全國消防日 | 為什麼有的材料能防火?

2021-01-20 科學媒介中心


（圖源：livescience.com）


今天是全國消防日（11月9日），今年的活動主題是：關注消防，生命至上。消防安全非常重要，歷史上多起重大火災引起的人員傷亡就是由於消防不當造成的。1903年12月30日，舞檯燈光發出的火花導致美國芝加哥的易洛魁劇院（Iroquois Theatre）發生巨大火災。由於出口太少，劇院內許多觀眾無法逃生，這場災難造成600多人死亡。1977年2月18日，我國伊犁農墾局61團場禮堂突發大火，在不到半個小時的時間裡，694條生命被火魔吞噬，161人在大火中受傷致殘。
隨著材料科學的進展，低燃點、耐火性建築和裝飾材料，在一定程度上降低了大型火災安全事故的發生風險。那麼，是什麼使得這些材料具有防火性呢？廣告裡說的「鑽石恆久遠」是真的嗎？和煤炭一樣，鑽石的組成元素也是碳。與煤炭相比，鑽石燃燒並持續燃燒需要更多的時間。但只要創造合適的條件，施加適當的熱量並給予足夠的氧氣，堅固的鑽石與氧氣發生反應，是可以燃燒的。

鑽石的結構（圖源：wtamu.edu）

西德州農工大學的物理學家克里斯多福·貝爾德（Christopher Baird）表示，在室溫環境下，鑽石會在約900℃的溫度下燃燒起來。相比之下，高揮發性的煤炭（即含有大量易揮發氣體的煤炭）會在溫度約667℃時燃燒，而木材會在300℃或更低溫度下燃燒。

（圖源：livescience.com）

鑽石被加熱時，首先會發出紅光，接著變成白光。高溫會使鑽石表面與空氣發生反應，從而將碳轉化為無色、無臭、無味的一氧化碳（CO）。貝爾德表示，「碳和氧氣發生化學反應產生一氧化碳的過程中會釋放熱量，一氧化碳與氧氣繼續反應會釋放更多的熱量，熱量增加會導致產生更多的一氧化碳，從而結合更多的氧氣。」

鑽石的燃燒過程（來源：m.youtube.com）

然而，這樣的燃燒只是產生微弱的火光而已。要想讓鑽石的表面產生火焰，則需要濃度為100%的氧氣，而不是氧氣含量僅為22%的室內空氣。氧氣濃度越高，化學反應才能不斷延續下去。鑽石燃燒生成的一氧化碳與氧氣結合後，鑽石的表面就會產生舞動的火苗了。

鑽石在純氧中燃燒（來源：m.youtube.com）

其實「防火」這個詞不太恰當，只要有足夠的熱量，幾乎所有含碳的材料都能燃燒，「耐火」和「阻燃」才是更準確的術語。如果正確使用這兩種防火措施，就可以中斷燃燒過程。耐火材料是指不易燃燒的材料，例如用於廚房臺面的人造石材就屬於耐火材料。許多塑膠的檯面上充滿了由水合氧化鋁製成的細磨石，而水合氧化鋁是一種不會燃燒的化合物。

水合氧化鋁結構（圖源：Wikipedia）

印第安納大學伯明頓分校的化學系副教授比爾·卡羅爾（Bill Carroll）解釋說，氧化鋁受熱後會釋放出結晶水，同時吸收熱量，降低燃燒的溫度。塑膠臺面本質是石頭，但從微觀上看其實是潮溼的，因此會更加耐火。耐火材料使得火災難以開始也難以繼續，而被稱為阻燃劑的化學物質只能減緩或撲滅已經燃燒起來的火。它是怎麼阻燃的呢？我們需要先了解一下滅火的原理。火就像是有三個頭的怪獸，只要斬斷其中一個，就能有效地殺死它。這三個頭分別是熱量、燃料和氧氣，不過有時也需要考慮第四個頭——鏈反應。在有氧氣的情況下，將熱量施加到燃料上就會引發火災。火災一旦發生，它將自動燃燒完所有可用的燃料，這種自動且永久的傳播反應稱為鏈反應。

（圖源：scienceabc.com）

為了解釋燃燒的特性，相關研究人員製作了燃燒四面體，燃燒四面體的每一面都代表燃燒所必需的一個元素。除了花崗巖和石棉是真正的防火材料之外，其他大多數材料只能通過消除燃燒四面體的一個面或多個面來降低可燃性。

燃燒四面體（圖源：livescience.com）

阻燃劑起作用的一種方法是形成泡沫狀炭層（char foam）的物質，當一片麵包被烤焦時，外部會形成焦炭，從而將內部未受損的麵包隔離開來。與之類似，用這種阻燃劑處理過的物體起火後，阻燃劑內部發生的化學反應會產生氣泡，形成多孔泡沫狀炭層。這種炭層不易燃燒，並且可以將燃料與氧氣和熱量隔離開，從而達到阻燃的目的。市面上有許多類型的阻燃劑，例如鋁鎂系阻燃劑、磷系阻燃劑、氮系阻燃劑等。無論是耐火材料還是阻燃劑，它們的阻燃效果都很不錯。不過我們最應該做的是注意用火安全，在易燃物旁不要使用明火。


參考文獻：

https://www.livescience.com/can-diamonds-burn.html

https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/03/27/can-you-light-diamond-on-fire/

https://www.livescience.com/how-fireproofing-works.html

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