高分子滅火凝膠研究進展及在森林防火中的應用

摘 要 高吸水性樹脂自問世以來，就倍受各國研究學者的青睞。隨著研究的不斷推進，這類新型功能材料被廣泛應用于各個領域，高分子滅火凝膠就是其應用的一個代表。文章綜述了高分子滅火凝膠的結構及其吸水機理、分類、合成方法的研究進展，并展望了其在航空滅火、森林地面火撲救、開設防火林帶及森林防火中減輕人員傷亡方面的應用前景。

關鍵詞 高分子滅火凝膠；吸水機理；森林防火

中圖分類號：S767.6

文獻標識碼：A

doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2024.01.020

從20世紀80年代開始，隨著我國科學技術、經濟文化的不斷發展，生態環境保護意識不斷提高，加強水資源利用率的研究在各個領域展開。在此背景下，高吸水性樹脂作為一種新型高分子功能材料，在農業、煤礦、建筑、衛生、醫療、交通、污水處理、沙漠化治理等方面開始發揮重要作用。本文在綜述了高分子滅火凝膠的結構及吸水機理、分類、制備方法的基礎上展望了其在森林防火領域的應用前景。

1 高分子滅火凝膠的結構及吸水機理

高分子滅火凝膠是將特定的高吸水性樹脂分散到水中，吸水溶脹后形成凝膠狀的物質。高吸水性樹脂（Super Absorbent Polymer，簡稱SAP）亦稱超高吸水性聚合物，是一類新型的高分子吸水材料，其顯著特點是吸水快、保水時間長、環境友好。SAP分子中含有大量的極性親水官能團，如-OH、-COOH、-CONH₂ 、-SO₃H等，在交聯反應中，官能團之間交叉鏈接，得到三維網狀結構。在這樣的“網格”中，可容納超過自身幾百倍、上千倍質量的水而形成高分子滅火凝膠^[1]。SAP材料具有吸水快、吸水容量高、保水能力持久且環境友好等特點，是一般吸水材料所不具備的。同時，此類材料所含蓄的水分在高溫、高壓條件下也不易失去，對光照、冷熱、酸堿的穩定性都極佳^[2]。因此，將高分子滅火凝膠應用于森林草原阻火、滅火領域具有非常廣闊的前景。

1.1 高分子滅火凝膠的結構

從分子結構看，高分子滅火凝膠主要由高分子三維框架、極性吸水官能團和水分子組成。其框架是網絡狀結構適度交聯形成的，如圖1所示。而極性吸水官能團則是親水性基團，如-OH、-SO₃H等。它們的分子結構在不同的分子單體體系下呈現出不同的狀態。Makamura K等^[3]采用DSC、NMR等分析方法研究了SAP微觀機構中水的存在狀態，通過觀察，水在SAP中通常以結合水、束縛水和自由水3種狀態存在，并且自由水占主要部分。由此可以得出結論，SAP是以三維網絡狀結構存在，而導致其吸水的關鍵作用是網絡結構內外的滲透壓。

影響高分子滅火凝膠吸水溶脹的3個主要因素是：（1）在吸水過程中水與SAP混合的自由能；（2）SAP三維網絡狀結構的彈性收縮能力；（3）SAP結構中極性官能團的種類。

1.2 高分子滅火凝膠的吸水機理

研究表明，SAP吸水溶脹形成高分子滅火凝膠的過程主要涉及2種吸水方式：第1種是水分子通過自由擴散作用到達吸水樹脂表面的毛細管而達到吸水目的；第2種是通過氫鍵使水分子與SAP的親水基團結合而形成結合水。在高分子滅火凝膠吸水形成過程中，2種吸水方式都起到關鍵作用，而氫鍵的結合會起到更加主要的作用^[4]。

當SAP以第1種方式吸水時，基于毛細管吸附作用和自由擴散作用使得水分子可以緩慢進入超吸水性樹脂內部。在水分子還未進入前，SAP的骨骼結構處于剛性固定狀態，極性官能團以離子狀態存在。當水分子開始進入時，三維網狀結構內部的親水性官能團開始和水分子形成柔性的可塑結構。此時，在水分作用下親水基團開始電離，三維網絡急速擴張，在水分子滲透壓作用下，離子濃度差在骨骼網層架間形成并由外向內擴散開來（圖2）^[5]。

當SAP以第2種方式吸水時，親水集團為了便于與水分子結合，使分子鏈外翻，同時疏水性基團向內折，形成局部不溶性的微粒單元。已經進入骨架分子的水分子在極性作用下局部失活，被固定在微粒單元處。隨著進入骨架結構的水分子逐漸增多，分子內外的滲透壓差逐漸減小。反應繼續進行，骨架分子內部被不斷占滿，當達到動態平衡時，高分子滅火凝膠的吸水過程完成^[6]。對比分析不同官能團分子的吸水情況可知，極性越強的親水性基團含量越高，SAP吸水越快，保水持久性也越好，同時要匹配適中的交聯度。

2 高分子滅火凝膠的分類

高吸水性樹脂的研究始于20世紀60年代，最早的研究源自1961年，由美國農業部北方研究所Russell C.R.等從淀粉接枝丙烯腈開始，而當時的SAP主要是作為農業、園林的保水劑使用，高吸水性樹脂的研究自此開始了蓬勃發展，品種也日益豐富起來。

2.1 按原料來源分類

最早的SAP源自淀粉，根據原料來源的不同，可以分為淀粉系、纖維素系、合成系和有機—無機復合型4類。淀粉系的主要接枝基團有丙烯腈、丙烯酸鹽、丙烯酰胺，還有直接對淀粉主鏈進行羧甲基化的品種，淀粉黃原酸鹽接枝丙烯酸鹽和淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、順丁烯二酸酐接枝共聚的產品也被合成出來。纖維素系的主要接枝基團和淀粉系的相同，除此之外還有纖維素羥甲基化、醚化、酯化的品種，以及黃原酸鹽接枝丙烯酸鹽和纖維素羧甲基化后環氧氯丙烷交叉交聯的品種。合成系主要為聚丙烯酸系和聚乙烯醇系品種。有機—無機復合型包括高嶺土系、膨潤土系、凹凸棒黏土系、云母系和硅藻土系。

2.2 按親水基團的種類分類

親水基團一般可以分為陽離子、陰離子、兩性離子、非離子和多種親水基團系。

叔胺、季胺類是常見的陽離子系品種；羧酸、磺酸、磷酸類是常見的陰離子系品種；羧酸-季胺類、磺酸-叔胺類是常見的兩性離子類品種；羥基、酰胺基類是常見的非離子類品種；而同時含有羥基-羧酸、羥基-羧酸基-酰胺基、磺酸基-羧酸基的則是多種親水基團系的品種。

3 高分子滅火凝膠的制備

隨著科技的不斷發展，高吸水性樹脂的制備也有了很多不同的途徑，其中最常見的方法有溶液聚合、反相懸浮聚合、反相乳、液聚合、輻射聚合等，其中溶液聚合和反相懸浮聚合被研究得最廣^[7]。

3.1 溶液聚合法

溶液聚合法是最易操作和控制的反應方法，在適當的溶劑中將反應物溶于其中，根據需要依次加入引發劑、交聯劑，在加熱或輻射的條件下進行聚合反應。此方法又可細分為均相聚合和非均相聚合。前者是溶劑能溶解單體和聚合物，即得到的產物為高聚物溶液，只需要對其進行交聯就可得產物。后者是單體能夠在溶劑中溶解，而聚合物不溶于該溶劑，生成的高吸水性樹脂因形成微粒而析出，后期處理需要經過濾、洗滌、干燥和粉碎。

溶液聚合法具有其工藝簡單、易于操作的優點，同時也存在聚合中后期體系黏度高、聚合速率低、分子量偏低、散熱困難等不足。

3.2 反相懸浮聚合法

反相懸浮聚合法是以溶劑（油相）為分散介質，水溶性的單體或高分子物為水相液滴或粒子，引發劑溶解在水相中進行聚合反應的方法。此方法所采用的單體一般為親水性或水溶性化合物，采用水溶性引發劑。用此方法合成的SAP產物多為形狀規則的珠狀或粒狀高吸水性樹脂。

目前反相懸浮法是合成高吸水樹脂最常用的方法之一，其優點是高聚合速率和高分子量，且反應條件溫和、副反應少，克服了溶液聚合體系黏度高、散熱困難的缺點，溶劑回收困難是懸浮聚合法的不足之處。

3.3 反相乳液聚合法

反相乳液聚合法是在油性介質中分散水溶性反應物，通過乳化劑的輔助作用，在強烈攪拌分散成乳液狀態而進行化學反應的合成方法。此方法顯著的特點在于單體為親水性或水溶性物質，即水溶性單體分散在油性介質中，水相的單體成乳膠粒，屬于油包水乳液系統。因為制備高吸水性樹脂常采用親水性單體，所以使用反相乳液聚合法也較多。

反相乳液聚合與反相懸浮聚合的根本區別在于：反相乳液聚合為乳液聚合機理，反相懸浮聚合為水溶液或本體聚合機理。前者所采用的是油溶性引發劑，單體的引發在油相中進行，生成的單體自由基形成液滴膠束，在液滴或粒子中進行鏈增長和鏈終止；后者采用水溶性引發劑，單體的引發、鏈增長和鏈終止均在液滴中進行。

3.4 輻射聚合法

輻射聚合法是在輻射能量，如在光、微波、高能射線作用及在交聯劑參與下，使分子間形成交聯結構的合成方法。該方法的優點在于均勻、速度快、高效能、不污染環境等，因而受到實驗室基礎性研究越來越多的關注，但距離實現工業化生產還需要一定的時間。

4 高分子滅火凝膠在森林防火領域的應用前景

近年來，在撲救森林火災方面國家大力倡導以水滅火，其具有取水方便、成本低廉、不污染環境、對森林生長有利的優點，但同時存在水資源利用率低的不足。如將高分子滅火凝膠應用于森林防火領域，因其具有吸水倍率高、保水時間長和環境友好等特點，可極大地提高水資源的利用率，同時提高滅火速度、滅火效率和滅火安全性。

4.1 高分子滅火凝膠在航空滅火中的應用

航空滅火是撲救大規模森林火災的有效手段之一。飛機一次性載水量大，從上至下的投水滅火可直達要害處，但因飛機飛行速度快，受風速影響等原因，真正到達目標滅火處的水量非常有限，損失量大，而起不到滅火、阻火的目的。

高分子滅火凝膠的超強吸水性和保水性，以及凝膠狀態、可生物降解性為其在航空滅火中的應用奠定了良好基礎。高分子滅火凝膠同時解決了噴灑漂移、水利用率低和對土壤產生不良后果等一系列問題。凝膠狀態增加了黏度，其吸水性可使凝膠負載自身質量千倍的水，其保水性可使高分子滅火凝膠附著于可燃物表面，長時間發揮滅火、阻火作用。而其本身的環境友好性使高分子滅火凝膠在進入土壤后成為很好的土壤保水劑，不會對環境造成危害。所以，高分子滅火凝膠應用于航空滅火必將有很好的前景。

4.2 高分子滅火凝膠在林火地面撲打中的應用

林區撲火隊員在撲救地表火時主要使用的工具有風力滅火機、往復式水槍、細水霧滅火機、二號工具等，滅火效率很低，且過火地帶會發生余火復燃現象。

高分子滅火凝膠具有吸水速度快、保水時間長、熱穩定性好等特點。在撲救林火時，將其噴灑在燃燒物表面，可以迅速隔絕空氣，起到窒息作用，同時凝膠團中的水分分批次蒸發可以吸收大量的熱，起到降溫的作用。高分子滅火凝膠還具有附著性好的特點，即使是在垂直表面也能做較長時間的停留，因此可以在樹木的干、枝、葉表面上形成一層富含水的保護層，既有效防止火的蔓延也有防止余火復燃的作用。因此，高分子滅火凝膠應用于地面滅火必將是大勢所趨。

4.3 高分子滅火凝膠在開設防火林帶中的應用

開設防火林帶是我國常用的森林防火途徑，一般來說開設防火隔離帶有3種方法^[8]：（1）去可燃物法。可燃物是燃燒三要素中最可控的因素，定期去除地表可燃物體，用機械開設或人工挖掘一定長度和寬度的通道達到阻隔火勢蔓延的目的。（2）計劃燒除法。在防火期外，具備安全用火的情況下，用火燒出一定規模的具有特定寬度和長度的通道起到阻火目的的方法。（3）浸水土帶法。其原理就是預先在隔離區布設一定寬度的水浸帶，讓隔離區的地面土地吸收大量的水，保持一定的濕度起到阻火的作用。

從實際應用情況看，幾種方法都有局限性。第一種在開設時需要大量的人力和物力，效率低，且具有一定的危險性；第二種在操作時對指揮員的經驗要求較高，點火時機很難把握，使用不當可能還會造成人員傷亡；第三種是最安全、簡便易行的方法，但由于自然條件下水的蒸發速度較快，在水資源有限的情況下往往效率低下，起不到很好的阻火效果。

利用高分子滅火凝膠的優勢可以很好地克服以上缺點，不需要大型設備的輔助，也不用大量的人力資源，就能很快地布設阻隔屏障。高分子滅火凝膠中的水分不易蒸發，可以在較長的時間內發揮阻隔作用，同時不會破壞生態系統和植被，發揮作用后可自然降解。

4.4 高分子滅火凝膠在森林防火中可減少人員傷亡

高分子滅火凝膠可施用于森林火災中的撲火人員及被困人員身體表面，為逃生爭取寶貴的時間，同時不會對人體造成任何傷害。在脫離危險后，只需要用大量清水沖洗即可完全解除凝膠的防護，從而減少森林火災中人員傷亡。

5 結語

高分子滅火凝膠具有吸水容量大、吸水速度快、保水能力強及無毒無味等顯著優點，它打破了以往我國森林火災預防和撲救過程中單純依靠水、泡沫阻滅火及開設林火隔離帶的傳統方法，開辟了森林防火、阻火、滅火技術措施的新途徑，這必將在我國的林火預防與撲救方面發揮巨大的積極作用。

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