燃烧是我们获得热能的途径,还是我们从某些自然物质制造新物质的手段。在特定场合下,我们还可以利用燃烧,清除我们不需要的可能危害环境、对人类生活产生不好影响的物质,如无法回收利用的能滋生细菌、腐烂发出有害气体的垃圾、动植物尸体。但是,一场火灾可以夺去我们的财产甚至生命,防火和灭火是人人不可忽视的极其重要的安全问题。控制燃烧,引发我们需要的燃烧,防止、扑灭我们不需要的燃烧,是学习、研究燃烧现象的重要课题。
1.4.1 可燃物在空气中燃烧的条件
要控制燃烧,首先要了解燃烧发生的条件。依据我们的生活经验,在空气中可以燃烧的物质要引发燃烧,要用火种引燃,也就是要点火。若没有火种,可以加热可燃物,让它的温度升高,当可燃物达到一定的温度时,就会燃烧。
远古时代的人就知道钻木取火(图1-16),用摩擦发热的方法,可以使木头发火燃烧。在我们的生活中,如果电线短路,发热会引燃它周围的可燃物质,引发火灾。在干燥的季节里,森林中的枯枝烂叶,腐烂发热会引发森林火灾。不同的可燃物达到燃烧所需要的最低温度不同。酒精、汽油、煤气、石油液化气,引燃需要的温度低,木头、煤炭引燃需要的温度高。在同样的温度下,一些物质能发火燃烧,一些却不会,可以安然无恙。某种可燃物达到燃烧所需要的最低温度,称为该物质的着火点。在空气或氧气中点燃可燃物,就是让可燃物受热,当可燃物的温度达到它的着火点时,就发生燃烧。
图1-16 钻木取火
不同的可燃物着火点高低不同,要用不同的方式点火,能使它们的温度尽快升高到着火点以上,引发燃烧。你知道图1-17中的几种可燃物(火柴、蜡烛、木材、蜂窝煤),可以用什么方式点燃吗?这些不同的点火方式,供给的热量多少有什么差别?
图1-17 几种可燃物
在空气或氧气中的可燃物受热,温度上升,达到它的着火点,即使没有点火,也会自己发火燃烧,发生自燃。知道了燃烧发生的条件和燃烧的原理,我们可以解释许多有关燃烧的问题。你看过“烧不坏的手帕”的表演吗?这个魔术的奥秘在哪里呢?
魔术师将一块棉布手帕浸入酒精溶液中,浸透后取出,轻轻拧干,用坩埚钳夹持,在酒精灯上点燃,手帕着火了,魔术师轻轻抖动手帕,火焰似乎要把手帕烧成灰烬(图1-18)。可是一会儿,火焰熄灭了,原来浸透酒精的手帕完好无损。酒精燃烧不仅发光还发热,产生的熊熊火焰为什么不能引燃手帕?
图1-18 烧不坏的手帕
原来魔术师使用的酒精是用2体积95%的酒精和1体积水混合配成的。这种含水的酒精仍然可以燃烧,酒精燃烧放出的热被水吸收,水蒸发成水蒸气。酒精容易发火燃烧,用棉纱织成的手帕,引发燃烧需要的温度高于酒精,混在酒精中的水吸收了热量化成水蒸气,把热量消耗了,避免手帕被加热到着火点,所以手帕烧不起来。当酒精耗尽了,火熄灭了,手帕也恰好变干了。表演时,时时抖动“烧着”的手帕,使手帕上各处的酒精都能完全燃烧,燃烧产生的热量能更好地散发到周围空间,避免手帕各处受热不均匀,保证了整条手帕的完好。
可燃物在空气中燃烧,除了本身要能燃烧之外,供给充足的空气、让可燃物的温度达到着火点,是必要的。一旦物质温度达到着火点以上,可燃物就发火燃烧,燃烧发出的热量,足够使它的温度保持在着火点以上,又有足够的空气,燃烧就会继续下去,直到燃烧物耗尽。用水灭火,就是利用浇到火场上的水,被加热蒸发,带走了部分热量,降低了燃烧物的温度,当温度降到着火点以下,火就被扑灭了。火烧得越大,产生的热量越多,要消耗热量把可燃物的温度降低到着火点以下,需要的水就越多。因此,发生大的火灾,必须使用高压水管,尽快喷洒出尽可能多的水,才能扑灭。人们从火场逃生,用浸透水的衣服裹住身体,可以防止被烧伤。
想要充分利用燃料燃烧放出的热量,就要防止燃料燃烧发出的热量被无端地散失、消耗,要控制燃烧条件,节约燃料。例如通入煤气灶的空气如果太多,会带走部分热量。
1.4.2 阻燃材料的使用
燃烧引起的火灾,造成人民生命和财产的巨大损失。一旦发生火灾,要从以下三个方面着手进行扑救:把可燃物从火场移开;迅速降低火场、燃烧物的温度;把可燃物和支持燃烧的空气隔离。例如,用水或高压水龙头向火场喷水,可以降低温度,生成的水蒸气可以隔绝燃烧物和空气;使用各种类型的灭火器,喷射出的二氧化碳气体或含大量二氧化碳气体的泡沫、不可燃的干粉,都具有灭火的作用。
灭火不如防火。森林火灾、城市中的火灾,尤其是高层建筑的火灾,扑灭难度大,造成的灾难更大,防止、杜绝火灾的发生、蔓延十分重要。2017年6月14日凌晨英国首都伦敦西部一栋24层的公寓楼突发大火(图1-19),火势从二楼一直烧到楼顶,整座大楼沦为废墟。这座公寓楼共有120套住房,大约400~600名住户。大火连续焚烧了十几个小时,导致多人遇难、受伤。据报道,大楼外墙包层使用3层材料,上下是铝层,中间包着塑料,是易燃材料,楼内的消防设备陈旧,年检没有做好。事故发生引起了英国社会上下对高层建筑材料的反思和讨论,英国政府对大楼外墙材料及其他类似公寓楼的外墙材料是否易燃做了检查,发现不少大楼的外墙也使用了易燃材料,存在隐患,着手整改,确保移除所有危险的外墙材料。
图1-19 高层建筑火灾
通常情况下,可燃物在受热温度升高到一定数值,达到该物质的着火点时,在空气中就会引发燃烧。因此,避免高层建筑外墙材料和内装修材料使用易燃物,运用不能燃烧的材料或阻燃材料是非常重要的。
阻燃材料和不能燃烧的材料(防火材料)不同。石棉、玻璃纤维是防火材料。而阻燃材料被明火点着发生燃烧,但是能减缓燃烧速度,在离开明火后会很快自动熄灭。阻燃材料有两种类型,一类是将有阻燃功能的阻燃剂通过各种工艺加入到材料中,使材料本身具有阻燃性;另一类是将阻燃剂涂布在材料表面或渗入分散到材料内部。随着科学的发展,目前已出现以纳米材料和纳米技术对材料进行改性处理的方法。
据研究,公元前83年,古希腊人就已经使用铁、铝的硫酸盐溶液处理木材,建筑碉堡。19世纪20年代,欧洲人已使用磷酸铵、氯化铵、硼砂的混合溶液浸泡布料,达到阻燃的目的。
现代使用的阻燃剂有无机阻燃剂、有机阻燃剂、有机和无机混合阻燃剂,如氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸一铵、磷酸二铵、氯化铵、硼酸等。这些无机阻燃剂具有无毒、无害、无烟、无卤的优点,广泛应用于各类领域。无机化合物中的含卤族元素化合物也是一类阻燃剂。但是卤素阻燃剂在燃烧时生成大量的烟和有毒且具腐蚀性的气体,可导致电路系统开关和其他金属物件的腐蚀及对人体呼吸道和其他器官造成危害。现在人们正在研究采用聚合物或大分子材料制造的阻燃剂,它是一种低毒、不造成环境危害的绿色化阻燃剂。
阻燃剂通过吸热作用、覆盖作用、抑制链反应、不燃气体的窒息作用等达到阻燃目的。有的阻燃剂能在较短的时间吸收火源所放出的一部分热量,降低可燃物表面的温度,有效地抑制可燃性气体的生成,阻止燃烧的蔓延。有的阻燃剂在高温下能形成玻璃状或稳定泡沫覆盖层,隔绝氧气,具有隔热、隔氧、阻止可燃气体向外逸出的作用,从而达到阻燃目的。燃烧过程中有一种化学反应性能很强的微粒(自由基)生成,使燃烧更为剧烈。有的阻燃剂(如含卤素化合物的阻燃剂)能在燃烧气体中捕捉燃烧中产生的自由基,使燃烧区的火焰密度下降,燃烧反应速度下降直至终止。有的阻燃剂受热时分解出不可燃气体,可以将可燃物分解出来的可燃气体的浓度冲淡,氧气浓度稀释,达到阻燃的目的。例如,氯化铵等化合物,在高温下会大量吸收热量并分解,降低温度,生成的分解产物(氨气等)不可燃,会覆盖在燃烧物表面隔离可燃物和空气,阻止燃烧。
阻燃服就是用阻燃材料制成的。它能起到隔热、反射、吸收、隔离等屏蔽作用,使穿着者免受明火或热源的伤害。阻燃服面料中阻燃纤维使纤维的燃烧速度大大减慢,在火源移开后马上自行熄灭,燃烧部分虽然会炭化但不产生熔融、滴落或穿洞,使人有时间撤离燃烧现场,减少或避免烧伤烫伤。