冷火灭火剂：光化学冷火效应应用详解

摘要：针对燃烧的机理，人们发现并运用四种方式进行灭火：冷却、窒息、阻断、化学抑制。对于历史最为悠久的冷却方式，一种新的技术——光化学冷火效应在灭火剂上的成功应用，为它赋予了前所未有的高性能。

1．燃烧与灭火

1.1燃烧四要素

火灾是在时间和空间上失去控制、并会造成严重后果的燃烧。从物理或化学角度来看，扑灭火灾，就是要中止燃烧过程，即要在燃烧区建立起能够终止任何形式燃烧过程继续进行的条件。换言之，就是要破坏燃烧过程继续进行的条件。

燃烧发生和继续的充分条件，传统认为有三个：可燃物、氧化剂、热源。任何一个条件不具备时，燃烧就不会发生，或者无法继续下去。

近来，人们发现，燃烧是一种链式反应。在这种链式反应过程中，存在一种重要的物质——自由基。自由基本身是燃烧反应的非稳定中间物，并可以在热源的作用下催生出更多的自由基，从而使燃烧发生并持续进行下去。许多人将其视为燃烧的第四个要素。

1.2四种灭火方式

针对燃烧四要素，人们发现了四种灭火方式——冷却、窒息、阻断、化学抑制。

冷却是通过降低燃烧区温度（控制热源）的方式破坏燃烧得以发生的条件。

窒息是通过降低燃烧区的氧气浓度，使燃烧无法进行。

阻断是通过阻止可燃物的供应，使燃烧自行中断。

化学抑制则是利用灭火剂中的某些成分与自由基发生化合反应，形成稳定的物质，从而破坏链式反应进程。

1.3灭火剂应用

世界上开发的各种灭火剂，无一例外的应用到了上述一种或多种灭火方式。例如：

干粉灭火剂主要通过化学抑制方式灭火。干粉颗粒与燃烧中的自由基接触后，将自由基吸附到表面，并发生化合反应。某些干粉在化合反应中产生不活泼气体等稳定的物质，稀释燃烧区的氧气浓度，从而还能起到一定的窒息作用。

泡沫灭火剂则通过泡沫层的覆盖窒息、冷却降温以及一定的化学抑制作用灭火。其中，成膜型泡沫灭火剂还具有良好的阻断性能。

二氧化碳灭火剂则以窒息方式为主，通过降低燃烧区氧气浓度来遏制燃烧。对某些类型的火灾，它也有一定的化学抑制作用。

研究人员对灭火剂性能的开发，则一直围绕着这几种灭火方式，力争使其中一种或若干种灭火方式得到更高效的发挥，从而实现性能的提升乃至飞跃。

2．冷却方式的改进

2.1水和冷却灭火

冷却方式是历史最悠久的灭火手段。远古时期人们用水浇湿火堆，主要就是在运用水的冷却作用灭火。在现代，这种方式依然大行其道。而冷却方式的最主要载体则是热容大而且广泛存在的水。最早的时候人们使用河水、海水等自然状态的水，后来增加一些添加剂而形成润湿水（渗透性好）、减阻水（射程长）、增稠水（粘性大）等，再后来开发出泡沫灭火剂（包括成膜型和非成膜型），以至近年来出现细水雾灭火技术，其主要载体无一例外的都是水。可以说，水是人类历史上使用最悠久、应用最广泛的灭火剂。

2.2革新——冷火灭火剂的诞生

在实践中，人们不断改进着灭火剂的性能。寻找哈龙替代品，成为灭火剂革新的一个重要历史背景和推动力量。1985年，联合国环境署制订《保护臭氧层维也纳公约》；1987年，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》签署。从此，对臭氧层具有极其严重破坏作用的哈龙灭火剂正式进入淘汰程序。其后不久，我国加入了这两个协议，并在1992年制订了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰的国家方案》。同一时间，世界各国开始积极寻找能够替代哈龙的新型灭火剂。

在高精尖的冷火灭火剂方面，国外一些企业曾开发出相关的一些成果。美国FireOutEnterprisesCompany公司1984年推出了“Coolingheatedmetalsurfaces”（冷却热的金属表面）技术，提出一种冷却金属表面的灭火方法，通过喷洒无泡沫的液体实现快速冷却。

美国MetroFire&Rescue公司的Berger于1993年开发并提出了“ChemicalFireExtinguishingAndSurfaceCoolingCompositionsAndMethodsOfUsing”（化学灭火方法和表面冷却组分）技术，推出了利用光子吸收达到快速降温的灭火方法。

中国也加入到开发哈龙替代品的队伍中，并做出了重要贡献。冷火灭火剂就是其中的佼佼者和领先产品。这种产品的诞生，来自于军方的推动。军方曾考虑，一旦发生战争，必将引起战火，那么开发具有自主知识产权的、高效而又洁净的灭火剂则成为一个重要课题。与军队科研保持密切联系的哈尔滨工业大学中，有一批专门研究航天运载火箭燃料制作和燃烧工艺的科研人员。对于如何使燃料更加充分地燃烧并释放出更多能量的问题，他们十分精通；对于抑制燃烧这样一个反向的问题，高能燃料的相关知识则为他们提供了反向解决之道。受国防科工委委托，这批人员承担了开发新型高效环保灭火剂的重任，并成功开发出了高标准的技术和产品——冷火灭火剂。该技术因其突破性的基础研究和应用研究成果，而被国家知识产权局授予国家发明专利（专利号：ZL00119181.0）。

该专利综合运用了多种领先科技，并且采用了光化学冷火效应。这种效应，使水这一传统灭火剂焕发了全新的活力。

3．光化学冷火效应

3.1光化学反应

光化学反应（PhotochemicalReaction）是指物质的分子吸收了外来光子的能量后所激发产生的化学反应。其必要条件是物质分子吸收具有足够能量的光子后成为激发态分子。根据爱因斯坦光化学当量定律，每一个光子只能活化一个分子，同一个分子在同一瞬间只能吸收一个光子。分子吸收一个光子后，电子层的电子发生了向高能级位的跃迁，发生电子跃迁的分子就被称为激发态分子，其所吸收的能量等于两定态的能量之差。这种激发态分子的寿命很短，大约是10-10～10-7秒左右。激发态分子将所吸收的能量在这一瞬间内释放，并重新回到基态。

也有一些分子在特定条件下吸收具有足够能量的光子成为寿命较长的、准稳定的激发态分子。例如，视紫红质受光照后发生漂白过程，人体皮肤中的麦角胆固醇在阳光作用下变成维生素D2，以及在叶绿体存在的条件下，阳光照射可使水和二氧化碳合成碳水化合物和氧气。上述发明专利技术在灭火应用中具有一定的化学抑制作用，这种作用一部分就来源于此。

光化学反应示意图如下：

3.2光化学反应在灭火中的应用——光化学冷火效应

实验证明，光子的能量与频率v成正比，即

E=hv （1）

式中，E——能量；

h——普朗克常数，6.625×10-34J·s；

v——频率。

（2）

式中，c——光速；

——波长。

将式（2）代入式（1），得

（3）

由此可见，光能和波长成反比，即，波长越短的光能量越大，波长越大的光能量越小。

从光化学角度讲，当物质燃烧时，能量是通过光能再转化为热能辐射出来的。物质在燃烧过程中，不断地释放出高能光量子。根据上述公式所示的原理，这些光量子波长比较短，位于200~300nm之间，因而蕴含着非常高的能量。

冷火灭火剂含有一种特殊的物质，能够有选择地吸收这一波段的光子，并在10-10～10-7秒内迅速将其转化为波长较长的低能光，大幅降低燃烧区的温度。

4．冷火灭火剂

4.1灭火原理

哈尔滨工业大学研究人员集成了多项顶尖科技，独立自主地开发出消防灭火剂专利技术，其中应用到光化学反应、纳米技术等。在高校科研成果转化中，由厦门一泰消防科技开发有限公司对该专利技术成功地实现了产业化，催生出一种新型的灭火剂——E-500灭火剂。这是一种具备光化学冷火效应，并兼具泡沫覆盖（降温与窒息）、水成膜阻断以及化学抑制功能的冷火灭火剂。

冷火灭火剂具有普通泡沫灭火剂（成膜型）的各种功效。它能够产生大量泡沫，覆盖在燃烧物表面，降低氧气浓度；能够形成一层水膜，阻断燃烧物分子挥发到空气中，避免燃烧物与氧气接触；灭火剂中的一部分成份与燃烧产生的自由基发生反应，形成稳定的物质，同时也有少量的分子吸收光子后发生光化学反应形成准稳定的分子，不再助燃；另外，水本身也具有降温冷却的作用。

但冷火灭火剂绝非普通的泡沫灭火剂。它蕴含光化学冷火效应这一技术内核，具有超强的冷却降温性能，其降温和灭火性能远非普通泡沫灭火剂可比。

冷火灭火剂中存在一种带有光激发官能团的物质，这是一些带有芳基的磷酸酯类和烷基酚乙氧基聚合物等物质。这类物质对波长在200~300nm之间的高能量紫外线具有强烈的吸收作用。吸收光子后，官能团上的电子发生跃迁，成为激发态。电子所吸收的高能量以更长的波长被再辐射，高能于是转化成为低能，同时电子回到基态，释放了能量的电子不会再影响燃烧的链式反应，并且马上进入到下一个“吸收光子——跃迁——释放能量——回到基态”的循环。由于每个循环都是在瞬间完成，因此冷却过程极其迅速。

从宏观上看，上述反应过程所体现出来的是，这些带有光激发官能团的物质极大地增加了水的热容，使水的吸热能力和吸热速度大大提高。可以说，光化学冷火效应的应用，为水这一古老传统的灭火剂赋予了科学的内涵，实现了科学的升华。

4.2工艺改进

哈尔滨工业大学的专利技术不但配方先进，而且在工艺上也有极其长足的改进。磁化、螯合、精加等生产工艺将配方的性能充分发挥出来。其中，最有价值的突破则是纳米技术的应用。

研究人员采用一种特殊的工艺，在生产流程中设置纳米粉碎环节，从而使产品粒子非常细致均匀。这样就使产品具有非常优良的品质。

其一，物理化学性能稳定，产品保存期限极长；

其二，渗透性优异，能够快速渗透到木材、纤维等A类火燃烧物内部，深度灭火并且防止复燃；

其三，产品粒子小，能够使形成的泡沫更加细密稳定；

其四，纳米级的产品粒子具有极高的比表面积，能够更加充分地与燃烧物分子、自由基等接触，更加充分地吸收光子，将产品的性能更加充分地发挥出来。

4.3冷火灭火剂特点

根据权威机构和专家学者鉴定，冷火灭火剂具有非常全面的优点。

（1）高度环保，不破坏环境；

（2）灭火速度极快；

（3）快速冷却，极大地降低燃烧区热辐射，方便就近灭火，灭火后即可触摸，便于采取进一步的救援行动；

（4）显著减轻烃类烟雾的浓度，提高火场透明度，并利于人员呼吸；

（5）有效防止复燃；

（6）渗透性好，能够深度灭火并长效抑制复燃。

（7）显著减少用水量，节约水资源，并降低水对现场物品的破坏；

（8）无毒、无味、无腐蚀性，对人体健康无害；

（9）可彻底生物降解，使用后无需处理废渣、废料；

（10）通用性好，可以高效扑灭A、B、C、D类火。

5．延伸应用——冷处理剂

工厂企业在进行铅压、弯曲、车削、熔制金属等操作时，会产生大量的热，需要进行降温冷却处理。传统上使用较多的冷处理剂就是常见的水，例如炼制的钢具出炉后会通过一条水槽进行降温。一些焊接或电镀工艺也采用细水雾来降温。

光化学冷火效应为这些场合提供了一种效果更明显、降温更快捷的冷处理剂。这可以被认为是冷火灭火剂的延伸应用。仅需要在水中添加少量冷火灭火剂，便可以显著地提升冷却速度。事实上，研究人员已经开始对此进行专项研究，在保持光化学冷火效应的同时，去除不必要的功能，降低制造成本，开发出更加经济、更加高效的冷处理剂产品。

背景资料：厦门一泰消防科技开发有限公司引进哈尔滨工业大学国家发明专利“消防灭火剂”（专利号：ZL00119181.0），开发生产E-500灭火剂。该专利被权威机构评定为“国际先进”水平，于大连中国国际专利技术交易会荣获金奖，2004年被国家科技部认定为“国家级星火计划项目”（批准文号：国科发计字[2004]140号）。公司核心产品E-500灭火剂灭火极其迅速，能够快速降低火场高温，快速减少火场浓烟和有毒气体，并且高度环保，被国家环保总局授予灭火剂行业中唯一一个“中国环境标志”。

公司高度重视研发。除整体引进专利发明团队，成立“一泰消防研究所”外，还积极开展对外技术合作，包括与哈尔滨工业大学、厦门大学建立技术交流与合作关系，与中科院有机化学科研基地、上海市高新技术企业——上海中科合臣股份有限公司建立战略联盟，组建灭火剂联合研究所等。