近些年來，納米材料和納米技術(shù)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(zhì)，使納米材料和納米技術(shù)在電子學、光學、化工、陶瓷加工、生物工程和醫(yī)藥學等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并相繼取得重大進展。
納米技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用尚屬科學實驗階段，但這項技術(shù)已展現(xiàn)出十分誘人的前景。有關(guān)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(shù)正在社會生活的各方面產(chǎn)生巨大變革，并將對21世紀消防技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。
1納米材料和納米技術(shù)
納米粒子具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，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――有機載體和化合物――無機載體、化合物――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)，其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――凝膠法、水熱反應(yīng)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(jié)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(shù)是在納米空間(0.1――100nm)內(nèi)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(zhì)的尺寸小到1nm～100nm(10-9m～10-7m)時，由于其量子效應(yīng)，物質(zhì)的局域性及巨大的表面及界面效應(yīng)，使物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)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(zhì)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(shù)在消防工作中的應(yīng)用
從已有的報導來看，納米材料在消防中的應(yīng)用主要包括五方面的內(nèi)容：納米阻燃材料(納米阻燃劑)、納米鋼結(jié)構(gòu)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(shù)在阻燃材料中的應(yīng)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(shù)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?qū)⒒馂目刂圃谝欢ǖ姆秶瑸榛馂牡膿渚融A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(jīng)研制出的或正在研究的項目來看，納米技術(shù)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(yīng)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(shù)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(shù)為無機阻燃劑，它們包括銻系阻燃劑、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(chǎn)品性能發(fā)生改變，特別是對模塑產(chǎn)品、擠型產(chǎn)品和薄膜產(chǎn)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銻，其顆粒大小和形態(tài)對塑料制品和紡織織物的性能和阻燃效果影響非常大。粒度是三氧化二銻的重要指標，只有當三氧化二銻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銻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(chǎn)品只能涂覆到被保護材料的外表，大大降低了三氧化二銻的阻燃性能。
納米級三氧化二銻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銻有了數(shù)量級的提高。尤其重要的是由于納米級三氧化二銻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，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(yīng)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(jù)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(zhì)比其相應(yīng)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(jīng)制備出納米級環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍－6、丙烯酸等復合材料。如尼龍－6/蒙脫土(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90℃；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(yīng)用于飛機內(nèi)部材料、燃料艙、電子或電氣部件、護罩內(nèi)的結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)的耐火性能。
2.2納米鋼結(jié)構(gòu)防火涂料
鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)倒塌。奧運工程采用大量鋼結(jié)構(gòu)建筑，這些超高、超大、應(yīng)用大量鋼結(jié)構(gòu)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(jīng)成為擺在設(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)防火涂料。①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(jié)合的復合樹脂。復合樹脂具有耐高溫、粘接強度高等特點。②納米三氧化二銻、氫氧化鎂材料。經(jīng)實踐證實，由于具有更好的分布結(jié)構(gòu)，納米三氧化二銻、氫氧化鎂作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。③無機纖維，制備1種具有納米級纖維結(jié)構(gòu)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(shù)的精髓就是從原子分子的精確操縱出發(fā)構(gòu)建具有全新分子、排列形式的人造結(jié)構(gòu)。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(zhì)的飛躍，也可稱其為納米滅火劑。
目前已有一些報導：將傳統(tǒng)的干粉滅火劑（NaHCO3、KHCO3、NH4H2PO4）)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(guān)，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(shù)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(yīng)用領(lǐng)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(nèi)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(lǐng)域，由于納米材料粒度小，比表面積大，結(jié)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)價值和商業(yè)前景。以往的探測器由于尺寸大，可用經(jīng)典物理很好地描述，隨著探測器尺寸的微小型化，量子效應(yīng)越來越起支配作用。從波動理論來看，尺寸大時發(fā)揮作用的是光波；而在量子效應(yīng)起支配作用的范圍內(nèi)，發(fā)揮作用的將是德布羅意波。利用納米粒子的電阻隨周圍環(huán)境中組成氣體的改變而發(fā)生變化的特性，可將納米材料制成敏感的探測裝置，對氣體進行檢測和定量測量，有關(guān)這方面的工作目前已有一些報道。
另外，納米粒子便于噴涂和質(zhì)量控制，易極化和轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)出較理想的電特性和動態(tài)特性，非常適用于瞬態(tài)信號的測量。根據(jù)不同的材料構(gòu)成，用納米材料制作的氣敏元件可分為表面控制型和體控制型，以及由這兩種類型構(gòu)成的復合控制型。
將納米材料應(yīng)用于消防領(lǐng)域中的報警工作將是一個很有發(fā)展前途的方向。利用納米粒子化學活性強、化學反應(yīng)選擇性好的特點，將納米材料制作成氣體探測器或離子感煙探測器，用來定量探測周圍環(huán)境中有毒氣體、易燃易爆氣體、蒸氣及煙霧的濃度，并將其與微機聯(lián)網(wǎng)，用以預報火災的發(fā)生并進行頂警。一方面，納米粒子的化學活性強，使用納米材料制作的傳感器或探測器能在極短的時間內(nèi)作出反應(yīng)，及早發(fā)出火災報警信號；另一方面，納米材料的選擇性遠遠高于普通材料，使用納米材料制作傳感器或探測器可大大提高預報的準確性，減少誤報率。這樣在燃燒初起或陰燃階段就能起到很好的探測作用，達到早期預報，降低火災損失的目的。
2.5納米消防裝備
納米技術(shù)將使消防裝備脫胎換骨，舊貌換新顏。目前，世界上較發(fā)達的國家如美國、日本、德國等國家都紛紛投入巨資研究納米技術(shù)，這無疑為納米材料向更高層次的功能化、超高能化、復合輕量化和智能化方向發(fā)展。對于中國消防現(xiàn)有的火災報警系統(tǒng)，自動火災滅火系統(tǒng)，特種消防車、消防滅火技術(shù)裝備，消防個人防護裝備、滅火器材、救生器材以及滅火劑等裝備來源，隨著新納米材料的問世，這些裝備將會以嶄新的面貌和更為優(yōu)良的性能馳騁在未來的消防最前線。
個體防護裝備將實現(xiàn)輕量化、功能一體化。目前消防戰(zhàn)士在執(zhí)行救火任務(wù)時，使用的個體防護裝備及報知系統(tǒng)耐熱性差，穿著笨重，不能長時間作業(yè)；特別是執(zhí)行緊急搶險救災任務(wù)時自防能力水平低，且不能準確報知現(xiàn)場的任何情況。可以想象，在未來消防的第一線，單兵將穿著用納米材料制成的內(nèi)衣和防火服，這樣的防火服不僅耐高溫、隔熱性能好，而且具有防毒功能；特別是選用納米碳管材料制成的防火服，其強度要比一般的鋼鐵強度要強幾十倍，而且柔軟合身，在作業(yè)時根本無需考慮被建筑物鉤、刮、碰等，而用納米材料制成的綜合性頭盔系統(tǒng)不僅能夠滿足結(jié)構(gòu)輕巧、強度大、耐高溫、耐腐蝕的要求，而且由于嵌入了微小體積的巨型計算機，則頭盔便成為高度集成且一體化的“智能單元”，能與指揮人員的技術(shù)支持系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)傳輸，為大型消防作業(yè)提供技術(shù)保障和安全保障。另外，在進行特殊搶險救援任務(wù)時，檢測報知手段也將由納米材料扮演重要的角色；單兵所攜帶的作業(yè)工具也會因使用納米材料結(jié)構(gòu)更加輕巧而減少體力的消耗，使得整體完成任務(wù)的能力大大提高。
大型消防裝備和智能報警系統(tǒng)的性能更加優(yōu)良。科學家在研究中驚奇地發(fā)現(xiàn)，納米材料強度是鋼鐵的10倍，而重量卻只有同體積紙張的1/10。在消防車的輪胎中加入納米材料，其抗折性能提高5倍，而且耐疲勞、耐腐蝕、耐高溫、適應(yīng)火場上的各種惡劣環(huán)境可以讓消防車直接靠近火場實施撲救，減少遠距離帶來的不便。將納米材料應(yīng)用在消防棒、消防膠帶、噴水槍支持架上，重量將大幅度減輕，工作效率會明顯提高。針對高層建筑消防技術(shù)的特殊要求，使用納米材料的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量輕上，更重要的是強度大、耐高溫、耐疲勞，用它制成特高型云梯終將成為可能。而對于動力系統(tǒng)來源更具有不可估量的現(xiàn)實意義，諸如用于撲救高層建筑火災的直升機，采用復合納米材料陶瓷發(fā)動機，不僅具有很強的韌性、可塑性、耐磨性和抗沖擊能力，而且重量減輕和功率提高均在30％以上，節(jié)約燃料50％以上，這樣會大大提高作業(yè)時間和作業(yè)能力。
將納米技術(shù)應(yīng)用到微機電一體化系統(tǒng)的器件中研制成智能化火災報警系統(tǒng)，可監(jiān)測室內(nèi)的溫度、壓力、流率、振動、流體污染等，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時就會適時作出預報，可以及時發(fā)現(xiàn)火災可能發(fā)生的部位。如將納米技術(shù)制成特殊材料添加到電纜或各種電氣用品中，當溫度超過某一極限值時，它們就會自動報警，從而大大減少可能發(fā)生的電氣火災。此外，納米技術(shù)應(yīng)用在小型高能電源系統(tǒng)上，可從根本上減小現(xiàn)有通訊設(shè)備體積，增強功能，使現(xiàn)有的城市消防指揮系統(tǒng)更加現(xiàn)代化和網(wǎng)絡(luò)化，更便于實現(xiàn)區(qū)域火災的控制和實現(xiàn)分布式集成化的指揮網(wǎng)絡(luò)。
綜上所述，納米技術(shù)是世紀之交異軍突起的一種嶄新技術(shù)，它的出現(xiàn)是人類認識自然和改造自然能力的重大突破，也標志著人類最終能夠按照自己的意愿操縱單個原子和分子，以實現(xiàn)對微觀熱量的有效控制。我們有理由相信，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，它在消防領(lǐng)域的應(yīng)用將會展現(xiàn)出更美的前景，并必將給消防裝備和發(fā)展帶來難以估量的巨大影響，為消防工作譜寫新的篇章。
