Naukowcy opracowali żel do zabezpieczania budynków przed ogniem

Ekstremalne temperatury, susze i silne wiatry – takie zjawiska nasilają się w wyniku zmian klimatycznych. A wraz z nimi coraz częściej pojawiają się katastrofalne pożary lasów – takie jak te na Hawajach (USA) w 2023 r. albo w Australii na przełomie lat 2019 i 2020. W żywiole giną ludzie i zwierzęta, płoną też budynki oraz infrastruktura krytyczna – urządzenia i instalacje niezbędne dla funkcjonowania siedzib ludzkich i całych państw. Stąd potrzeba nie tylko zapobiegania pożarom, ale też chronienia obiektów, które znajdują się na objętych przez ogień obszarach.

Nad takim rozwiązaniem pracowali m.in. naukowcy z Uniwersytetu Stanforda (USA), a wyniki ich badań ukazały się w magazynie „Advanced Materials” (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407375 ).

Stosowane do ochrony przeciwpożarowej żele są wykonane z superhigroskopijnych polimerów, które działają podobnie do chłonącego wilgoć proszku stosowanego w pieluchach jednorazowych. Taki środek po zmieszaniu z wodą i rozpylona na budynku pęcznieje i zmienia się w galaretowatą substancję. Kiedy preparat przywiera do ścian i dachu, tworzy wilgotną zaporę dla ognia. Jednak temperatury w strefie spalania są zwykle tak wysokie, że zawarta w ochronnym żelu woda szybko odparowuje.

„Obecnie stosowane środki do ochrony przed ogniem wystarczają na ok. 45 minut, potem woda z nich odparowuje. My opracowaliśmy skuteczniejszy żel, który można rozpylać z wyprzedzeniem przed pożarem i będzie działał dłużej” – powiedział dr Eric Appel z Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii na Uniwersytecie Stanforda, współautor badania.

W substancji zaprojektowanej przez zespół dr. Appela zaporę dla ognia stanowi nie tylko woda uwięziona w cząsteczkach celulozowych polimerów. Żel zawiera również cząsteczki krzemionki, które spełniają dodatkową rolę ochronną.

„Odkryliśmy unikalne zjawisko, w którym miękki, gąbczasty hydrożel pod wpływem wysokiej temperatury przechodzi w formę stałą. Stanowi wtedy ulepszoną i długotrwałą ochronę przed pożarami” – tłumaczyła główna autorka badania, ekspertka w dziedzinie elektrochemii i materiałoznawstwa Changxin Lyla Dong.

Dr Appel dodał, że gdy woda wyparowuje, a celuloza z biopolimeru całkowicie się spali, z substancji tworzącej żel pozostają cząsteczki krzemionki. „Jej warstwa ma znakomite właściwości izolacyjne i doskonale chroni przed ogniem pokryte nią podłoże” – wyjaśnił.

Pod wpływem wysokiej temperatury żelowa krzemionka przekształca się w porowate ciało stałe. Podobne lekkie aerożele krzemionkowe, uważane za najlepsze stałe izolatory cieplne, są wykorzystywane w przemyśle kosmicznym, np. jako powłoki łazików marsjańskich.

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda długo testowali ognioodporność nowego żelu. Nakładali środek na kawałki sklejki lub drewna, a następnie opalali próbki płomieniami z ręcznego palnika gazowego. Okazało się, że stosowane wcześniej żele chroniły deski przez ok. 90 sekund, zanim drewno zajmowało się płomieniem, a nowa substancja zapewniała ognioodporność na 7 minut. Co istotne, temperatura płomienia z palnika gazowego sięga 1300 st. C, podczas gdy temperatura podczas pożaru lasu to zwykle 500-550 st. C.

„Tradycyjne żele nie działają po wyparowaniu wody. Nasz produkt wystawiony na działanie ognia tworzy aerożel krzemionkowy chroniący podłoże także wtedy, gdy woda całkowicie odparuje” – zaznaczył dr Appel. Dodał, że pozostałości nowego środka można łatwo usunąć, gdy pożar zostanie ugaszony.

Obecne badania stanowią kontynuację dr. Appela nad środkami przeciwpożarowymi. W 2019 r. badacz wykorzystał podobne materiały do długotrwałej ochrony roślinności. Preparat rozpylony na roślinach zapobiega rozprzestrzenianiu się ognia na obszarach, na których ryzyko pożarów jest szczególnie wysokie.

Naukowiec przyznał, że najnowsze odkrycie jego zespołu było częściowo dziełem przypadku: „Pracujemy nad formułą ognioodpornych żeli od lat. Zastanawialiśmy się, jak ten środek zachowa się, gdy odparuje z niego woda. Nanieśliśmy go więc na kawałek drewna i wystawiliśmy na działanie płomieni z palnika. Zaobserwowaliśmy superfajny efekt: substancja napęczniała, tworząc aerożelową piankę”.

Jak zapewniają autorzy wynalazku, dziś żel jest stabilny chemicznie i nietoksyczny, można go bezpiecznie przechowywać i łatwo rozpylać za pomocą standardowego sprzętu oraz dobrze przylega do wszystkich powierzchni. Kolejne badania wykazały, że mikroorganizmy w glebie szybko rozkładają bezpieczną dla środowiska substancję zastosowaną w tym rozwiązaniu.

PAP/red.