王玉忠院士：大火災撲救難，抓預防是關鍵
採寫｜章劍鋒
出品| 本站科技《科學大師》欄目（ID：tech_163）
今年五一假期，全國共發生火災3773起。職能部門的防範工作可謂嚴陣以對，全國各級應急管理部門和消防救援隊伍期間組織了4.5萬個工作組，共出動13萬餘人次，現場檢查服務22.3萬餘家企業和單位，排查整治問題隱患42.5萬餘項。
國內疫情形勢好轉，但隨着復工復產，火災卻可能出現反彈——這是應急管理部消防救援局的公開警告。該局近期在一份通報中提到，隨着復工復產進度加快，經濟社會秩序的逐步恢復，各類滅火救援任務隨之增多，開始逐步接近往年的情況。
就在3月30日，四川省涼山西昌市經久鄉發生森林火災，造成19名地方撲火人員犧牲、3名重傷和部分民房燒燬，這是繼去年同日當地森林火災造成30名撲火人員遇難後的又一重大傷亡，引起輿論聚焦。
“對山火的預防或對山林的阻燃處理是很難做到的，它一旦燒起來，很難自熄”，中國工程院院士、四川大學教授、環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室和新型阻燃防火材料開發與應用國家地方聯合工程研究中心主任王玉忠對本站科技《科學大師》記者說，不僅山火不好撲救，城市火災的撲滅難易也不能一概而論，一則高層建築特別是摩天大樓火災，由於消防工具的侷限性，不好撲救；再則，“從着火到轟燃之前的這個階段是比較容易把火滅掉的。但到了轟燃發生後就不好滅了，只能依靠專業的消防人員通過專用的滅火器材滅火。”
王玉忠告訴記者，根據火災的形成過程，轟燃是火災發展的最盛期，火情此時已由局部演變成大火，室內空氣中充滿的由有機材料熱分解產生的易燃氣體/產物會突然着火，造成火焰迅速擴散，甚至爆燃，產生極大量的熱量和有毒煙氣，室內熱煙氣溫度平均可達600℃。
相關實驗測試也顯示，在一個房間中，從局部着火到全面轟燃，可以在短短兩分多鐘發生。着火一分半鐘，就意味着已錯過最佳滅火時機，靠個人力量無法控制火情。而轟燃發生後，人的逃生機率幾乎爲零（據上海消防博物館、中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室）。
王玉忠是目前中國阻燃材料研究領域唯一的一位院士。從上世紀80年代開始，他就致力於高分子材料的阻燃研究。通俗地講，阻燃技術就是將阻燃劑引入到材料中，能使材料在遇火時，不易被點燃、離火自行熄滅，或可以實現延緩火場轟燃發生的時間，爲人逃離火場避免危險爭取時間。
目前，王玉忠的研究團隊正在從事大飛機、高鐵等重大工程涉及的阻燃技術的研究。
資料顯示，三十多年來，王玉忠院士提出和發展的阻燃新原理、新方法，爲解決阻燃領域的技術難題和瓶頸技術起到重要作用，特別是在解決國內外阻燃界公認的阻燃難題方面取得了國際領先水平的成果。他的團隊所研發的技術，也在不同高分子材料中得到廣泛應用。
本職之外，王玉忠還是應急管理部系統的“消防與應急救援國家工程實驗室”技術委員會副主任、國家重點研發項目“特殊結構建築防火滅火關鍵技術裝備研發與應用示範”項目諮詢專家組組長。他還是國家強制標準《公共場所阻燃製品及組件燃燒性能要求及標識》的起草人之一，這是中國第一個公共場合用阻燃製品國家標準。
2019年，王玉忠團隊受到自然界中的植物葉綠素的代謝和分子結構啓發，設計製備出可在潛在火災的高溫下發生智能變色的分子傳感器，並將其與圖像識別算法相結合，發展了一種防火於未燃的極早期潛在火災和早期火災的探測預警技術，實現潛在火災高溫響應預警和明火報警（據四川大學化學學院官網）。
王玉忠告訴《科學大師》記者，火災安全存在事先預防、預警和事中撲救幾個主要環節，事中撲救，屬於被動滅火，因爲火已經燒起來了，人爲撲救的效果往往不佳，而開發使用先進的阻燃材料和智能的火災預警技術，可以化被動爲主動，防火於未燃或微燃的階段，從根本上有效預防和杜絕火災發生。
2020年1月，王玉忠團隊獲得國家自然科學獎二等獎，至此他在阻燃領域的研究成果獲全了國家科學技術獎勵的三大獎（其他兩大獎：國家技術發明獎和國家科技進步獎），他的每次獲獎平均間隔時間長達十年。
“阻燃的基本原理早就搞明白了，即如何防止和限制燃燒‘三要素’——引火源(熱源)、可燃物和助燃劑(如氧氣)中的至少一個要素髮揮作用，使燃燒無法發生。但阻燃技術實踐起來是很難的。要有科學原理和技術上的突破非常困難，過去從事該領域研究的人比較少。我們在這個領域也只是研究了三十多年，十年磨一劍，有幸取得了一些突破。”
火災防治科研，涉及諸多技術和問題求解項。本次獨家專訪中，王玉忠就向本站科技《科學大師》記者講解了火災防治中的技術發展，及有待突破的瓶頸。
1，火災一旦發生，將不可逆轉
《科學大師》：爲什麼說火災一旦發生就是不可逆的，難以有效被撲滅？
王玉忠：火災的發生，幾乎都是先從引燃有機物開始的。比如，塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、塗料等有機高分子材料在遇到高溫後，會發生熱分解，產生可燃、易燃的氣體燃料。溫度越高，這種熱分解就越多，在有氧氣存在下，當局部環境溫度達到轟燃溫度時，就會發生轟燃。這時候就會在瞬間把一整個屋子都燃燒起來。如果這個屋子與其他房間沒有隔離，火勢會順勢向外擴展。我們看到有些樓宇或商場火災，在很短的時間內甚至殃及到整棟樓，就是這個道理。
火災一旦發生，尤其是發生轟燃後，一般都是不可逆的，如果不外加干預(滅火)，不會自熄，會一直持續到火場的有機物燒完。對於有機高分子材料而言，在有氧燃燒階段，會產生大量的活潑氫氧自由基。這種活潑自由基不斷與其他分子結合生成新的自由基，產生的快速連鎖反應使有機高分子材料的燃燒過程不斷進行下去。
假如我們在體系中引入一種能捕獲這種活潑自由基並抑制這種連鎖反應發生的物質，就可以終止燃燒反應，這體現的是化學層面的阻燃機制，但這種阻燃機制在轟燃之前會發揮作用，而在轟燃之後，也難奏效。
就是說，如果達到轟燃溫度產生了轟燃，即使是在缺氧(低於空氣中氧氣濃度)情況下也可以維持燃燒，這時候的任何一種阻燃機制都無法避免火災的發生，只能藉助滅火劑滅火。
在燃燒的過程中，環境溫度也是在不斷增加。對於發生在高層建築內部的火災，燃燒區鋼材的溫度甚至可以高達700 ~ 800 °C，這樣的溫度雖然並不能熔化鋼鐵，但會大幅度降低其強度，使其承重力降至原來的5 %左右。如果鋼材軟化面積達到樓層面積的2/3以上，那一樓層會不可避免地發生塌陷。“9.11”事件中美國世貿大廈的坍塌就與此有關。
2，阻燃技術的目的是給人員逃生創造時間
《科學大師》：阻燃是什麼概念？不是指在燃燒過程中阻斷甚至消滅火情麼？
王玉忠：阻燃技術不是用在火災發生後的撲救環節，而是用在火災發生前的預防環節，是要從儘可能避免引起火災的源頭做起。“阻燃”是指材料遇火不會立即燃燒，或雖然燃燒，但離火後在較短的時間內能自熄。阻燃程度也有相應的評價劃分：易燃、可燃、緩燃、難燃、不燃等。
消防系統是從工程設計角度來考慮怎麼防範火險，比如高樓層都要有常閉的防火門、消防門等各類消防設施，功能是把火情限制在局部，不使它大面積的蔓延。而我們作爲材料科學家，主要是從材料的角度考慮怎麼樣能使材料不易被點燃，實現阻燃、難燃和不燃的問題，從源頭防止火災的發生。
我們還要考慮怎麼樣降低材料的熱釋放，我們希望當材料一旦被點燃，燃燒環境的溫度發展到轟燃溫度的時間儘可能地長一點和慢一點，使得人員有足夠的時間逃生。
現在公共場所和設施以及很多有火災隱患的特定領域(如大飛機機艙、高鐵車廂等)使用的高分子材料都有阻燃要求。
《科學大師》：目前的阻燃技術是什麼樣的，怎麼樣進行阻燃技術處理和研發？
王玉忠：一種是從塑料、橡膠、纖維紡織品等有機高分子材料的大分子的結構入手，將能起到阻燃作用的化學元素和結構，通過化學方法引入到大分子鏈中，使高分子基體本身具有阻燃性（本徵阻燃）。比如，目前市場上用於紡制阻燃滌綸纖維用的阻燃聚酯，主要採用的是這種阻燃方式。
另一種就是合成一種特定結構的阻燃劑，並添加到材料中。比如我們生產電視機殼，我就通過工藝設計把阻燃劑以不同的方式混入生產電視機殼的聚合物基材中，通過加工成形獲得阻燃製品。這種也比較普遍，容易操作，非常靈活。
第三種是表面阻燃處理。將阻燃劑通過浸漬、塗覆或噴塗方式，以化學和/或物理作用使阻燃劑與基材結合，從而達到阻燃的目的。這是紡織品和木材阻燃最常用的方法。
目前沒有一種“萬能”的阻燃技術對所有有機高分子材料的阻燃都有效。我們必須根據不同的材料及其應用場所，進行鍼對性的阻燃化設計，研究開發出阻燃效率高、對其他性能影響小，以及環境友好的阻燃技術和產品。
3，高火安全性的技術上可以做到，但太貴了
《科學大師》：直接用阻燃材料來裝修屋子、生產傢俱和各種設施，讓人類生活在完全阻燃或不燃的環境中，火根本就燒不起來，從技術上來講，這是不是已經可以實現？
王玉忠：阻燃技術是分不同的標準等級的，有不同的產品和應用標準。比如，建築材料及製品可分爲易燃、可燃、難燃和不燃4個燃燒性能等級。根據不同的建築規範和使用要求，選擇相應等級的材料。
通常情況下，我們說的阻燃不是說絕對不燃，而是要延緩它的燃燒進程（難燃），使它不具破壞性。一種材料，能否被點燃，除了材料本身的特性外，還與點火的溫度和熱輻射強度以及點火時間等有關，“絕對”點不燃的有機材料是不存在的。只有無機材料才能實現 “不燃“，這就是爲什麼目前能達到A級(不燃)建築保溫材料要求的材料只有無機材料，而沒有有機高分子材料的原因。
然而，無機保溫材料的保溫效果遠遠差於有機高分子保溫材料，而且後者比前者輕、力學性能也好。因此，在選擇材料時，既要考慮火安全性需要的阻燃性能，又必須平衡其各種性能。這是我們從事阻燃研究和技術開發的人必須考慮的問題。
使有機高分子材料達到高的難燃級別以實現高的火安全性，在技術上是可以做到的。但在實際應用中，這並非是完全必要的，因爲要同時滿足其他性能要求的這類難燃材料的成本一定非常高，在產品標準沒有那麼高要求的情況下，企業會因爲產品成本的原因不會主動生產這樣的產品，這與我們搞科研一味追求高性能不同，企業比較現實。
僅從火安全角度來講，我們當然希望阻燃產品標準能夠擴大應用，能更普及；比如在當年制訂《公共場所阻燃製品及組件燃燒性能要求及標識》國家標準的討論會上，在討論阻燃產品適用領域時，我們都希望能有更大的範圍和更多的產品品種改用阻燃產品，但問題並沒有那麼簡單，因爲這涉及使用成本和執法成本等各種因素。
是站在企業成本維度，還是站在社會成本維度，這裡面存在一種權衡。你讓企業或使用者在阻燃上投入那麼多，是不是火一定就那麼巧會燒到他那裡去？他們會有這樣的心理。但他們也許應該考慮，一旦火真的找到自己那裡了，那損失如何估量。
有些企業爲了降低成本，儘量不用阻燃材料。2009年央視新大樓的配樓着火，就是因爲燃放煙火引燃了沒有達到阻燃標準的外牆有機高分子泡沫保溫材料。如果當時用的是阻燃材料，火就可能較難以燒起來。現在建築外牆保溫材料聚苯乙烯泡沫，常用的阻燃方法是添加六溴（xiù）環十二烷（wán）阻燃劑，但這類阻燃劑對環境和人體健康造成威脅，在國際上其實早就禁用了，尋求新的阻燃方法成爲行業的當務之急。
4，阻燃強制標準難執行，但不能降低標準
《科學大師》：公安部2006年提出的國家標準《公共場所阻燃製品及組件燃燒性能要求及標識》，您是起草人之一，當時已經發生過克拉瑪依火災、焦作天堂音像俱樂部火災、撫州本色精英酒吧火災等多起惡性火災事故，教訓深刻，14年過去了，這個標準執行得怎麼樣？
王玉忠：這是一個強制性標準（GB20286），我作爲專家組成員之一參與了制訂工作，前期做了大量的調研。這個標準出臺後，不管你是歌舞廳、影院，還是其他公共場所，都要對照這個標準來執行，消防部門要一項一項對照着標準來檢測。達到標準，就驗收通過。如果使用者不執行，或者偷工減料，那是要追責的。
我也聽到一些企業反映，說指標定得太高了，達不到。實際上根據前期調研的結果，已有技術是可以達到的。對於技術達不到標準的企業，那就要進行技術創新，技術標準本來就是要引領技術發展和促進技術進步的；在不顯著提高成本的情況下，這個標準可以引領阻燃技術發展，引領企業提高技術水平。
標準執行起來有一定的難度。有不少企業不是想着如何提高技術水平，反而希望降低標準。我覺得有些指標不是要減少或降低，比如說，阻燃1級的標準，增加了低熱釋放，這是很重要的一個指標；還有燃燒煙氣及其毒性，也都是重要的指標。現在有些公共場合屬於特別封閉的空間，不是露天敞開的，這些指標更有加強的必要。
隨着阻燃技術的發展和不斷提高的社會需求，我認爲標準應該越來越高，我們當時就是因爲看到已經有一些能達到標準的產品，結合實際需求，才確定的指標，不是憑空制定的。
從消防部門公佈的數據來看，這些年爲什麼我們國家發生的重特大火災數量和造成的損失不像過去那樣增長？這跟我們這些年加強了阻燃防火法律法規建設和實施到位，抓得嚴，有很大的關係。法律法規都硬了以後，重特大火災確實減少了，這應歸功於阻燃防火領域相關的強制性國家標準發揮的作用。
5，阻燃技術目前更多應用在特定領域和產品上，應該擴大應用範圍
《科學大師》：現在阻燃技術具體已經應用在哪些方面了？
王玉忠：目前，阻燃材料或技術應用比較廣泛。例如：化學建材、電子電器、交通運輸、航天航空、日用傢俱、室內裝飾等各個領域，都有相應的阻燃標準要求，根據不同的應用場所，需要採用與之相應技術標準的阻燃材料。
同樣一個電視機，公共場所的和我們家裡的阻燃要求是不一樣的。公共場所人流大，安全隱患高，阻燃要求更高。同樣是汽車，公共汽車和私家車又不一樣，它必須要達到一個相應的阻燃標準或質量要求。
阻燃技術是有應用前景的一項技術。我們考慮到未來是新能源時代，像我們汽車上用到的鋰電池，有時容易發生爆炸。從研發上，就更要考慮增加它的阻燃性能，將來對新能源汽車的阻燃要求，應該比普通汽車要求更高。
還有文物設施的阻燃。我們團隊今年承擔了一個國家自然科學基金項目，就是文物的阻燃防護。我們知道，很多文物是不能用阻燃劑的，採用的辦法就是傳統的嚴禁煙火。爲什麼不能用阻燃劑防火，因爲阻燃劑也是化學物質，噴塗到文物上，有可能對文物原貌造成破壞。文物採用阻燃技術的要求更高，除了不能破壞原貌，還要考慮阻燃劑的耐老化問題，過上幾年或者更長時間，阻燃塗層如果老化變色，就會破壞文物原貌，這勢必也會造成文物破壞。所以，文物保護對阻燃劑的要求相當苛刻，這就需要深入進行科學研究，取得技術上的突破。
6，智能撲火重點應該把好源頭預警關
《科學大師》：現在是一個科技時代，在火災的撲救上面，也興起智能撲救的提法，您怎麼看這個問題？智能化怎麼樣能更好應用到火災安全技術研發中？
王玉忠：我要說明的是，我是阻燃專家，不是滅火專家。據我瞭解，智能化技術在火災安全中有應用，比如在撲滅山火的時候，消防部門就會運用到無人機。但山火真正燒起來以後，並不好撲滅。因爲這種火災是完全敞開的燃燒，不受任何限制，風向的不確定使得火焰蔓延方向難以掌握，加上很多森林火災發生地往往人跡罕至，山林地勢條件複雜，缺少交通道路，滅火人員很難快速抵達火災現場，重型滅火機械設備更無法運輸，這些不利因素的疊加極大地增加了滅火的難度。
通常來講，對森林火災的撲救，沒有太多辦法，主要是人工開闢隔離帶，在火場與未着火的地帶之間挖出幾十米寬的一條隔離帶（溝），讓火勢燒不過去，阻止進一步的大範圍蔓延，這跟防火門是一個道理。而靠這一類人工的傳統撲救辦法，效率也是非常低的。
但不好滅是一回事，我們不能不積極撲火，對國外那種放任火災不去撲救的主張我持反對態度。因爲森林不會因爲過火之後就產生”羣體免疫”，不會被燒過一次就能夠自然具有阻燃性了。國外的主張讓人費解。你消極放任它燒，就算以後這個地方你不在那周圍居住，你還要考慮森林大火對地球生態環境的惡劣影響。
對於城市樓房的火災，尤其是高層建築火災，撲滅難度也很高。一旦達到了轟燃階段，智能撲火能發揮的作用就非常有限。所以還是要重點強調對火災的前期預警，一定要早發現、早撲救，這是智能撲火最能發揮作用的階段。
《科學大師》：早期火災預警，從您的研究來看，可以怎麼做？
王玉忠：火災的發生基本上是隨機的，沒有太多科學規律可循，但不是不可以防範。我們團隊也承擔了相應的國家研究課題，針對早期的火情，能夠實現儘早的探測和預警。
當我們的專用傳感器探測到溫度已經達到自燃值時，已經很危險了，甚至明火已經出現了，我們就可以發出預警或報警信號，進行早期撲救滅火。
很多公共場所包括我們的實驗室，現在安裝的感溫和感煙預警技術，主要是通過熱量輻射或煙霧顆粒到達傳感器來觸發警報，它的侷限是容易受到使用環境影響，產生誤報和延遲預警。而像圖像型（視頻型）探測技術受限於檢測信號，僅能檢測明火或煙霧，必須在火災發生後才能進行預警，雖然探測準確度高，但還是沒法做到防火於未燃。
從這種工程設計方面，我們就應該考慮怎麼樣在火還沒產生或剛產生微弱明火時，預警系統就能啓動，及時把隱患消除，不讓火燒起來。把這種智能化技術應用到源頭防範，會更爲有效率，它是主動防火，和那種起火後的被動撲救是不一樣的。
7，阻燃研究中還有難啃的“骨頭”
《科學大師》：多年科研實踐下來，您認爲阻燃科研最大的挑戰或者說有待攻克的問題是什麼？
王玉忠：爲了防止和限制材料燃燒“三要素”（至少其中的一個）發揮作用，避免燃燒發生，可以通過氣相和/或凝聚相的阻燃機制實現。例如，一些小分子含溴（xiù）阻燃劑是一類非常有效的氣相阻燃劑，在不同類高分子材料的阻燃中取得了非常好的阻燃效果，因此得到了廣泛的應用。然而，其中有一些常用的高效小分子含滷阻燃劑不僅存在生態積累和環境污染問題，而且燃燒過程中煙氣釋放量大，往往會加劇產生有毒物質，已被歐盟等很多國家禁止使用。研發出阻燃效率能與這些阻燃劑媲美的替代品，本身就是一種挑戰。
去年我去美國參加一個學術會議，看到他們有幾個州聲稱不用阻燃劑了，主要是因爲消防員認爲含有阻燃劑的產品燃燒起來毒性更大，影響他們的健康。實際的調查發現，火災發生後死亡的人員當中，因吸入有害物質窒息死亡佔絕大多數。
因此，阻燃技術的發展面臨的最大挑戰是，如何既要提高阻燃性能和效率，同時又不破壞材料的其他應有性能，還要實現阻燃劑本身的環境友好及其阻燃產品的低煙、低毒。當然，實現這一切而增加的成本還需要能被使用者接受。
幾十年來我們的核心工作就是在做這件事，探索新的阻燃原理和方法。比如，我們提出的“無傳統阻燃元素”阻燃的新理念(去年獲得國家自然科學獎二等獎的其中一個發現點)，就是希望解決阻燃不加“阻燃劑”的需求問題。從科學層面，現在已經是找到一些解決辦法，有些科學問題的解決已導致關鍵技術的突破，進而實現了應用。當然，還有很多科學問題和關鍵技術需要繼續攻克解決。像材料的高阻燃性和必要的物理機械性能與低熱釋放、低煙低毒的協調機制，以及實現各種性能平衡的技術突破等。
8，火災面前公衆須謹記：逃生很重要
《科學大師》：一般公衆在面對火災時，可以怎麼做，要具備一些什麼常識？
王玉忠：安全防護意識，有些國家做得比我們好，他們從幼兒園和小學就有這方面的教育，我們國家的學校和單位，雖然也會定期請消防員做知識講解，但大多數公衆沒有機會了解，平時也不關注這個。
一旦火災發生以後，應該怎麼辦？我認爲做到這一點很重要：先報警再救火，能救就救，救不了，趕緊離開火場，逃生很重要。逃離現場應該怎麼做？火災過程中會釋放有害物質，吸入過多的毒氣(如有機物不完全燃燒產生的一氧化碳)，人腿會軟，跑不動，意識也會模糊。因火場中有害物質大多數會積聚在上部空間，所以逃生的時候，最好用溼毛巾捂着口鼻，趴在地上行進。
現在網絡發達，這些基本的消防知識都能公開查到，公衆可以通過網絡渠道主動關注和學習，這個很重要。
在公共場所遇到火災，快速的有序撤離非常重要。當年新疆克拉瑪依友誼賓館特大火災的教訓慘痛。如果當時會場的各個出口的安全門都敞開，並且能儘快地組織有序撤離，我認爲就不至於死那麼多人，我們在災難面前欠缺常識。
現在大多數建築的樓道中都會有滅火器。一般的家庭，我建議也可以根據實際情況備些滅火器，我自己車上就有。日常生活中就要有防患於未然的意識。
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