Gel chữa cháy rừng thế hệ mới là ứng dụng điển hình của vật liệu polymer thông minh (smart materials) trong kỹ thuật chữa cháy. Với thành phần chính là các hydrogel siêu hấp thụ nước vượt trội và các phụ gia hỗ trợ hoạt động chuyên biệt, được ứng dụng nhằm ngăn cháy lan và bảo vệ các cấu trúc dễ cháy trong điều kiện cháy rừng diện rộng. Về bản chất, hydrogel là mạng lưới polymer ưa nước, không hòa tan trong nước, nhưng có thể trương nở mạnh mẽ khi tiếp xúc với nước, tạo thành dạng gel bền vững. Loại vật liệu này đang ngày càng được triển khai tại các quốc gia có nguy cơ cháy rừng cao như Mỹ, Úc, Canada, góp phần bảo vệ hệ sinh thái và giảm thiểu thiệt hại do cháy rừng quy mô lớn.

2. Thành phần cấu trúc hóa học

- Polymer nền (Superabsorbent Polymers - SAPs)

Thành phần chính trong các loại gel chữa cháy là các polymer siêu hấp thụ nước dạng cross-linked, thường là:

+ Polyacrylate: Công thức đơn vị lặp điển hình: –CH2–CH(COONa)–CH₂–CH(COONa)–CH2​–CH(COONa)–ₙ. Loại polymer này có khả năng hút nước gấp 100 - 300 lần khối lượng khô ban đầu.

+ Polyacrylamide (PAM): –CH2–CH(CONH2)–CH₂–CH(CONH₂)–CH2​–CH(CONH2​)–ₙ. Có tính bền nhiệt và ưa nước cao, thường dùng trong phối trộn với polyacrylate.

+ Copolymer poly(acrylate-co-acrylamide): Hệ đồng trùng hợp giúp cân bằng khả năng hút nước và độ bám dính, tạo ra cấu trúc mạng không gian ba chiều giúp giữ nước hiệu quả. Trong chuỗi polymer này, mạch chính là các liên kết –CH₂–CH– lặp lại, mang các nhóm chức amide (-CONH₂) và carboxylate (-COO⁻Na⁺) gắn trên carbon thứ hai của mỗi mắt xích. Công thức cấu tạo có thể được biểu diễn dưới dạng đoạn mạch lặp: –[CH₂–CH(CONH₂)]ₓ–[CH₂–CH(COONa)]ᵧ–, (x và y là số lượng mắt xích, tùy thuộc vào tỷ lệ trùng hợp).

- Polymer tự nhiên biến tính (Biopolymer)

Một số sản phẩm thương mại sử dụng cellulose biến tính hoặc tinh bột biến tính như: Hydroxyethyl cellulose (HEC) và Carboxymethyl starch {là polymer dẫn xuất từ tinh bột, trong đó một số nhóm hydroxyl (–OH) trên mỗi đơn vị glucose của tinh bột bị thay thế bằng nhóm carboxymethyl (–CH₂COOH) hoặc dưới dạng muối natri –CH₂COONa}. Các chất này giúp cải thiện tính thân thiện môi trường và khả năng phân hủy sinh học của gel.

3. Phụ gia và chất hỗ trợ

Để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của gel, các hệ thống thương mại thường bổ sung: (1) Chất làm dày (thickening agents) giúp tăng độ nhớt và độ bám dính của gel; (2) Chất ổn định (stabilizers) chống phân hủy nhiệt, tăng thời gian tồn tại trong môi trường; (3) Chất hoạt động bề mặt (surfactants) giúp gel bám chắc vào lá cây, gỗ hoặc vật liệu xây dựng - điều này đặc biệt quan trọng trong chữa cháy rừng gió lớn.

4. Dạng tồn tại

Gel chống cháy rừng thường được sản xuất dưới hai dạng: Dạng bột khô (dry powder) là polymer khô, nhẹ, trộn với nước tại chỗ để tạo gel và dung dịch cô đặc (liquid concentrate) để dễ triển khai trong hệ thống phun áp lực hoặc bình chữa cháy di động.

Gel thương mại được cung cấp dưới dạng bột khô (khi sử dụng sẽ trộn với nước tạo gel) hoặc dung dịch cô đặc (liquid concentrate) để pha với nước. Tỉ lệ pha rất thấp, thường chỉ ~0,1–1% khối lượng, còn lại >99% là nước {BlazeTamer380 (Úc) pha 0,1–0,65% vào nước, FireIce 561 (Mỹ) pha ~0,15% bột polymer mỗi gallon[1] nước, Thermo-Gel 200L (Mỹ) pha 0,5–3% dung dịch polymer mỗi gallon nước}.

5. Cơ chế vật lý và hóa học

- Hấp thụ và giữ nước: Nhờ các nhóm chức –COOH, –CONH₂, –OH trong mạng polymer tạo liên kết hydro với phân tử nước.

- Chống cháy và cách nhiệt: Khi tiếp xúc lửa, phần nước trong gel bốc hơi lấy nhiệt, đồng thời lớp polymer carbon hóa tạo màng cách nhiệt - ngăn truyền nhiệt, cản trở oxy tiếp cận vật cháy.

- Tạo màng ướt dày: Có tác dụng bao phủ thực vật, ngăn sự lan truyền ngọn lửa trong điều kiện gió mạnh.

Đặc biệt, thế hệ gel mới đang phát triển có cải tiến về cấu tạo hóa học để tăng cường khả năng chịu nhiệt và thời gian bám dính. Một hướng tiếp cận là gel polymer lai vô cơ: ví dụ nhóm Stanford đã phát triển gel chứa hạt silica phân tán trong polymer cellulose - (C6H10O5)n. Khi gặp nhiệt độ cao, gel này chuyển hóa từ trạng thái hydrogel mềm sang aerogel silica (SiO2) xốp nhờ nước bốc hơi và polymer hữu cơ cháy hết, để lại mạng lưới silica cách nhiệt. Lớp SiO2 này cực nhẹ, xốp và cách nhiệt rất tốt (tương tự vật liệu dùng trong cách nhiệt tàu không gian) nên tiếp tục bảo vệ bề mặt sau khi nước và polymer đã mất. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác đang phát triển gel polymer sinh học hoàn toàn (bio-based polymer): ví dụ hydrogel làm từ gelatin - (C102H151O39N31)n trộn với phụ gia phốt-phát (PO43-) và urê (CH4N2O), vừa chống cháy tốt vừa phân hủy thành phân bón cho cây sau khi hoàn thành nhiệm vụ. Cũng có hướng sử dụng polymer thiên nhiên như carrageenan (chiết xuất rong biển) để tạo coating gel chống lửa có độ bám dính cao và thân thiện môi trường. Nhìn chung, về mặt cấu tạo, gel chống cháy rừng thế hệ mới tập trung vào polymer siêu thấm giữ nước kết hợp với phụ gia tăng cường (vô cơ hoặc hữu cơ) để kéo dài thời gian bảo vệ, tăng khả năng chịu nhiệt và giảm tác hại môi trường.

Hình 1: Mẫu gel thế hệ mới (màu trắng) phủ trên tấm gỗ tạo thành “tấm chắn” chịu được nhiệt ngọn đuốc >1000°C trong thử nghiệm, bảo vệ hoàn toàn gỗ bên dưới khỏi cháy.

6. Cơ chế hoạt động ngăn cháy lan và bảo vệ rừng

Cơ chế chống cháy của gel dựa trên việc tạo lớp màng ướt cách nhiệt bao phủ bề mặt cây cối hoặc công trình, nhờ hàng triệu “hạt gel” ngậm nước. Khi trộn với nước, polymer trương nở tạo thành vô số giọt nước nhỏ được bao bọc bởi màng polymer (đôi khi gọi là “bubblet” - bong bóng nước). Các hạt gel ngậm nước này kết dính và xếp chồng lên nhau, bám dày trên bề mặt cần bảo vệ, kể cả bề mặt thẳng đứng như tường nhà hay thân cây. Khi lửa đến, nhiệt lượng phải làm bay hơi và đốt cháy từng lớp gel trước khi tác động được đến vật liệu bên dưới. Nước bên trong gel có nhiệt dung cao nên hấp thụ rất nhiều nhiệt khi bốc hơi, làm giảm nhiệt độ ngọn lửa và làm chậm tốc độ cháy. Đồng thời, lớp gel ướt ngăn oxy tiếp xúc trực tiếp với vật liệu cháy, giống như một chiếc chăn ướt phủ lên nhiên liệu, hạn chế ngọn lửa lan truyền.

Một ưu điểm quan trọng là gel bám dính tốt và lâu khô hơn so với nước hoặc bọt thường. Lớp polymer tạo màng giảm tốc độ bay hơi của nước, do đó gel có thể giữ ẩm bảo vệ bề mặt trong nhiều giờ liền thay vì vài phút như nước thường. Thực nghiệm cho thấy gel có thể bảo vệ vật liệu khỏi lửa trong khoảng 6 đến 36 giờ tùy điều kiện thời tiết (nhiệt độ, độ ẩm). Chẳng hạn, Barricade gel được quảng cáo có khả năng chịu nhiệt lên tới ~1900°C (3452°F)[2] - cao hơn nhiều so với nhiệt độ cháy rừng ~800°C (1472°F) - và bảo vệ công trình khỏi lửa trong suốt thời gian nguy hiểm nếu được duy trì ẩm. Với cây cối và thảm thực vật, gel có thể được phun phòng ngừa lên lá, cành trong mùa khô; lớp gel này khô đi nhưng vẫn bám lại, và khi lửa tới chỉ cần hơi nóng là gel sẽ hút ẩm từ không khí và cản lửa bùng lên. Nếu có công nghệ đặc biệt như gel chuyển thành aerogel (ví dụ gel chứa silica của Stanford), khi ngọn lửa lớn quét qua, gel sẽ để lại một lớp bọt rắn cách nhiệt bám trên bề mặt cây, phản xạ và tản nhiệt khỏi nhiên liệu, giúp cây không bị cháy đen.

Hình 2: Máy bay chữa cháy hạng nhẹ (Air Tractor 802) thả Gel polymer tạo dòng chất lỏng sệt màu trắng, rơi tập trung và bám vào tán rừng, ít bị gió tạt so với nước thông thường.

Tuy cơ chế chính của gel là làm mát và cách ly nhiên liệu, một số gel còn được trộn thêm hóa chất làm chậm cháy (fire retardant) để tăng hiệu quả. Ví dụ, một số polymer gel có trộn muối amoni phosphate - khi bị nung nóng sẽ tạo ra lớp than hóa và phóng thích khí CO₂ không cháy, giúp dập tắt phản ứng cháy và bảo vệ bề mặt khỏi bắt lửa. Loại gel kết hợp polymer gel với phụ gia phốt-phát bền vững, cho phép một lần phun có tác dụng cả mùa khô: gel bám vào thực vật, khô lại và bền với mưa nắng, đến khi có lửa thì vừa tạo ẩm làm mát vừa nhả hóa chất cản cháy, duy trì hiệu lực đến khi gặp mưa lớn ≥ 25 mm mới rửa trôi. Sau khi nguy cơ cháy đã qua, các gel chữa cháy thường có thể được rửa sạch dễ dàng bằng nước (vì polymer không tan nhưng trương nở, khi gặp nước sẽ trôi đi). Nhiều loại gel được quảng cáo là không độc hại, phân hủy sinh học: sẽ tự phân giải thành CO₂, nước và nitơ sau một thời gian, dưới tác động tia UV sẽ phân hủy nhanh hơn. Dù vậy, người ta cũng khuyến cáo tránh để gel rơi vào nguồn nước tự nhiên vì polymer có thể ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh.

7. So sánh hiệu quả thực tế với nước, bọt foam, chất retardant truyền thống

Gel chữa cháy rừng được phát triển nhằm khắc phục một số hạn chế của phương pháp chữa cháy truyền thống (nước, bọt, hóa chất bột). Bảng sau đây so sánh nhanh các đặc điểm chính:

Nhìn chung, gel chữa cháy rừng kết hợp được ưu điểm giữ nước của bọt foam và hiệu quả dài hạn phần nào tiệm cận retardant, trong khi an toàn hơn cho cấu trúc và môi trường so với hóa chất mạnh. Các thử nghiệm cho thấy gel vượt trội nước thường trong bảo vệ bề mặt khỏi lửa: ví dụ, gel thương mại truyền thống bảo vệ gỗ ~90 giây dưới lửa đèn khò, còn gel thế hệ mới (có phụ gia silica) kéo dài trên 7 phút mới làm gỗ cháy xém. Gel cũng được ghi nhận cứu nhiều ngôi nhà: trong một vụ cháy rừng tại rừng quốc gia Black Hills (Mỹ), gần như mọi căn nhà được phủ gel đều an toàn, trong khi hàng chục nhà xung quanh (không phủ) bị thiêu rụi. Tuy nhiên, gel không phải “thuốc tiên” cho mọi tình huống – nó cần được ứng dụng đúng cách và đúng thời điểm. Nếu phun quá sớm mà lửa vài ngày sau mới tới, gel có thể khô mất tác dụng; nếu phun quá muộn, lửa đã quá mạnh thì gel khó trụ. Do đó, hiện nay gel thường được dùng bổ trợ cùng nước và retardant: ví dụ, dùng nước/gel dập lửa trực tiếp, retardant làm đường băng xa lửa, và foam bảo vệ các khe hở, kết cấu dễ cháy.

Tóm lại, Gel chống cháy rừng đang rất sôi động. Xu hướng nổi bật trên thế giới là tăng cường tính bền vững và đa năng như gel không chỉ dập lửa mà còn phải bền lâu, thân thiện với hệ sinh thái, và thậm chí hỗ trợ phục hồi rừng sau cháy. Với tình trạng cháy rừng ngày càng cực đoan hiện nay do biến đổi khí hậu, các loại gel công nghệ mới sẽ là công cụ quan trọng giúp con người chủ động hơn trong cuộc chiến với “giặc lửa”, bảo vệ hệ sinh thái và cộng đồng một cách hiệu quả và bền vững./.

Mai Đăng Hưng - Viện nghiên cứu khoa học công nghệ PCCC và CNCH

[1]1 gallon = 3,785 lít

[2] 0C = 5/9 x (0F-32)