[一日一data]　守護環境的防火屏障：可生物降解的水增強凝膠技術 !

一、 前言

近來亞洲水患不斷，其主要原因都離不開又急又大的暴雨所致，而這樣的暴雨也不禁讓人們意識到這便是溫室效應所帶來的極端氣候。

極端氣候不僅限於豪大雨，長時間的乾旱、短時間內的溫度驟降、陡升等等，這變化莫測的天氣便是極端氣候的可怕。

今天要談的便是乾旱與高溫所造成的夏季野火有關，近十年來，野火越發頻繁，最驚心動魄的莫過於袋鼠島被野火吞噬的一幕幕令人心碎的畫面。

野火除了對大自然有所破壞外，對於建築物的影響也是巨大的威脅，有多少人因為野火而流離失所，痛失親人，盡管這些故事對台灣而言是少見的，但對於大陸型國家而言，這是件不得不認真對待的嚴肅問題。

森林大火被歸類為 A 類火災，除了常見用水滅火外，也常使用 A 類泡沫，透過冷卻和滲透的滅火方法，主要依賴於泡沫中的水分來冷卻火焰和濕潤可燃物，幫助控制和撲滅固體材料的火災

然而 A 類泡沫卻存在三大問題：

1. 持續時間 - A類泡沫的效果取決於水分的存在，一旦水分蒸發，泡沫會失去其保護能力。這意味著，在乾燥、炎熱的環境下，A類泡沫的防火效果只能維持較短時間，通常是15到30分鐘，這使得A類泡沫在長時間的火災中效果有限，需要不斷重新應用，特別是當火勢延續時間較長時。

2. 環保性 - 雖然相比其他泡沫劑，它對環境的影響較小，但某些商業產品可能含有化學添加劑，如潤濕劑和穩定劑，這些化學品可能對水源和土壤造成影響。如果大量使用A類泡沫且進入水源，可能會對水生生物構成威脅。

3. 耐高溫能力 - A類泡沫主要依靠水分來冷卻火焰，不能在高溫條件下長時間提供防護。一旦火勢蔓延或火焰溫度過高，泡沫蒸發後無法繼續發揮作用。

如今這三大問題，斯坦福大學的研究團隊已提出了一個令人振奮的解方，雖然我不知道正式的中文名稱該如何稱呼，但直翻的意思應該是「水增強凝膠(Water-Enhancing Gel)」，其優點便是改善上述 A 類泡沫所存在的缺陷：

1. 持續時間 - 水增強凝膠的保護效果更持久，即使水分蒸發，它仍能轉變為具有高孔隙率的矽氣凝膠，形成持久的防火隔熱層，能夠提供長時間的防火保護，即使在火焰高溫環境中也能保持其效果。這使其在長時間的野火中具有顯著優勢。

2. 環保性 - 該技術強調使用環保材料，如纖維素和膠態二氧化矽，這些材料是可生物降解的，不會對環境產生長期的污染。它的環保性明顯優於傳統的滅火泡沫，更適合在需要長期保護且關注環境影響的地區使用。

3. 耐高溫能力 - 在高溫下，水增強凝膠能轉變為矽氣凝膠，這種材料具有極低的熱導率，能形成一個耐高溫的隔熱層，阻止火焰的蔓延，即使水分蒸發後依然能提供長期的防火保護。

雖說 A 類泡沫主要用途在於滅火，而水增強凝膠的目的主要在於防火，兩者的應用情境有著明確的差異，因此也無法說水增強凝膠完全的取代了 A 類泡沫，但至少為對應 A 類火災增加了一種更環保且便宜的選擇。

二、 水增強凝膠的成分

首先，我們先來了解一下，水增強凝膠的成分，在此研究團隊分別給出了兩組對照：

1. HEC+MC/CSP Hydrogel：羥乙基纖維素（HEC）與甲基纖維素（MC）為基礎的水增強凝膠，與膠態二氧化矽顆粒（CSP）。

　羥乙基纖維素（HEC）特性：是一種廣泛使用的水溶性纖維素衍生物，其主要功能是增稠、保水和形成凝膠，並具有良好的生物相容性和化學穩定性。在水增強凝膠技術中，HEC起到了關鍵作用，幫助形成穩定的凝膠，並在高溫下提供防火隔熱功能。

　甲基纖維素（MC）特性：是一種由天然纖維素改性的水溶性聚合物，具有優秀的增稠性、保水性和穩定性，並且是無毒的生物相容性材料，其中最具特色的莫過於加熱時會凝膠化，形成較堅固的凝膠，這一點對於在水增強凝膠技術中，強化了其結構性，在高溫下提供防火保護。

　膠態二氧化矽顆粒（CSP）特性：是由納米級二氧化矽顆粒分散在液體中形成的膠態溶液，具有良好的穩定性、高熱穩定性和增強作用。在水增強凝膠中，CSP 提供了關鍵的防火隔熱功能，並在高溫下形成矽氣凝膠，這對於防止火災蔓延和保護建築材料具有重要作用。

　值得一提的是，HEC 和 MC 的基礎原料都是天然纖維素，這些纖維素大多數來自木材或棉花等植物來源。

　HEC 通過羥乙基化改性而製成，而MC 則通過甲基化改性來實現其特有性能。兩者的差異主要來自於化學改性的方式和所添加的化學基團（羥乙基 vs 甲氧基），這使它們在應用上有不同的性能和用途。

2. MHEC/CSP Hydrogel：甲基-2-羥乙基纖維素（MHEC）　與膠態二氧化矽顆粒（CSP）混合的水增強凝膠。

　甲基-2-羥乙基纖維素（MHEC）特性：是纖維素的衍生物，經過甲基化和羥乙基化的化學處理製成。MHEC 結合了甲基纖維素（MC）和羥乙基纖維素（HEC）的特性，具有優異的增稠、保水和穩定性能，並且在冷水中可溶，能形成穩定的膠狀溶液。由此可知它的保水性能和穩定性使其在高溫下提供長效防火保護，並且在水分蒸發後，該凝膠仍能轉變為矽氣凝膠，提供持久的隔熱層。

三、 水增強凝膠的運作原理

介紹完兩組對照組的成分特性後，接下來便來簡單的解釋一下該技術的原理，首先，我們要先預設一個情境，當野火即將侵襲我們眼前的建築物時，此時我們便要將水增強凝膠噴灑至建築物表層，接下來便是水增強凝膠發揮的時候了：

第一階段 - 野火逼近：初期的保水降溫階段

在火災初期，水增強凝膠中的纖維素衍生物（如羥乙基纖維素或甲基纖維素）具有優秀的保水性和增稠性，能夠吸收和保留大量水分。當火焰靠近時，這些水分會被釋放出來，通過水分蒸發來吸收火焰的熱量，蒸發水分的過程有效降低環境溫度，並且水分滲透到周圍的可燃材料中，使其濕潤，從而降低了這些材料的易燃性。這樣，水增強凝膠在早期能起到很好的降溫和延緩火勢蔓延的作用。

第二階段 - 熊熊烈火：高溫形成隔熱層

當火焰溫度進一步升高並且水分逐漸蒸發後，水增強凝膠中的膠態二氧化矽顆粒（CSP）會發揮關鍵作用。在高溫下，這些顆粒會發生化學和物理變化，形成矽氣凝膠。矽氣凝膠是一種高度多孔的材料，具有極低的熱導率。

矽氣凝膠在材料表面形成持久的隔熱層，能有效阻止火焰和熱量向下傳遞，保護建築材料或其他基材免受高溫的破壞。即使水分完全蒸發，矽氣凝膠的存在仍然能提供長時間的耐高溫保護，防止火災蔓延。

第三階段 - 野火退散：環保可降解性

與傳統的滅火泡沫（通常含有化學添加劑和合成物質）不同，水增強凝膠在使用後不會對土壤、水源和空氣造成長期污染。它可以在自然環境中逐漸分解，對水生生物和土壤的影響較小，這使其在自然生態中的防火應用中非常適合。

四、 成本考量

既然研究團隊會列出對照組，顯然就是其中一組要馬是有著更優異的表現，又或者是有著更便宜的成本，而在本次的比較當中結果如下：

1. HEC+MC/CSP Hydrogel：

　強大的增稠和保水效果、高溫下結構更穩固、適用於長期穩定性要求高的應用，但卻可能出現材料硬化問題，這將使水增強凝膠失去原本的彈性，從而影響其長期防火效果。

　由於這種材料需要兩種纖維素（HEC 和 MC）來形成凝膠結構，製作稍微複雜一些，且MC比MHEC更昂貴，也容易受污染，因此其環保性較差與成本較高。

2. MHEC/CSP Hydrogel：

　雖然結構強度不如前一組強大，但其較不容易出現材料硬化問題，且材料單一，製作簡單，因此較不易受到汙染，而成本較MC更低，商用化的可能性更高。

五、 心得

如前言所述，雖然這樣的技術對於台灣人而言並不那麼實用，但這樣的技術也帶給了我們新的觀點。

既然水增強凝膠有著如此強大的隔熱效果，且成本低廉，未來是否可以應用於建築物的防火塗層？又是否能應用於儲能設備防火隔熱材料？又是否能透過其矽氣凝膠的特性，於外牆為我們帶來抗紫外線，或對抗逐漸惡化的氣候問題呢？

此次水增強凝膠的技術，為我們帶來了看似完美的防火環保材料，但我們應該更進一步的思考，雖然纖維素來自可再生植物，但大規模生產這些材料時，是否會涉及一些化學處理？而這些處理是否又會造成環境汙染？除此之外，盡管 MHEC/CSP Hydrogel 製作方式較為簡單，但其生產過程的能耗比如何？這仍是我們必須關注的。

很多時候，我們都會被一些新技術所帶來的強大能力所吸引，但我們往往卻忽略了擁有它所必須付出的代價。

但科技的進步總是如此，我們會透過工藝的優化，逐漸的使其更加環保，且成本更加低廉，而這也是我最佩服人類的地方，也是工業的浪漫所在。

不論如何，水增強凝膠的出現，為世界各地因野火所惱的人們提供了一個新的解方，它不僅有著優異的防火效果，且自帶生物降解的特性，近乎零污染，對於自然生態而言是更加友善的選擇。

好久沒讀這樣的研究文章，看得滿吃力的，不知道有沒有錯漏的地方?請各位大大指點。

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