近年来，随着全球变暖，频发的森林火灾对生物多样性和人类生命造成了严重威胁，且导致了重大经济损失、空气污染、土壤侵蚀和退化等系列问题。传统的森林防火措施，无论是主动还是被动，都存在环境污染、灵活性差以及在偏远地区可用性有限等问题。特别是面对火焰高度大、传播迅速的树冠火时，现有方法多集中于灭火，而鲜少关注对新鲜树木的有效防火保护。因此，设计一种既环保又能显著提升整体森林防灭火性能的新策略，成为亟待解决的重大挑战。这需要综合考虑材料科学、生态影响和实际应用效果，以期实现森林资源的有效保护。
鉴于此，
浙江大学化学工程联合国家重点实验室曹堃教授团队及其合作者
开发了一种新型防火材料
——
基于明胶的防火喷雾（
FRS
），这一设计有望为森林防火提供一种既高效又环保的新方法。值得注意的是该防火喷雾能够在干旱期对树木进行防火保护，有效延缓鲜叶、枯叶的点燃时间，促进火自熄灭，抑制火势的蔓延。一旦火灾警报解除，例如被雨水冲刷后，喷洒的物质可生物降解，在不影响土壤微生物
群功能的前提下，作为叶面和土壤肥料促进植物的生长。
2024
年
12
月
19
日，该论文
以
“Gelatin-based spray for forest fire prevention and fertilization”
为题发表在最新一期
NATURE
旗下的
《
Communications Materials
》上
，第一作者为浙江大学博士生
艾远芳
，通讯作者为浙江大学
曹堃教授
、浙江科技大学
刘赫扬教授
。
在此基础上，该团队正在进行森林防火环保喷剂方面的后续探索，目前已成功实现针对极易燃干松针的离火即可自熄的优异性能（
图
1
），相关研究正在示范应用评价之中。
图
1.
喷火十秒后的
离火
即可
自熄灭的
实验示范视频（
u
npublished
）
作者通过明胶、植酸、聚乙二醇和尿素简单反应得到了喷雾前驱体。喷雾具有非常高的使用安全性，能够形成
高透光率（
89.1%
）和低雾度（
2.8%
）
的
薄膜
。此外，
较低的表面张力和接触角，
赋予了喷雾
在超疏水荷叶上
具有
抗反弹
性能
，因此在树叶上能快速
自动
铺展
并
成膜
。
将该喷雾剂
分别应用在两种含水率不同的桂花鲜叶和两种枯叶（松针和含笑落叶）上，能够有效降低燃烧温度和燃烧区域，通过锥形量热测试（
CCT
）分析了其热释放
过程，结果表明
鲜叶和枯叶的点燃时间
分别
延长了
1.8
倍和
16.3
倍，总热量释放减少了
34%
和
39%
，火势增长指数分别降低了
78%
和
92%
。
为进一步验证其防火保护，
将喷雾喷洒于鲜活的易燃树种柏树上，在大火的持续的燃烧下，能够明显延缓树木的燃烧。
针对
FRS
优异的阻燃性能，作者对其机理进行了深入的研究。
主要原因是明胶膜在燃烧过程中会形成较为致密的炭层，起到物理屏障的作用，达到隔氧隔热的效果
。同时，涂层中的
磷元素在高温下分解成含磷自由基，淬灭反应链，抑制燃烧过程，从而实现快速自熄
及
迅速降
温的效果
。
值得注意的是，
FRS
不仅提供了高效的防火保护，其降解产物还能作为肥料促进植物生长。一旦火灾预警解除（如遇雨），喷洒在
土壤和树叶上的物质就会开始分解，向土壤和植物叶面中释放氮和磷等养分，有助于提高植物的光合作用。结果
表明，小麦幼苗在接受
FRS
处理后，
其净光合速率提高了
63-84%
，植物高度增加了
2.5-3.2
厘米
。
更重要的是，即使在高浓度下，
FRS
也不会影响土壤微生物
群
的功能，
有别于一般的灭火剂，可
确保土壤生态环境的基本稳定。
图
5.
环境友好型阻燃喷雾剂对植物生长和土壤特性的影响
曹堃教授团队提出的基于明胶的膨胀型阻燃喷剂为森林防火带来了新的思路和技术手段。它不仅解决了现有防火措施中存在的诸多问题，而且通过引入生态友好的设计理念，实现了防火与植被养护相结合的目标，尤其为经济型作物的全周期养护提供新方法
。随着后续研究和技术优化，我们有理由相信，这项创新成果将在未来的森林管理和生态保护工作中发挥重要作用，为构建更加安全、绿色的世界贡献一份力量。
该研究是曹堃教授团队继“
可用于木材保护的透明防水无烟膨胀型阻燃涂料
”（
Materials Chemistry and Physics 2023
）、
“
超临界二氧化碳辅助反应挤出发泡聚丙烯无卤膨胀型阻燃轻量化材料
”
（
Journal of Applied Polymer Science 2022
）等
工作之后的又一重要成果，并得到国家自然基金的资助。论文中种植实验和相关测试得到了浙江大学农业试验站的大力支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s43246-024-00712-z
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