灰粉/CMC復(fù)合凝膠耐溫防火特性的研究

常建軍

(山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引言

消防安全是大型工礦企業(yè)、生產(chǎn)制造及加工類企業(yè)日常工作中的重中之重，化工企業(yè)的產(chǎn)品制造、石油及煤炭資源的開采同樣也會(huì)涉及到高溫耐火材料的使用?；曳?CMC復(fù)合凝膠是一種新型的防火材料，CMC即羧甲基纖維素鈉，是一種纖維素膠，遇水會(huì)形成透明的膠體，通過(guò)與灰粉相配比，復(fù)合而形成新的固液混合物凝膠，該膠體具有耐高溫、防滅火的性能[1]。通過(guò)對(duì)該復(fù)合凝膠封堵效果、熱穩(wěn)定性、阻化性等性能的研究，對(duì)其實(shí)際的使用效果進(jìn)行分析。

1 灰粉/CMC復(fù)合凝膠的封堵特性

煤炭、石油以及硝化棉等化工產(chǎn)品具有高溫自燃的特征，如果長(zhǎng)期暴露在溫度較高的空間內(nèi)并與氧氣充分接觸則容易達(dá)到著火點(diǎn)，發(fā)生自燃現(xiàn)象。灰粉/CMC復(fù)合凝膠則具有較高的粘度，通過(guò)與自燃體表面的充分包裹可以有效降低與氧氣的接觸面積防止物體自燃[2]。

1.1 復(fù)合凝膠的滲流性能分析

特別容易自燃的化工用品及煤炭資源長(zhǎng)期安置在密閉空間內(nèi)，且由于較為碎小，常規(guī)方法難以快速隔絕氧氣，此時(shí)需要對(duì)該產(chǎn)品與空氣進(jìn)行注膠隔絕，因此灰粉/CMC復(fù)合凝膠的流動(dòng)性能就顯得很重要[3]。

試驗(yàn)方法：如圖1，以煤炭為例，將直徑為2 cm-5 cm的散煤碎塊放入2 L的玻璃容器內(nèi)，待散落均勻后倒入復(fù)合凝膠，觀測(cè)凝膠的流動(dòng)情況并記錄填滿所有煤體所需要的時(shí)間。

圖1 復(fù)合凝膠充填效果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將配比為2.5%CMC復(fù)合凝膠填滿2 L容器約需要5 min，說(shuō)明凝膠具有良好的流動(dòng)性和充填性，在實(shí)際使用中可以高效地達(dá)到預(yù)防著火的目的。

1.2 復(fù)合凝膠填充封閉性分析

灰粉/CMC復(fù)合凝膠可以更加快速地包裹自燃體的表面，并且不易掉落，減少自燃物體與氧氣接觸反應(yīng)的時(shí)間。

2 復(fù)合凝膠的阻化性

復(fù)合凝膠主要的固相材料是灰粉，煤灰粉中含有氧化鈣、氧化鎂等化學(xué)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)生成的產(chǎn)物，能夠有效填充碎煤之間的縫隙，減少了煤氧接觸面積，進(jìn)而降低了煤吸附氧的能力和速度，從而抑制了煤自身的氧化反應(yīng)。復(fù)合凝膠結(jié)合了灰粉良好的阻煤氧化效果，兼具凝膠良好的流動(dòng)性和充填、堵漏性。

2.1 復(fù)合凝膠的阻化實(shí)驗(yàn)

灰粉作為復(fù)合凝膠的主要固相材料，由于其本身含有比例較高的氧化鈣、氧化鎂等礦物質(zhì)，在經(jīng)過(guò)與CMC化學(xué)反應(yīng)后可以對(duì)可燃體的表面縫隙進(jìn)行填補(bǔ)，抑制氧化反應(yīng)。蓄熱環(huán)境中，膠體的阻化過(guò)程將通過(guò)試驗(yàn)來(lái)完成。

如圖2，蓄熱環(huán)境的模擬裝置主體為由聚四氟乙烯制成的不銹鋼瓶體(可承受最高溫度250 ℃)，瓶?jī)?nèi)主要三部分為：壓緊瓶蓋、氟化硅墊片和取氣孔。瓶體由鼓風(fēng)恒溫箱均勻加熱，瓶?jī)?nèi)其他含量由GC-950型氣體分析儀記錄。

圖2 蓄熱環(huán)境的模擬

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)將以容易自燃的硝化棉為樣品進(jìn)行研究，同時(shí)一起對(duì)比CMC凝膠與水玻璃凝膠、普通泡沫凝膠的阻化性能。實(shí)驗(yàn)方法如下：等分同質(zhì)量的硝化棉樣品18組，每6組與一種凝膠混合均勻后置入80 ℃的恒溫箱中加熱(全程恒溫 80 ℃)3 h，每間隔30 min取出1組樣品再測(cè)試恒溫箱中CO和O2的氣體濃度。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在對(duì)CMC復(fù)合凝膠與水玻璃凝膠、泡沫凝膠的阻化試驗(yàn)中，分別記錄恒溫箱在不同時(shí)間點(diǎn)CO與O2的濃度后得到圖3(a)(b)。如圖所示，在3 h的加熱過(guò)程中，恒溫箱內(nèi)O2濃度均出現(xiàn)不同程度的下降，其中CMC復(fù)合凝膠O2的降幅最小，最后剩余量為17.8%，說(shuō)明復(fù)合凝膠組內(nèi)的硝化棉自燃的耗氧量最小，其次為水玻璃凝膠和普通泡沫凝膠。CO方面，初期1 h內(nèi)水玻璃凝膠和CMC復(fù)合凝膠的生成量基本相同，為0.018 mL，普通泡沫凝膠則遠(yuǎn)高于二者，高達(dá)0.04 mL；隨著氧化反應(yīng)的繼續(xù)，CMC復(fù)合凝膠箱內(nèi)的CO含量的上升也較為平緩，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束為0.035 mL，低于水玻璃和普通泡沫凝膠。說(shuō)明復(fù)合凝膠阻化效果優(yōu)秀，可以在一定時(shí)間內(nèi)惰化硝化棉內(nèi)活化官能團(tuán)并隔絕氧氣。

圖3 密閉環(huán)境下恒溫箱內(nèi)氣體濃度變化

結(jié)論

通過(guò)對(duì)灰粉/CMC復(fù)合凝膠的滲流、堵漏特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)復(fù)合凝膠材料具有較高的粘結(jié)特性和順滑的流動(dòng)特性，配比為2.5%CMC復(fù)合凝膠可以在5 min之內(nèi)快速包裹2 L自燃物體的表面，起到很好的隔絕氧氣、保護(hù)物體的效果。

(2)在密閉堵漏性能的試驗(yàn)中，復(fù)合凝膠相比水玻璃凝膠和普通泡沫凝膠均有更好的堵漏密閉性能。在3 h的恒溫試驗(yàn)中，復(fù)合凝膠的耗氧量、CO生成量均為三者最低。