Zastosowanie nanotechnologii w ochronie przeciwpożarowej

• Autorzy: Łukaszczuk P.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.42.2.2016.9

Warianty tytułu

EN

The Application of Nanotechnology in Fire Protection

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel: Od czasu oswojenia ognia ludzkość boryka się z szeregiem niebezpieczeństw wynikających z niekontrolowanego procesu spalania. Na przestrzeni lat tworzono nowe zabezpieczenia przeciwpożarowe oraz udoskonalano istniejące rozwiązania. Celem artykułu jest przybliżenie czytelnikom tematyki nanotechnologii oraz korzyści, jakie płyną z zastosowania jej w inżynierii bezpieczeństwa w ochronie przeciwpożarowej. Wprowadzenie: Nanotechnologia jest młodą dziedziną nauki, która daje ogromne możliwości w modyfikowaniu właściwości fizykochemicznych materiałów oraz pozwala na tworzenie nowych, nieosiągalnych dotąd struktur o niespotykanych wcześniej właściwościach. Dzięki temu istnieją realne perspektywy zastosowania jej w jednym z najistotniejszych aspektów ludzkiego życia, czyli w bezpieczeństwie pożarowym. W artykule omówiono modyfikacje właściwości konwencjonalnych materiałów nanostrukturami w celu zwiększenia ich odporności termicznej. Przedstawiono także potencjał zastosowania osiągnięć nanotechnologii w detekcji wczesnych oznak pożaru, tj. dymu i gazów pożarowych. W ostatniej części artykułu zaprezentowano nowoczesne środki gaśnicze na bazie nanokrystalitów i mikrokapsułek oraz omówiono korzyści, jakie płyną z ich zastosowania. Metodologia: Artykuł został podzielony na sekcje odpowiadające trzem aspektom ochrony przeciwpożarowej. Do głównych wyzwań ochrony przeciwpożarowej należą kolejno: • modyfikacja szeroko stosowanych polimerów, których właściwości pożarowe nadal nie gwarantują bezpieczeństwa podczas pożaru, w celu uodpornienia ich na działanie ognia oraz zmniejszenia stwarzanego przez nie zagrożenia (np. eliminację opadu kroplistego termoplastów) poprzez zastosowanie nanowypełniaczy, • skuteczna detekcja wczesnych oznak powstawania pożaru np. dymu, tlenku węgla i innych specyficznych dla spalania cząsteczek, • wydajna metoda gaszenia pożaru, która nie zagraża życiu i zdrowiu ludzkiemu i nie niszczy obiektu i jego wyposażenia. • W artykule skupiono się na każdym z wymienionych powyżej aspektów i przedstawiono, jakie są możliwości zastosowania osiągnięć nanotechnologii w pożarnictwie. Wnioski: Wykazano, że czujki pożarowe na bazie nanomateriałów pozwalają na zwiększenie ich progu detekcji oraz żywotności. Jednocześnie duża wydajność w stosunku do masy pozwala zredukować koszty produkcji detektorów. Opisana w literaturze modyfikacja polimerów nanocząstkami pozwoliła na zmniejszenie zagrożenia, jakie niesie za sobą stosowanie tworzyw sztucznych. Wytwarzane kompozyty charakteryzują się zredukowaną ilością wydzielanego ciepła podczas spalania oraz lepszymi właściwościami reologicznymi w warunkach pożaru, dzięki czemu ich rozkład termiczny przebiega w kierunku zwęglania, co skutecznie redukuje niebezpieczeństwo tworzenia się palących kropli.

EN

Aim: Since the time humans learned how to use a fire, people had to cope with a number of dangers resulting from an uncontrolled combustion process. Over the years new fire protection techniques and improvements were developed. The purpose of this article is to familiarize readers with the topic of nanotechnology and highlight the benefits of this technique in relation to fire safety. Introduction: Nanotechnology is an innovative field of science which offers major opportunities in modifying the physicochemical properties of materials and allows for the creation of new structures with remarkable properties, not encountered previously. Such achievements will allow for the utilisation of new approaches in one of the most important and oldest aspects of human life – fire safety. This article examines the modification potential of conventional material properties with nanostructures in order to increase their resistance to fire. Furthermore, the article illustrates potential application of nanotechnology developments in the early detection of fires through symptoms, such as smoke and presence of fire gases. Finally, the article explores benefits of modern extinguishing agents based on nanocrystallites and microcapsules. Methodology: The article is divided into sections, which represent the three aspects of protection from fires. The main challenges for fire safety include: • modification of widely used thermoplastic polymers, where the properties still do not guarantee safety when exposed to high temperature and intense heat flux - use of nanofillers will improve the resistance to fire action and reduce associated risks (e.g. elimination of the melting behaviour of thermoplastics exposed to fire), • effective detection of early signs of fire, e.g. smoke, carbon monoxide and other combustion-specific molecules, • efficient method of fire dousing, which is less health and life threatening and non-destructive to property and equipment. The article provides a focus on each of these aspects and demonstrates nanotechnology application potential in firefighting. Conclusions: The article reveals that the use of nanomaterials in sensors can increase detection parameters and extend the life of detectors. Simultaneously, efficiency increases in respect of volume can reduce production costs. Modification of polymer nanoparticles, described in the literature, allows for the reduction of fire hazards attributed to use of plastics. New generation of polymer composites exhibit a reduced level of heat release during combustion and demonstrate improved rheological properties in fire conditions. Consequently, the thermal decomposition process leading towards carbonization effectively eliminates melting during combustion.

Słowa kluczowe

PL

ochrona przeciwpożarowa; nanotechnologia; uniepalniacze; środki gaśnicze; nanorurki; grafen; detekcja

EN

fire protection; nanotechnology; flame retardants; extinguishing agents; nanotubes; graphene; detection

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 42, nr 2
• Strony: 95--102
• Opis fizyczny: Bibliogr. 76 poz., rys.

Twórcy

autor

Łukaszczuk P.

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Bibliografia

• [1] Feynman R.P., Plenty of Room at the Bottom, Transkrypt wystąpienia w Pasadenie dla American Physical Society z grudnia 1959 roku.
• [2] Eigler D.M., Schweizer E.K., Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope, “Nature”, Vol. 344, 1990, pp. 524-526.
• [3] Tiwari J.N., Tiwari R.N., Kim K.S., Zero-dimensional, onedimensional, two-dimensional and three-dimensional nanostructured materials for advanced electrochemical energy devices, “Progress in Materials Science” Vol. 57 Issue 4, 2012, pp. 724-803.
• [4] Kroto H.W., Heath J.R., O’Brien S.C., Curl R.F., Smalley R.E., C60: Buckminsterfullerene, “Nature” Vol. 318, 1985, pp. 162-163.
• [5] Iijima S., Helical microtubules of graphitic carbon, “Nature” Vol. 354, 1991, pp. 56-58.
• [6] Byszewski P., Klusek Z., Some properties of fullerenes and carbon nanotubes, “Opto-Electronics Review”, Vol. 9 Issue 2, 2001, pp. 203-210.
• [7] Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science, Vol. 306 Issue 5696, 2004, pp. 666-669.
• [8] Lee D.W., Jin M.H., Lee C.B., Lee S.W., Park J.W., Oh D., Park J.C., Park J.S. Straightforward Synthesis of Metal Nanoparticles and Hierarchical Porous Metals Assisted by Partial Film Boiling Phenomena, “Chemistry of Materials” Vol. 27 Issue 15, 2015, pp. 5151-5160.
• [9] Sajti C.L., Sattari R., Chichkov B.N., Barcikowski S., Gram Scale Synthesis of Pure Ceramic Nanoparticles by Laser Ablation in Liquid, “The Journal of Physical Chemistry C”, Vol. 114 Issue 6, 2010, pp. 2421-2427.
• [10] Wang X., Hall J. E., Warren S., Krom J., Magistrelli J. M., Rackaitis M., Bohm G. G. A., Synthesis, Characterization, and Application of Novel Polymeric Nanoparticles, “Macromolecules” Vol. 40 Issue 3, 2007, pp. 499-508.
• [11] Sonström P., Bäumer M., Supported colloidal nanoparticles in heterogeneous gas phase catalysis: on the way to tailored catalysts, “Physical Chemistry Chemical Physics”, Vol. 13, 2011, pp. 19270-19284.
• [12] Rioux R.M., Song H., Hoefelmeyer J.D., Yang P., Somorjai G.A., High-Surface-Area Catalyst Design: Synthesis, Characterization, and Reaction Studies of Platinum Nanoparticles in Mesoporous SBA-15 Silica, “The Journal of Physical Chemistry B”, Vol. 109, 2005, pp. 2192-2202.
• [13] Moon K.S., Dong H., Maric R., Pothukuchi S., Hunt A., Li Y., Wong C.P., Thermal Behavior of Silver Nanoparticles for Low-Temperature Interconnect Applications, “Journal of Electronic Materials”, Vol. 34 Issue 2, 2005, pp. 168-175.
• [14] Łukaszczuk P., Mijowska E., Kaleńczuk R., Selective oxidation of metallic single-walled carbon nanotubes, “Chemical Papers”, Vol. 67 Issue 9, 2013, pp. 1250-1254.
• [15] Ding B., Kim C.K., Kim H.Y., Seo M.K., Park S.J., Titanium Dioxide Nanofibers Prepared by Using Electrospinning Method, “Fibers and Polymers” Vol. 5 Issue 2, 2004, pp. 105-109.
• [16] Choi S., Park J., Hyun W., Kim J., Kim J., Lee Y. B., Song C., Hwang H.J., Kim J.H., Hyeon T., Kim D.H., Stretchable Heater Using Ligand-Exchanged Silver Nanowire Nanocomposite for Wearable Articular Thermotherapy, “ACS Nano”, Vol. 9 Issue 6, 2015, pp. 6626-6633.
• [17] Khare R., Bose S., Carbon Nanotube Based Composites-A Review, “Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering” Vol. 4 Issue 1, 2005, pp. 31-46.
• [18] Liu Y., Kumar S., Polymer/Carbon Nanotube Nano Composite Fibers–A Review, “ACS Applied Materials & Interfaces” Vol. 6 Issue 9, 2014, pp. 6069-6087.
• [19] Kim J., Jinj Y., Han I., Choe D., Flat Panel Display Using Carbon Nanotube, Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 2006, IEEE, pp. 888-889, [dok. elektr.] http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4195029, [dostęp: 13.11.2015].
• [20] Wang Q.H., Setlur A.A., Lauerhaas J.M., Dai J.Y., Seelig E.W., Chang R.P.H., A nanotube-based field-emission flat panel display, “Applied Physics Letters” Vol. 72 Issue 22, 1998, pp. 2912-2913.
• [21] Borah J.P., Sarma K.C., Optical and Optoelectronic Properties of ZnS Nanostructured Thin Film, “Acta Physica Polonica A” Vol. 114 Issue 4, 2008, pp. 713-719.
• [22] Parreira P., Lavareda G., Valente J., Nunes F.T., Amaral A., Nunes de Carvalho C., Optoelectronic properties of transparent p-type semiconductor CuxS thin films, “Physica Status Solidi A” Vol. 207 Issue 7, 2010, pp. 1652-1654.
• [23] Novoselov K.S., Nobel Lecture: Graphene: Materials In The Flatland, “Reviews Of Modern Physics”, Vol. 83, 2011, pp. 837-849.
• [24] Bianco A., Cheng H.M., Enoki T., Gogotsi Y., Hurt R.H., Koratkar N., Kyotani T., Monthioux M., Park C.R., Tascon J. M.D., Zhang J., All in the graphene family – A recommended nomenclature for two-dimensional carbon materials, “CARBON” Vol. 65, 2013, pp. 1-6.
• [25] Lin Y.M., Jenkins K.A., Valdes-Garcia A., Small J.P., Farmer D.B., Avouris P., Operation of Graphene Transistors at Gigahertz Frequencies, “Nano Letters” Vol. 9 Issue 1, 2009, pp. 422-426.
• [26] Stankovich S., Dikin D.A., Dommett G. H.B., Kohlhaas K.M., Zimney E.J., Stach E.A., Piner R.D., Nguyen S.T., Ruoff R.S., Graphene-based composite materials, “Nature” Vol. 442, 2006, pp. 282-286.
• [27] Su Y., Kravets V.G., Wong S.L., Waters J., Geim A.K., Nair R.R., Impermeable barrier films and protective coatings based on reduced graphene oxide, “Nature Communications” Vol. 5 Issue 4843, 2014, [dok. elektr.] http://www.nature.com/ncomms/2014/140911/ncomms5843/full/ncomms5843.html [dostęp 13.11. 2015].
• [28] Drysdale D., An introduction to fire dynamics, John Wiley & Sons Ltd., New York 1985.
• [29] Mazur J., Pustelny B., Termofalowa metoda pomiaru dyfuzyjności cieplnej, „Problemy Eksploatacji” Issue 3, 2008, pp. 177-188.
• [30] Devendra K., Rangaswamy T., Evaluation of Thermal Properties of E-Glass/ Epoxy Composites Filled By Different Filler Materials, “International Journal Of Computational Engineering Research” Vol. 2 Issue 5, 2012, pp. 1708-1714.
• [31] Iwko J., Zachowanie się tworzyw sztucznych w warunkach pożarowych. Część II – pomiary palności oraz metody uniepalniania, tworzyw sztucznych, „Tworzywa Sztuczne i Chemia” Vol. 6, 2009, pp. 24-29.
• [32] Von Gentzkow W., Huber J., Kapitza H., Rogler W., Halogen-Free Flame-Retardant Plastics for Electronic AppIications, “Journal of Vinyl and Additive Technology” Vol. 3 Issue 2, 2004, pp. 175-178.
• [33] Yu J., Huang X., Wu C., Jiang P., Permittivity, Thermal Conductivity and Thermal Stability of Poly(vinylidene fluoride)/Graphene Nanocomposites, “IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation” Vol. 18 Issue 2, 2011, pp. 478-484.
• [34] Moniruzzaman M., Winey K.I., Polymer Nanocomposites Containing Carbon Nanotubes, “Macromolecules” Vol. 39, 2006, pp. 5194-5205.
• [35] Galano A., Carbon nanotubes: promising agents against free radicals, “Nanoscale” Vol. 2, 2010, pp. 373-380.
• [36] Jurkowski B., Jurkowska B., Rydarowski H., Niektóre aspekty badań palności kompozytów polimerowych, „Czasopismo Techniczne. Mechanika R.” Vol. 106, 2009, pp. 145-152.
• [37] Wu Z., Xue M., Wang H., Tian X., Ding X., Zheng K., Cui P., Electrical and flame-retardant properties of carbon nanotube/poly(ethylene terephthalate) composites containing bisphenol A bis(diphenyl phosphate), “Polymer” Vol. 54, 2013, pp. 3334-3340.
• [38] Gilman J.W., Kashiwagi T., Lichtenhan J. D., Nanocomposites: A Revolutionary New Flame Retardant Approach, “SAMPE Journal”, Vol. 33 Issue 4, 1997, pp. 40-46.
• [39] Si M., Zaitsev V., Goldman M., Frenkel A., Peiffer D. G., Weil E., Sokolov J.C., Rafailovich M.H., Self-extinguishing polymer/organoclay nanocomposites, “Polymer Degradation and Stability” Vol. 92, 2007, pp. 86-93.
• [40] Laufer G., Kirkland C., Morgan A.B., Grunlan J.C., Exceptionally Flame Retardant Sulfur-Based Multilayer Nanocoating for Polyurethane Prepared from Aqueous Polyelectrolyte Solutions, “ACS Macro Letters” Vol. 2, 2013, pp. 361-365.
• [41] Kim Y.S., Davis R., Multi-walled carbon nanotube layer-by-layer coatings with a trilayer structure to reduce foam flammability, “Thin Solid Films” Vol. 550, 2014, pp. 184-189.
• [42] Kim Y.S., Harris R., Davis R., Innovative Approach to Rapid Growth of Highly Clay-Filled Coatings on Porous Polyurethane Foam, “ACS Macro Letters” Vol. 1, 2012, pp. 820-824.
• [43] Wojtala A., Właściwości kompozytów polietylenowych z udziałem modyfikowanego związkiem silanowym wodorotlenku magnezu i dodatkiem acetyloacetonianu żelaza III, „Polimery” Vol. 56 Issue 2, 2011, pp. 114-120.
• [44] Markowski W., Czułość czujek pożarowych Cz. I, „Systemy alarmowe” Issue 2, 2008, pp. 54-58.
• [45] Markowski W., Czułość czujek pożarowych Cz. II, „Systemy alarmowe” Issue 3, 2008, pp. 58-61.
• [46] Samborski, T., Kozioł, S., Zbrowski, A., Stępień P., Koncepcja modelowego systemu do badań osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu, „Problemy Eksploatacji” Issue 1, 2012, pp. 87-97.
• [47] Wood V., Bulović V., Colloidal quantum dot light-emitting devices, “Nano Reviews” Vol. 1, 2010, [dok. elektr.] http://www.nano-reviews.net/index.php/nano/article/view/5202 [dostęp 13.11.2015].
• [48] Dai X., Zhang S., Wang Z., Adamo G., Liu H., Huang Y., Christophe Couteau, Cesare Soci, GaAs/AlGaAs Nanowire Photodetector, “Nano Letters” Vol. 14, 2014, pp. 2688-2693.
• [49] Klekachev A.V., Nourbakhsh A., Asselberghs I., Stesmans A. L., Heyns M. M., De Gendt S., Graphene Transistors and Photodetectors, “The Electrochemical Society Interface” Vol. 22 Issue 1, 2013, pp. 63-68.
• [50] Li J., Niu L., Zheng Z., Yan F., Photosensitive Graphene Transistors, “Advanced Materials” Vol. 26, 2014, pp. 5239-5273.
• [51] Jiang C., Song J., Significant Photoelectric Property Change Caused by Additional Nano-confinement: A Study of Half-Dimensional Nanomaterials, “Small” Vol. 10 Issue 24, 2014, pp. 5042–5046.
• [52] Pradhan B., Setyowati K., Liu H., Waldeck D. H., Chen J., Carbon Nanotube-Polymer Nanocomposite Infrared Sensor, “Nano Letters” Vol. 8 Issue 4, 2008, pp. 1142-1146.
• [53] Zheng W., Li X., Dong C., Yana X., He G., Fabrication of a visible light detector based on a coaxial polypyrrole/TiO2 nanorod heterojunction, “RSC Advances” Vol. 4, 2014, pp. 44868-44871.
• [54] Kotter D.K., Slafer W.D., Novack S.D., Pinhero P., Solar nantenna electromagnetic collectors, ASME 2008 2nd International Conference on Energy Sustainability, Volume 2, Solar Thermal and Photovoltaic Power, American Society of Mechanical Engineers, U.S. 2008, 409-415.
• [55] Fang Z., Liu Z., Wang Y., Ajayan P.M., Nordlander P., Halas N.J., Graphene-Antenna Sandwich Photodetector, “Nano Letters” Vol. 12, 2012, pp. 3808-3813.
• [56] Kolbrecki A., O dymotwórczości wyrobów budowlanych w czasie pożaru, „Prace instytutu techniki budowlanej” 4(116), 2000, 47-56.
• [57] Konecki M., Szacowanie zasięgu widzialności w dymie powstałym w czasie spalania wybranych gatunków drewna i materiałów drewnopochodnych, „Prace instytutu techniki budowlanej” 2(134), 2005, 39-48.
• [58] Papis B., Proces tlenia w materiałach budowlanych, „Prace instytutu techniki budowlanej” 3(159), 2011, 29-39.
• [59] Omaye S.T., Metabolic modulation of carbon monoxide toxicity, “Toxicology” Vol. 180 Issue 2, 2002, pp. 139-150.
• [60] Ryan T. J., Arnold K. J., Residential Carbon Monoxide Detector Failure Rates in the United States, “American Journal of Public Health” Vol. 101 Issue 10, 2011, pp. e15–e17.
• [61] Liu X., Cheng S., Liu H., Hu S., Zhang D., Ning H., A Survey on Gas Sensing Technology, “Sensors” Vol. 12, 2012, pp. 9635-9665.
• [62] Schedin F., Geim A.K., Morozov S.V., Hill E.W., Blake P., Katsnelson M.I., Novoselov K.S., Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene, “Nature Materials” Vol. 6, 2007, pp. 652-655.
• [63] Wang Y., Yeow J.T.W., A Review of Carbon Nanotubes-Based Gas Sensors, “Journal of Sensors” Vol. 2009, 2009, [dok. elektr.] http://www.hindawi.com/journals/js/2009/493904/ [dostęp: 13.11.2015].
• [64] Akbari E., Buntat Z., Ahmad M.H., Enzevaee A., Yousof R., Iqbal S.M.Z., Ahmadi M. T., Sidik M.A.B., Karimi H., Analytical Calculation of Sensing Parameters on Carbon Nanotube Based Gas Sensors, “Sensors” Vol. 14, 2014, pp. 5502-5515.
• [65] Paulla K.K., Farajian A.A., Concentration Effects of Carbon Oxides on Sensing by Graphene Nanoribbons: Ab Initio Modeling, “The Journal of Physical Chemistry C”, Vol. 117 Issue 24, 2013, pp. 12815-12825.
• [66] Osborn T.H., Farajian A.A., Silicene nanoribbons as carbon monoxide nanosensors with molecular resolution, “Nano Research” Vol. 7 Issue 7, 2014, pp. 945-952.
• [67] Yang Y. J., Li W., CTAB functionalized grapheneoxide/multiwalled carbonnanotube composite modified electrode for the simultaneous determination of ascorbic acid, dopamine, uric acid and nitrite, “Biosensors and Bioelectronics” Vol. 56, 2014, pp. 300-306.
• [68] Sablok K., Bhalla V., Sharma P., Kaushal R., Chaudhary S., Suri C.R., Amine functionalized graphene oxide/CNT nanocomposite for ultrasensitive electrochemical detection of trinitrotoluene, “Journal of Hazardous Materials” Vols 248-249, 2013, pp. 322-328.
• [69] Zhang C.Y., Yeh H.C., Kuroki M.T., Wang T.H., Single-quantumdot-based DNA nanosensor, “Nature Materials” Vol. 4, 2005, pp. 826-831.
• [70] Gilbertson L.M., Busnaina A.A., Isaacs J.A., Zimmerman J.B., Eckelman M J., Life Cycle Impacts and Benefits of a Carbon Nanotube-Enabled Chemical Gas Sensor, “Environmental Science & Technology” Vol. 48, 2014, pp. 11360-11368.
• [71] Wilczkowski S., Działania inhibicyjne wybranych związków chemicznych stosowanych w środkach gaśniczych, BiTP Issue 3, 2010, pp. 99-106.
• [72] Wilczkowski S., Środki gaśnicze, Szkoła Aspirantów Państwowej Straży Pożarnej, Kraków 1999.
• [73] Grynczel Z., Wilczkowski S., Nowoczesne środki gaśnicze, Instytut wydawniczy CRZZ, Warszawa 1976.
• [74] Szkudlarek Z., Klemens R., Gieras M., Tłumienie wybuchu metanu z wykorzystaniem wysokociśnieniowej gaśnicy, „Przegląd Górniczy” Vol. 70 Issue 4, 2014, pp. 74-80.
• [75] Huang Ch., Yang X., Lu L., Wang X., Flame Retardant Property of Nanopowder Aerosols toward Methane, “Chemical Papers” Vol. 60 Issue 2, 2006, pp. 102-110.
• [76] Specyfikacja techniczna gaśnic JE-100 Nano Particle Portables Fire Extinguisher firmy Westpeace Fire Investment Holdings Ltd.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.