磷酸銨鹽亞納米粉體滅火性能實驗研究

黃 鑫，劉凌江，周曉猛

（1.公安部天津消防研究所，天津，300381；2.南開大學，天津，300381）

磷酸銨鹽亞納米粉體滅火性能實驗研究

黃 鑫1，劉凌江2，周曉猛2

（1.公安部天津消防研究所，天津，300381；2.南開大學，天津，300381）

使用溶劑－非溶劑法制備了粒徑達到亞納米量級（300nm～500nm）的磷酸銨鹽滅火劑，建立了1.2m×1.2m×1.2m的小尺度滅火實驗平臺，開展了滅油池火和木垛火的全淹沒滅火實驗，對磷酸銨鹽亞納米粉體的滅火性能進行了研究，并與普通磷酸銨鹽粉體的滅火性能進行了比較。實驗結果顯示磷酸銨鹽亞納米粉體的滅火性能要明顯高于普通粉體，并且在低壓下就可以獲得很好的滅火效果。工作壓力的增加會縮短粉體的滅火時間，但是對于磷酸銨鹽亞納米粉體滅木垛火的情況，由于滅火時間相差不大，反而會導致滅火劑用量增加。

磷酸二氫銨；亞納米粉體；滅火實驗；油池火；木垛火；滅火性能

0 引言

隨著“哈龍”滅火劑的逐步淘汰，世界各國都在積極研制、研究哈龍?zhí)娲a(chǎn)品及替代技術［1］。干粉滅火劑具有滅火速度快、干粉基料來源廣泛、價格低廉、對人畜無毒或低毒、電絕緣性好、對環(huán)境影響小、適應范圍廣等特點，因此在當今滅火劑領域占有相當重要的地位，其研究得到了各國學者的重視［2－4］。但是普通干粉滅火劑粒徑通常在10μm～75μm，彌散性相對較差，比表面積相對較小，在空間的懸浮時間短，導致其捕獲自由基或活性集團的能力有限，故滅火能力受到了很大的限制，尤其是在用于全淹沒滅火時效果不理想［5］。因此，制備小粒徑的粉體，提高滅火劑的空間分散性和表面吸附活性是當今干粉滅火介質的一個重要發(fā)展方向［6－8］。隨著粉體加工和表面改進技術的發(fā)展，90%粒徑小于20μm的超細粉體的制備技術已經(jīng)基本成熟并開始了工業(yè)化的生產(chǎn)，但是由于超細粉體的制備主要基于機械研磨技術，因而難以生產(chǎn)粒徑在1μm以下的粉體［9］。

目前，納米技術在全球已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展，而納米材料表現(xiàn)出的其它晶體和非晶體不具有的優(yōu)越性也令其在陶瓷加工、生物工程、醫(yī)藥學、催化反應工程、橡膠改性和消毒抗菌處理等領域得到了工業(yè)應用［10］。國內外許多專家預測，納米粉體滅火技術是超細粉體滅火介質發(fā)展的一種重要方向。將超細粉體加工到納米級粒徑范圍內，微粒將表現(xiàn)出一些特殊性：如量子化效應、小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應，這使得納米粉體比超細粉體具有更大的優(yōu)越性［11］。本文使用溶劑－非溶劑法制備了粒徑在300nm～500nm之間的亞納米級磷酸銨鹽粉體滅火劑，對其滅火性能進行了實驗研究并與普通磷酸銨鹽粉體的滅火性能進行了比較。

1 亞納米粉體的制備

磷酸銨鹽亞納米粉體使用了溶劑－非溶劑法制備，該方法是以結晶學原理為依據(jù)制備細小顆粒的一種方法［12］。首先將磷酸二氫銨完全溶解于溶劑（水）中，然后將溶解后的溶液快速加入非溶劑（丙酮）中，利用高過飽和度快速結晶，形成細小晶粒。細小晶粒形成后，使用砂芯漏斗過濾，丙酮清洗后氮氣吹掃，在室溫無水環(huán)境下帶走丙酮蒸汽即得到亞納米粉體。

為防止亞納米粉體在空氣中吸潮長大，對粉體的表面進行了改性，以降低表面活性，降低吸濕率。首先稱取一定量的亞納米粉體放入表面改性機中，加熱至80℃，攪拌下滴加入一定比例的含氟丙烯酸樹脂的丙酮溶液，控制含氟丙烯酸樹脂的質量為粉體質量的1.5%。丙酮溶液滴加完成后繼續(xù)攪拌5min，降溫收集即得改性后的產(chǎn)品。

圖1顯示了使用Hitachi TM-1000電子顯微鏡對磷酸銨鹽亞納米粉體進行形貌觀察的結果，可以看出磷酸銨鹽亞納米粉體的顆粒均在1μm以下，主要分布在300nm～500nm之間。但由于表面改性劑不能完全將粉體表面包覆，少部分裸露的表面會使得粉體顆粒通過吸附濕橋連接在一起。

圖1 磷酸銨鹽亞納米粉體的電鏡圖Fig.1 Photograph of ammonia phosphate sub-nanometer powder taken by scanning electron microscope

2 實驗裝置與實驗方法

2.1 實驗裝置

實驗所用的裝置示意圖見圖2。實驗在1.2m×1.2m×1.2m的受限空間內進行，空間四面?zhèn)缺谑褂糜袡C玻璃制成以方便觀察試驗現(xiàn)象，實驗時門窗關閉。粉體噴頭安裝在空間頂部正中，使用氮氣作為輸送氣體。噴頭為圓柱形，在側壁均勻布置4個直徑為4mm的圓孔。滅火粉體放置在內徑10cm，高15cm的儲罐中，使用市面上購買的ABC磷酸銨鹽普通滅火粉體和自制的磷酸銨鹽亞納米粉體作為滅火劑?；鹪磾[放在實驗間底面的中心線上，距噴頭軸線30cm?；鹪礊橛统鼗饡r，油盤內徑為10cm，高6cm，內裝100mL正庚烷；火源為木垛火時，木垛尺寸為8cm×8cm×8cm，共8層，每層包括4根8cm×1cm×1cm小木條，每層木條交錯擺放，木垛放置于油盤上方，油盤內裝30mL正庚烷以引燃木垛。實驗間布置有6根熱電偶用于測量溫度變化，NO.1～NO.5熱電偶用于測量火焰和煙氣溫度，位于燃料的正上方，油池火實驗時與油盤上沿的距離分別為5cm、15cm、25cm、35cm和60cm，木垛火實驗時NO.1位于木垛中心，NO.2位于木垛表面，NO.3～NO.5與木垛表面的距離分別為10cm、20cm和50cm。NO.6熱電偶用于測量環(huán)境溫度，距地面高度35cm，距實驗間右壁和前壁均為30cm。實驗過程使用攝像機全程錄制。滅火時間使用秒表進行測量。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Setup of the experimental apparatus

2.2實驗方法

實驗前首先在儲罐內裝入500g粉體，然后安裝好管路和噴頭，開啟氮氣瓶調好工作壓力，粉體儲罐的工作壓力分別設為 0.15MPa、0.25MPa 和0.35MPa。然后擺放好油盤和木垛，往油盤里加入正庚烷，開啟溫度采集器和攝像機，點燃油池，待燃料預燃一段時間，燃燒穩(wěn)定后施加粉體滅火劑。對于油池火預燃時間固定為1min，對于木垛火視燃燒情況，預燃時間為3min～4min。當火焰完全熄滅時，停止施加粉體，稱量剩余粉體重量。對于木垛火，等待2min后再開啟實驗間門取出木垛，然后放置在環(huán)境中觀察5min看是否發(fā)生復燃。

3 實驗結果與討論

3.1 油池火實驗

表1顯示了自制的磷酸銨鹽亞納米粉體和購買的磷酸銨鹽普通粉體滅油池火的對比試驗結果，可以看出亞納米粉體的滅火時間要明顯少于普通粉體，相應的滅火劑的用量也更少，約為普通粉體的49%～67%，并且工作壓力越低，亞納米粉體的優(yōu)勢越明顯。

表1 油池火實驗結果Table 1 Experimental results of pool fire tests

圖3 油池火實驗過程中的溫度變化曲線（工作壓力為0.25MPa）Fig.3 Temperature history of pool fire test（operation pressure is 0.25MPa）

圖3是亞納米粉體和普通粉體滅油池火實驗過程中的溫度變化曲線。從圖中可以看出，無論是何種粉體，在施加后火焰溫度都會迅速下降，當采用亞納米粉體時，溫度的下降速率要快于普通粉體。

磷酸銨鹽粉體熄滅火焰主要通過物理作用和化學抑制兩方面的機理進行。物理作用主要是冷卻作用。當干粉噴射入火焰內部時，受熱分解氣化，與燃燒反應發(fā)生熱交換，吸收燃燒反應產(chǎn)生的熱量，降低火焰溫度?；瘜W抑制作用則主要是通過捕捉維持燃燒連鎖反應的OH和H自由基來實現(xiàn)。磷酸二氫銨在火焰中會生成NH3，它會發(fā)生如下一系列反應，促使火焰中的OH和H結合，使火焰熄滅［13］：

此外，磷酸銨鹽在火焰中受熱分解生成的氨氣也能夠起到稀釋氧氣的作用，進一步增加滅火能力。

粉體的粒徑越小，比表面積越大，與火焰作用的面積就越大，并且粉體的粒徑減小至接近納米量級后，活性會顯著提高，因此與普通粉體相比，亞納米粉體的受熱分解溫度更低，受熱分解的速度也更快，在相同的時間內，亞納米粉體能夠吸收更多的熱量，產(chǎn)生更多的NH3來吸收OH和H自由基以及稀釋氧氣，相應的滅火效率也要更高。此外，本試驗中火源與噴頭有一定的水平間距，對于普通粉體，由于粒徑較大，大多數(shù)的滅火劑都被噴射到了噴頭正下方，沉降在試驗間底部，不能起到有效的滅火作用，降低了滅火效率，而亞納米粉體由于粒徑小，其彌漫性能和懸浮性能較好，容易在空間內形成均勻的分布且不易沉降，提高了滅火劑的使用效率。因此，亞納米粉體在滅油池火的實驗中顯示了更好的滅火效果，其滅火時間和滅火劑用量均要少于普通粉體。

從表1顯示的試驗結果還可以看出，當工作壓力增加時，由于單位時間內粉體和作為輸送氣體的氮氣的噴射量更大，且粉體顆粒的動量增加使得粉體更容易進入火焰區(qū)，因此相應的滅火時間及滅火劑的用量均減小。亞納米粉體由于在低壓下滅火時間也很短，因此增加工作壓力對提高滅火效率的作用不如普通粉體顯著。

3.2 木垛火實驗

亞納米粉體和普通粉體滅木垛火的對比實驗結果見表2。從表中可以看出，與滅油池火的結果類似，亞納米粉體的滅火時間和滅火劑的用量均要明顯少于普通粉體，其中滅火劑的用量約為普通粉體的43%～60%，并且工作壓力越低，兩者之間的差距越大。

表2 木垛火實驗結果Table 2 Experimental results of wood crib fire tests

圖4 木垛火實驗過程中的溫度變化曲線（工作壓力為0.35MPa）Fig.4 Temperature history of wood crib fire test（operation pressure is 0.35MPa）

從圖4顯示的實驗過程中的溫度變化曲線可以看出，當滅火劑為亞納米粉體時，粉體施加后由于火焰被迅速抑制，木垛上方的溫度迅速下降，木垛中心由于受到阻擋，其溫度的下降趨勢要更為緩慢，但一直處于下降狀態(tài)，滅火劑停止施加后未發(fā)生復燃。當滅火劑為普通粉體時，粉體施加后，木垛上方的溫度下降速率相對亞納米粉體要更慢，而木垛中心由于施加瞬時火焰受沖力作用被壓制入木垛內部，溫度會有短暫升高，但此后在粉體的作用下溫度又會下降，火焰熄滅停止施加粉體后，可以看到木垛中心和木垛表面的溫度又會逐漸上升，這是因為木垛內部仍處于陰燃狀態(tài)。圖5顯示了滅火劑停止施加2min后，開啟實驗間門時木垛的形態(tài)?？梢钥吹?，使用亞納米粉體時，木垛仍保持整體形態(tài)，并且木垛表面和內部沒有任何火星，不存在陰燃現(xiàn)象；而使用普通粉體時，大部分木垛因陰燃而被燒盡，少量剩余的木垛也仍處于陰燃狀態(tài)，并發(fā)出紅光。

磷酸銨鹽在撲滅固體火時，除了有上文提到的冷卻作用和阻斷燃燒鏈反應的作用外，粉粒落在灼熱的木垛表面上，還發(fā)生了以下一系列反應［13］：

上述反應生成的偏磷酸和聚磷酸銨在固體表面的高溫下被熔化形成一個玻璃狀覆蓋層，它能起到隔絕作用，使火焰因窒息而滅。亞納米粉體由于粒徑小，有著良好的彌漫性能，容易越過障礙進入到木垛內部，在燃燒的木條表面形成一層均勻的覆蓋層，起到隔絕滅火的作用。而普通粉體顆粒較大，在木條的阻礙下，難以深入至木垛內部撲滅火焰，導致相應的滅火時間更長，而且即使明火被撲滅，由于不能在所有木條表面形成均勻的覆蓋層，部分木條仍然處于陰燃狀態(tài)，并會逐漸蔓延。

圖5 滅火劑停止施加2min后木垛形態(tài)（工作壓力為0.35MPa）Fig.5 Photograph of wood crib 2min after stopping discharging powder（operation pressure is 0.35MPa）

當工作壓力增加時，一方面單位時間內粉體和氮氣的噴射量更大，另一方面粉體顆粒的動量增加，粉體更容易進入至木垛內部，因此相應的滅火時間更短。亞納米粉體由于在低壓下就能表現(xiàn)出很好的滅火效果，因此壓力的增加并未明顯縮短滅火時間，反而因為單位噴射量的增加而使得滅火劑用量增加。

4 結論

為了研究粉體顆粒達到亞納米量級后對滅火效果的影響，本文使用溶劑－非溶劑法制備了粒徑在300nm～500nm之間的磷酸銨鹽粉體滅火劑，并通過滅油池火和木垛火的實驗，將其與普通磷酸銨鹽粉體的滅火性能進行了比較。實驗結果顯示：

（1）粉體粒徑減小到亞納米量級后，由于粒徑小，比表面積大，其分解溫度降低，分解速度加快，空間彌漫性能和懸浮性能提升，因此無論是撲滅油池火還是木垛火，亞納米粉體的滅火性能均要明顯好于普通粉體，且工作壓力越低，兩者之間差距越大。

（2）亞納米粉體在撲滅木垛火時，可以越過障礙進入到木垛內部，在燃料表面形成均勻的覆蓋層，防止陰燃和復燃現(xiàn)象的發(fā)生；普通粉體撲滅木垛火后，木垛內部仍可能處于陰燃狀態(tài)。

（3）兩種粉體的滅火時間均隨著工作壓力的增加而減小，但對于亞納米粉體，減小趨勢并不明顯，并且對于滅木垛火的情況，滅火劑用量反而會隨著工作壓力的增加而增加，因此使用亞納米粉體滅火時，應綜合考慮滅火時間和滅火劑用量，以獲得最佳的滅火效率。

本次實驗使用的磷酸銨鹽亞納米粉體雖然經(jīng)過了初步表面改性，但因為粒徑小，在放置較長時間后仍容易吸濕團聚。下一步應著重研究磷酸銨鹽亞納米粉體的表面改性方法，增強粉體的疏水能力和抗結塊能力，保證磷酸銨鹽亞納米粉體的工程實用性。

［1］劉江虹，金翔，黃鑫.哈龍?zhí)娲夹g的現(xiàn)狀分析與展望［J］.火災科學，2005，14（3）：160-166.

［2］Chattaway A，Gall R，Spring DJ.Dry Chemical Extinguishing Systems［A］.Proceedings of Halon Options Technical Working Conference［C］，Albuquerque，NM，1997：216-227.

［3］周文英，邵寶州，李文泉.干粉滅火劑淺論［J］.消防技術與產(chǎn)品信息，2002，7：69-71.

［4］宋旭東.論干粉滅火系統(tǒng)的應用［J］.工業(yè)用水與廢水，2000，31（3）：30-33.

［5］Williams BA，F(xiàn)leming JW.Suppression Mechanisms of Alkali Metal Compounds［A］.Proceedings of Halon Op－tions Technical Working Conference［C］，Albuquerque，NM，1999：157-169.

［6］周曉猛，姜麗珍，陳濤.超細粉體滅火介質的表面特性及滅火性能［J］.燃燒科學與技術，2009，15（3）：214-218.

［7］Jayaweera TM，F(xiàn)isher EM，F(xiàn)leming James W.Flame Suppression by Aerosols Derived from Aqueous Solutions Containing Phosphorus［J］. Combustion and Flame，2005，141（3）：308-321.

［8］傅智敏，楊榮杰.固體微粒氣溶膠滅火劑的改性研究［J］.火災科學，2000，9（3）：35-41.

［9］周文英，杜澤強，介燕妮.超細干粉滅火劑［J］.中國粉體技術，2005，11（1）：42-44.

［10］孫曉剛，王建華，曾效舒.納米技術對其他學科及其人類的影響［J］.華東交通大學學報，2001，18（1）：32-34.

［11］李培春.淺談納米粉末滅火劑的可行性及應有前景［J］.消防技術與產(chǎn)品信息，2003，8：35-37.

［12］儲峰，鄧潘，樊祥.溶劑－非溶劑法在含能材料中的應有［J］.化學推進劑與高分子材料，2010，8（3）：38-41.

［13］郭鐵男.中國消防手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2006.

Experimental study on fire extinguishing performance of ammonia phosphate sub-nanometer powder

HUANG Xin1，LIU Ling－jiang2，ZHOU Xiao-meng2

（1.Tianjin Fire Research Institute，Tianjin，300381，China；2.Nankai university，Tianjin，300381，China）

Ammonia phosphate sub-nanometer powder with 300nm～500nm diameter has been synthesized by using solvent-nonsolvent method.The 1.2m×1.2m×1.2msmall-scale fire suppression experiment platform was set up，and a series of total flooding fire suppression experiments were conducted to study the fire extinguishing performance of this sub-nanometer powder comparing with ordinary powder.Fire sources of heptane and wood crib were used.The experimental results showed that subnanometer powder has higher fire suppression effectiveness than that of the ordinary powder，especially at lower operation pressures.Increasing the operation pressure would cause the fire extinguishment time to decrease.However，the fire extinguishment time of the sub-nanometer powder changed little with the operation pressure for wood crib fire tests.Therefore，the quantity of sub-nanometer powder increased with the increasing of operation pressure.

Ammonium biphosphate；Sub-nanometer powder；Fire suppression experiment；Pool fire；Wood crib fire；Fire extinguishing performance

X932，X915.5

A

1004-5309（2011）-0200-06

2011-09-02；修改日期：2011-10-02

公安部消防局應用創(chuàng)新項目（2008XFCX022）

黃鑫（1981-），男，江西贛州人，博士，公安部天津消防研究所助理研究員，主要從事滅火技術及消防標準規(guī)范的研究。