品国家标准。

2019年,王玉忠团队受到自然界中的植物叶绿素的代谢和分子结构启发,设计制备出可在潜在火灾的高温下发生智能变色的分子传感器,并将其与图像识别算法相结合,发展了一种防火于未燃的极早期潜在火灾和早期火灾的探测预警技术,实现潜在火灾高温响应预警和明火报警(据四川大学化学学院官网)。

王玉忠告诉《科学大师》记者,火灾安全存在事先预防、预警和事中扑救几个主要环节,事中扑救,属于被动灭火,因为火已经烧起来了,人为扑救的效果往往不佳,而开发使用先进的阻燃材料和智能的火灾预警技术,可以化被动为主动,防火于未燃或微燃的阶段,从根本上有效预防和杜绝火灾发生。

2020年1月,王玉忠团队获得国家自然科学奖二等奖,至此他在阻燃领域的研究成果获全了国家科学技术奖励的三大奖(其他两大奖:国家技术发明奖和国家科技进步奖),他的每次获奖平均间隔时间长达十年。


“阻燃的基本原理早就搞明白了,即如何防止和限制燃烧‘三要素’——引火源(热源)、可燃物和助燃剂(如氧气)中的至少一个要素发挥作用,使燃烧无法发生。但阻燃技术实践起来是很难的。要有科学原理和技术上的突破非常困难,过去从事该领域研究的人比较少。我们在这个领域也只是研究了三十多年,十年磨一剑,有幸取得了一些突破。”

火灾防治科研,涉及诸多技术和问题求解项。本次独家专访中,王玉忠就向网易科技《科学大师》记者讲解了火灾防治中的技术发展,及有待突破的瓶颈。

1,火灾一旦发生,将不可逆转

《科学大师》:为什么说火灾一旦发生就是不可逆的,难以有效被扑灭?

王玉忠:火灾的发生,几乎都是先从引燃有机物开始的。比如,塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等有机高分子材料在遇到高温后,会发生热分解,产生可燃、易燃的气体燃料。温度越高,这种热分解就越多,在有氧气存在下,当局部环境温度达到轰燃温度时,就会发生轰燃。这时候就会在瞬间把一整个屋子都燃烧起来。如果这个屋子与其他房间没有隔离,火势会顺势向外扩展。我们看到有些楼宇或商场火灾,在很短的时间内甚至殃及到整栋楼,就是这个道理。

火灾一旦发生,尤其是发生轰燃后,一般都是不可逆的,如果不外加干预(灭火),不会自熄,会一直持续到火场的有机物烧完。对于有机高分子材料而言,在有氧燃烧阶段,会产生大量的活泼氢氧自由基。这种活泼自由基不断与其他分子结合生成新的自由基,产生的快速连锁反应使有机高分子材料的燃烧过程不断进行下去。

假如我们在体系中引入一种能捕获这种活泼自由基并抑制这种连锁反应发生的物质,就可以终止燃烧反应,这体现的是化学层面的阻燃机制,但这种阻燃机制在轰燃之前会发挥作用,而在轰燃之后,也难奏效。

就是说,如果达到轰燃温度产生了轰燃,即使是在缺氧(低于空气中氧气浓度)情况下也可以维持燃烧,这时候的任何一种阻燃机制都无法避免火灾的发生,只能借助灭火剂灭火。

在燃烧的过程中,环境温度也是在不断增加。对于发生在高层建筑内部的火灾,燃烧区钢材的温度甚至可以高达700 ~ 800 °C,这样的温度虽然并不能熔化钢铁,但会大幅度降低其强度,使其承重力降至原来的5 %左右。如果钢材软化面积达到楼层面积的2/3以上,那一楼层会不可避免地发生塌陷。“9.11”事件中美国世贸大厦的坍塌就与此有关。

2,阻燃技术的目的是给人员逃生创造时间

《科学大师》:阻燃是什么概念?不是指在燃烧过程中阻断甚至消灭火情么?

王玉忠:阻燃技术不是用在火灾发生后的扑救环节,而是用在火灾发生前的预防环节,是要从尽可能避免引起火灾的源头做起。“阻燃”是指材料遇火不会立即燃烧,或虽然燃烧,但离火后在较短的时间内能自熄。阻燃程度也有相应的评价划分:易燃、可燃、缓燃、难燃、不燃等。

消防系统是从工程设计角度来考虑怎么防范火险,比如高楼层都要有常闭的防火门、消防门等各类消防设施,功能是把火情限制在局部,不使它大面积的蔓延。而我们作为材料科学家,主要是从材料的角度考虑怎么样能使材料不易被点燃,实现阻燃、难燃和不燃的问题,从源头防止火灾的发生。

我们还要考虑怎么样降低材料的热释放,我们希望当材料一旦被点燃,燃烧环境的温度发展到轰燃温度的时间尽可能地长一点和慢一点,使得人员有足够的时间逃生。

现在公共场所和设施以及很多有火灾隐患的特定领域(如大飞机机舱、高铁车厢等)使用的高分子材料都有阻燃要求。

《科学大师》:目前的阻燃技术是什么样的,怎么样进行阻燃技术处理和研发?

王玉忠:一种是从塑料、橡胶、纤维纺织品等有机高分子材料的大分子的结构入手,将能起到阻燃作用的化学元素和结构,通过化学方法引入到大分子链中,使高分子基体本身具有阻燃性(本征阻燃)。比如,目前市场上用于纺制阻燃涤纶纤维用的阻燃聚酯,主要采用的是这种阻燃方式。

另一种就是合成一种特定结构的阻燃剂,并添加到材料中。比如我们生产电视机壳,我就通过工艺设计把阻燃剂以不同的方式混入生产电视机壳的聚合物基材中,通过加工成形获得阻燃制品。这种也比较普遍,容易操作,非常灵活。

第三种是表面阻燃处理。将阻燃剂通过浸渍、涂覆或喷涂方式,以化学和/或物理作用使阻燃剂与基材结合,从而达到阻燃的目的。这是纺织品和木材阻燃最常用的方法。

目前没有一种“万能”的阻燃技术对所有有机高分子材料的阻燃都有效。我们必须根据不同的材料及其应用场所,进行针对性的阻燃化设计,研究开发出阻燃效率高、对其他性能影响小,以及环境友好的阻燃技术和产品。

3,高火安全性的技术上可以做到,但太贵了

《科学大师》:直接用阻燃材料来装修屋子、生产家具和各种设施,让人类生活在完全阻燃或不燃的环境中,火根本就烧不起来,从技术上来讲,这是不是已经可以实现?

王玉忠:阻燃技术是分不同的标准等级的,有不同的产品和应用标准。比如,建筑材料及制品可分为易燃、可燃、难燃和不燃4个燃烧性能等级。根据不同的建筑规范和使用要求,选择相应等级的材料。

通常情况下,我们说的阻燃不是说绝对不燃,而是要延缓它的燃烧进程(难燃),使它不具破坏性。一种材料,能否被点燃,除了材料本身的特性外,还与点火的温度和热辐射强度以及点火时间等有关,“绝对”点不燃的有机材料是不存在的。只有无机材料才能实现 “不燃“,这就是为什么目前能达到A级(不燃)建筑保温材料要求的材料只有无机材料,而没有有机高分子材料的原因。

然而,无机保温材料的保温效果远远差于有机高分子保温材料,而且后者比前者轻、力学性能也好。因此,在选择材料时,既要考虑火安全性需要的阻燃性能,又必须平衡其各种性能。这是我们从事阻燃研究和技术开发的人必须考虑的问题。

使有机高分子材料达到高的难燃级别以实现高的火安全性,在技术上是可以做到的。但在实际应用中,这并非是完全必要的,因为要同时满足其他性能要求的这类难燃材料的成本一定非常高,在产品标准没有那么高要求的情况下,企业会因为产品成本的原因不会主动生产这样的产品,这与我们搞科研一味追求高性能不同,企业比较现实。

仅从火安全角度来讲,我们当然希望阻燃产品标准能够扩大应用,能更普及;比如在当年制订《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求及标识》国家标准的讨论会上,在讨论阻燃产品适用领域时,我们都希望能有更大的范围和更多的产品品种改用阻燃产品,但问题并没有那么简单,因为这涉及使用成本和执法成本等各种因素。

是站在企业成本维度,还是站在社会成本维度,这里面存在一种权衡。你让企业或使用者在阻燃上投入那么多,是不是火一定就那么巧会烧到他那里去?他们会有这样的心理。但他们也许应该考虑,一旦火真的找到自己那里了,那损失如何估量。

有些企业为了降低成本,尽量不用阻燃材料。2009年央视新大楼的配楼着火,就是因为燃放烟火引燃了没有达到阻燃标准的外墙有机高分子泡沫保温材料。如果当时用的是阻燃材料,火就可能较难以烧起来。现在建筑外墙保温材料聚苯乙烯泡沫,常用的阻燃方法是添加六溴(xiù)环十二烷(wán)阻燃剂,但这类阻燃剂对环境和人体健康造成威胁,在国际上其实早就禁用了,寻求新的阻燃方法成为行业的当务之急。

4,阻燃强制标准难执行,但不能降低标准


《科学大师》:公安部2006年提出的国家标准《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求及标识》,您是起草人之一,当时已经发生过克拉玛依火灾、焦作天堂音像俱乐部火灾、抚州本色精英酒吧火灾等多起恶性火灾事故,教训深刻,14年过去了,这个标准执行得怎么样?

王玉忠:这是一个强制性标准(GB20286),我作为专家组成员之一参与了制订工作,前期做了大量的调研。这个标准出台后,不管你是歌舞厅、影院,还是其他公共场所,都要对照这个标准来执行,消防部门要一项一项对照着标准来检测。达到标准,就验收通过。如果使用者不执行,或者偷工减料,那是要追责的。

我也听到一些企业反映,说指标定得太高了,达不到。实际上根据前期调研的结果,已有技术是可以达到的。对于技术达不到标准的企业,那就要进行技术创新,技术标准本来就是要引领技术发展和促进技术进步的;在不显著提高成本的情况下,这个标准可以引领阻燃技术发展,引领企业提高技术水平。

标准执行起来有一定的难度。有不少企业不是想着如何提高技术水平,反而希望降低标准。我觉得有些指标不是要减少或降低,比如说,阻燃1级的标准,增加了低热释放,这是很重要的一个指标;还有燃烧烟气及其毒性,也都是重要的指标。现在有些公共场合属于特别封闭的空间,不是露天敞开的,这些指标更有加强的必要。

随着阻燃技术的发展和不断提高的社会需求,我认为标准应该越来越高,我们当时就是因为看到已经有一些能达到标准的产品,结合实际需求,才确定的指标,不是凭空制定的。

从消防部门公布的数据来看,这些年为什么我们国家发生的重特大火灾数量和造成的损失不像过去那样增长?这跟我们这些年加强了阻燃防火法律法规建设和实施到位,抓得严,有很大的关系。法律法规都硬了以后,重特大火灾确实减少了,这应归功于阻燃防火领域相关的强制性国家标准发挥的作用。

5,阻燃技术目前更多应用在特定领域和产品上,应该扩大应用范围

《科学大师》:现在阻燃技术具体已经应用在哪些方面了?

王玉忠:目前,阻燃材料或技术应用比较广泛。例如:化学建材、电子电器、交通运输、航天航空、日用家具、室内装饰等各个领域,都有相应的阻燃标准要求,根据不同的应用场所,需要采用与之相应技术标准的阻燃材料。

同样一个电视机,公共场所的和我们家里的阻燃要求是不一样的。公共场所人流大,安全隐患高,阻燃要求更高。同样是汽车,公共汽车和私家车又不一样,它必须要达到一个相应的阻燃标准或质量要求。

阻燃技术是有应用前景的一项技术。我们考虑到未来是新能源时代,像我们汽车上用到的锂电池,有时容易发生爆炸。从研发上,就更要考虑增加它的阻燃性能,将来对新能源汽车的阻燃要求,应该比普通汽车要求更高。

还有文物设施的阻燃。我们团队今年承担了一个国家自然科学基金项目,就是文物的阻燃防护。我们知道,很多文物是不能用阻燃剂的,采用的办法就是传统的严禁烟火。为什么不能用阻燃剂防火,因为阻燃剂也是化学物质,喷涂到文物上,有可能对文物原貌造成破坏。文物采用阻燃技术的要求更高,除了不能破坏原貌,还要考虑阻燃剂的耐老化问题,过上几年或者更长时间,阻燃涂层如果老化变色,就会破坏文物原貌,这势必也会造成文物破坏。所以,文物保护对阻燃剂的要求相当苛刻,这就需要深入进行科学研究,取得技术上的突破。

6,智能扑火重点应该把好源头预警关

《科学大师》:现在是一个科技时代,在火灾的扑救上面,也兴起智能扑救的提法,您怎么看这个问题?智能化怎么样能更好应用到火灾安全技术研发中?

王玉忠:我要说明的是,我是阻燃专家,不是灭火专家。据我了解,智能化技术在火灾安全中有应用,比如在扑灭山火的时候,消防部门就会运用到无人机。但山火真正烧起来以后,并不好扑灭。因为这种火灾是完全敞开的燃烧,不受任何限制,风向的不确定使得火焰蔓延方向难以掌握,加上很多森林火灾发生地往往人迹罕至,山林地势条件复杂,缺少交通道路,灭火人员很难快速抵达火灾现场,重型灭火机械设备更无法运输,这些不利因素的叠加极大地增加了灭火的难度。

通常来讲,对森林火灾的扑救,没有太多办法,主要是人工开辟隔离带,在火场与未着火的地带之间挖出几十米宽的一条隔离带(沟),让火势烧不过去,阻止进一步的大范围蔓延,这跟防火门是一个道理。而靠这一类人工的传统扑救办法,效率也是非常低的。

但不好灭是一回事,我们不能不积极扑火,对国外那种放任火灾不去扑救的主张我持反对态度。因为森林不会因为过火之后就产生”群体免疫”,不会被烧过一次就能够自然具有阻燃性了。国外的主张让人费解。你消极放任它烧,就算以后这个地方你不在那周围居住,你还要考虑森林大火对地球生态环境的恶劣影响。

对于城市楼房的火灾,尤其是高层建筑火灾,扑灭难度也很高。一旦达到了轰燃阶段,智能扑火能发挥的作用就非常有限。所以还是要重点强调对火灾的前期预警,一定要早发现、早扑救,这是智能扑火最能发挥作用的阶段。

《科学大师》:早期火灾预警,从您的研究来看,可以怎么做?

王玉忠:火灾的发生基本上是随机的,没有太多科学规律可循,但不是不可以防范。我们团队也承担了相应的国家研究课题,针对早期的火情,能够实现尽早的探测和预警。

当我们的专用传感器探测到温度已经达到自燃值时,已经很危险了,甚至明火已经出现了,我们就可以发出预警或报警信号,进行早期扑救灭火。

很多公共场所包括我们的实验室,现在安装的感温和感烟预警技术,主要是通过热量辐射或烟雾颗粒到达传感器来触发警报,它的局限是容易受到使用环境影响,产生误报和延迟预警。而像图像型(视频型)探测技术受限于检测信号,仅能检测明火或烟雾,必须在火灾发生后才能进行预警,虽然探测准确度高,但还是没法做到防火于未燃。

从这种工程设计方面,我们就应该考虑怎么样在火还没产生或刚产生微弱明火时,预警系统就能启动,及时把隐患消除,不让火烧起来。把这种智能化技术应用到源头防范,会更为有效率,它是主动防火,和那种起火后的被动扑救是不一样的。

7,阻燃研究中还有难啃的“骨头”

《科学大师》:多年科研实践下来,您认为阻燃科研最大的挑战或者说有待攻克的问题是什么?

王玉忠:为了防止和限制材料燃烧“三要素”(至少其中的一个)发挥作用,避免燃烧发生,可以通过气相和/或凝聚相的阻燃机制实现。例如,一些小分子含溴(xiù)阻燃剂是一类非常有效的气相阻燃剂,在不同类高分子材料的阻燃中取得了非常好的阻燃效果,因此得到了广泛的应用。然而,其中有一些常用的高效小分子含卤阻燃剂不仅存在生态积累和环境污染问题,而且燃烧过程中烟气释放量大,往往会加剧产生有毒物质,已被欧盟等很多国家禁止使用。研发出阻燃效率能与这些阻燃剂媲美的替代品,本身就是一种挑战。

去年我去美国参加一个学术会议,看到他们有几个州声称不用阻燃剂了,主要是因为消防员认为含有阻燃剂的产品燃烧起来毒性更大,影响他们的健康。实际的调查发现,火灾发生后死亡的人员当中,因吸入有害物质窒息死亡占绝大多数。

因此,阻燃技术的发展面临的最大挑战是,如何既要提高阻燃性能和效率,同时又不破坏材料的其他应有性能,还要实现阻燃剂本身的环境友好及其阻燃产品的低烟、低毒。当然,实现这一切而增加的成本还需要能被使用者接受。

几十年来我们的核心工作就是在做这件事,探索新的阻燃原理和方法。比如,我们提出的“无传统阻燃元素”阻燃的新理念(去年获得国家自然科学奖二等奖的其中一个发现点),就是希望解决阻燃不加“阻燃剂”的需求问题。从科学层面,现在已经是找到一些解决办法,有些科学问题的解决已导致关键技术的突破,进而实现了应用。当然,还有很多科学问题和关键技术需要继续攻克解决。像材料的高阻燃性和必要的物理机械性能与低热释放、低烟低毒的协调机制,以及实现各种性能平衡的技术突破等。

8,火灾面前公众须谨记:逃生很重要

《科学大师》:一般公众在面对火灾时,可以怎么做,要具备一些什么常识?

王玉忠:安全防护意识,有些国家做得比我们好,他们从幼儿园和小学就有这方面的教育,我们国家的学校和单位,虽然也会定期请消防员做知识讲解,但大多数公众没有机会了解,平时也不关注这个。

一旦火灾发生以后,应该怎么办?我认为做到这一点很重要:先报警再救火,能救就救,救不了,赶紧离开火场,逃生很重要。逃离现场应该怎么做?火灾过程中会释放有害物质,吸入过多的毒气(如有机物不完全燃烧产生的一氧化碳),人腿会软,跑不动,意识也会模糊。因火场中有害物质大多数会积聚在上部空间,所以逃生的时候,最好用湿毛巾捂着口鼻,趴在地上行进。

现在网络发达,这些基本的消防知识都能公开查到,公众可以通过网络渠道主动关注和学习,这个很重要。

在公共场所遇到火灾,快速的有序撤离非常重要。当年新疆克拉玛依友谊宾馆特大火灾的教训惨痛。如果当时会场的各个出口的安全门都敞开,并且能尽快地组织有序撤离,我认为就不至于死那么多人,我们在灾难面前欠缺常识。

现在大多数建筑的楼道中都会有灭火器。一般的家庭,我建议也可以根据实际情况备些灭火器,我自己车上就有。日常生活中就要有防患于未然的意识。

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王凤枝 本文来源:科学大师 责任编辑:王凤枝_NT2541
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