新型熱氣溶膠滅火劑研究

創(chuàng)新者：潘桂森 邵子豪 馬志鋼 黃孝楠 董聰慧

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新型熱氣溶膠滅火劑研究

創(chuàng)新者：潘桂森 邵子豪 馬志鋼 黃孝楠 董聰慧

針對當前熱氣溶膠滅火產(chǎn)品存在的安全隱患，根據(jù)滅火劑零氧平衡的設(shè)計原則，采用逐一對比各個反應(yīng)物的燃燒溫度，選擇雙氰胺作為主可燃劑。根據(jù)正交實驗對比，優(yōu)化改性劑添加含量，最終設(shè)計了一種新型熱氣溶膠滅火劑。它具有燃燒溫度低，殘留率少的優(yōu)點，在安全滅火領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

背景資料

長期以來，國內(nèi)外普遍使用的滅火劑主要有清水滅火劑、干粉滅火劑、惰性氣體滅火劑、泡沫滅火劑和哈龍滅火劑等。但是受制于滅火效率及滅火后對環(huán)境的影響，上述滅火劑還存在許多局限性。作為一種環(huán)保型高效的滅火劑—氣溶膠滅火劑越來越受到世界各國科研人員的重視。它以其高滅火效率效、對環(huán)境無污染、價格低廉、使用范圍廣深受人們推崇。

滅火機理

氣溶膠滅火劑屬于煙火藥劑，它滅火的方式是通過燃燒反應(yīng)后所生成物質(zhì)的物理和化學(xué)共同影響，從而達到滅火效果。它的滅火機理包括物理抑制和化學(xué)抑制。

（一）物理抑制：生成產(chǎn)物以全淹沒的方式進入火焰區(qū)，產(chǎn)物中的固體顆粒物質(zhì)受熱后會發(fā)生融化、汽化甚至分解，融化、汽化和分解均會吸熱，所以使燃燒溫度降低。其次，生成的氣態(tài)產(chǎn)物主要為惰性氣體（H2O、CO2、N2），它們能夠起到稀釋和隔絕空氣中氧氣的作用，使燃燒物沒有足夠的氧氣繼續(xù)燃燒。

（二）化學(xué)抑制：生成產(chǎn)物中Sr、K元素以蒸汽和陽離子的形式分散在燃燒空間中，這些離子能夠吸附燃燒物中的活性基團·H、·OH、·O，使燃燒受到抑制，極大的降低了燃燒溫度。這種抑制作用是巨大的，破壞了燃燒物與活性基團的結(jié)合，這也是氣溶膠能夠滅火的主要機理。

配方選擇及實驗

（一）氧化劑選擇

K類（硝酸鉀為主氧化劑）氣溶膠滅火劑因其產(chǎn)物中含有大量鉀鹽，對精密儀器強烈腐蝕，正在被逐漸淘汰，取而代之的是以硝酸鍶為主氧化劑，硝酸鉀為副氧化劑的S型氣溶膠滅火劑。因此，氧化劑選擇上，仍然是以硝酸鍶為主，硝酸鉀為輔。

（二）可燃劑選擇

可燃劑盡量選擇產(chǎn)熱量低，需氧量少，不易吸潮，摩擦和撞擊感度較低、價格低廉的藥劑。筆者利用基爾霍夫定律和特魯頓公式進行計算，得出氧化劑KNO3與可燃劑反應(yīng)的燃燒溫度如表1所示。

表1　各種可燃劑配方的最高燃燒溫度

溫度較低的有淀粉、乳糖、尿素、雙氰胺、三聚氰胺，它們將作為備選可燃劑。淀粉易得便宜，但是容易霉變；尿素與鹽類混合后極易吸潮；三聚氰胺、乳糖價格較高；故最終選擇雙氰胺作為可燃劑。

（三）黏合劑選擇

黏合劑的選擇應(yīng)充分考慮到燃燒熱不能太高，不能影響氣溶膠滅火劑的正常燃燒，不易吸潮，便于加工成型。黏合劑添加量一般為總藥量的5%。根據(jù)實驗對比及參閱有關(guān)論文，最終選擇酚醛樹脂作為粘合劑。

（四）改性添加劑選擇

改性劑的作用主要是減少滅火時間，降低殘留率，提高燃燒穩(wěn)定性、滅火效率和安定性。筆者除了選擇了常見的改性劑，同時還創(chuàng)新性的引入了一種新型含能物質(zhì)：MK。該物質(zhì)為黃色粉末狀，它具有燃燒迅速，燃溫和機械感度較低的特性。筆者通過控制變量法，對分別加入不同改性劑的藥劑進行了滅火實驗，藥劑基礎(chǔ)配比：KNO3（15%～20%），SrNO3（43%～48%），雙氰胺（15%～20%），酚醛樹脂5%，改性劑15%。自制了108L的長方體容器（530mm×340mm×220mm），模擬著火房間。內(nèi)置直徑50mm，深20mm的不銹鋼盤，盤內(nèi)盛裝90#汽油，油層厚2cm，模擬著火點。如圖1所示.

圖1　實驗裝置布置圖

圖2　

圖3　

圖4　

圖5　

通過滅火時間（從點燃滅火劑到完全撲滅油盤火的時間）、殘留率（燃燒后殘留物質(zhì)的質(zhì)量占原有滅火劑質(zhì)量的百分比）的對比，來選擇合適的改性劑。滅火實驗的典型圖片如圖2～5所示，圖2為點火后2s，圖3為點火后4s，圖4為點火后6s，圖5為點火后8s。

2s時，熱氣溶膠滅火劑剛剛?cè)紵a(chǎn)生的煙幕不多，故火焰仍然比較猛烈；4s后，隨著煙幕的增多，越來越多的自由基抑制了燃燒反應(yīng)，故火焰有所收斂；6s后，火焰已極其微弱；8s時，火焰被完全撲滅，滅火成功。通過實驗得出，碳酸氫鉀、聚乙烯醇、烏洛托品、MK更易適合作為改性劑。

滅火劑中的改性劑含量雖然不大，但是合理添加多種改性劑將大大改觀滅火劑的滅火效率。利用正交試驗對比，優(yōu)化四種改性劑的添加含量。所選的為四個因素下的三個水平，碳酸氫鉀含量A，聚乙烯醇含量B，烏洛托品含量C，MK含量D。共進行了9組實驗，通過實驗最終得出合理的藥劑的配方組分為：硝酸鉀18%，硝酸鍶45%，雙氰胺15%，酚醛樹脂5%，碳酸氫鉀3%，聚乙烯醇5%，烏洛托品1.5%，MK7.5%。

結(jié)語

通過零氧平衡設(shè)計原則和實驗對比相結(jié)合的方式，設(shè)計了一種新型熱氣溶膠滅火劑配方。其組分為硝酸鉀18%，硝酸鍶45%，雙氰胺15%，酚醛樹脂5%，碳酸氫鉀3%，聚乙烯醇5%，烏洛托品1.5%，MK7.5%。該滅火劑具有滅火時間短，滅火效率高，殘留率低等優(yōu)點，工程應(yīng)用前景廣闊。

潘桂森 邵子豪 馬志鋼 黃孝楠 董聰慧

安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.024