新型干粉灭火剂研究

新型干粉灭火剂研究1前言千粉灭火剂是一类干燥、流动性好的微细固体粉末，主要由一种或多种具有灭火能力的微细无机粉末和各类添加剂如防潮剂、防结块剂、流动促进剂、染色剂等构成。其中灭火粒子粒径大小及分布对灭火效果有很大影响。然而，传统干粉灭火剂由于自身某些缺陷有时在实际应用，1，受到很大限制。为了不断满足社会对干粉灭火剂综合性能更高、更完美的需求，消防科研人员在常规干粉灭火剂基础上不断探索、研究新型高效干粉灭火剂，一方面使其不断满足社会发展的需求，另一方面进一步丰富和拓宽了干粉灭火剂研究领域。本文就日前新型高效干粉灭火剂研究情况作以概述。2超细干粉灭火剂常规干粉火火剂粒度在10～75pm之间，这种粒子弥散性较差，比表面积相对较小，因此，定量干粉所具行的总比表面积小，单个粒子质量较大，沉降速度较快，受热时分解速度慢，导致捕捉自由基的能力较小，故灭火能力受到限制，在一定程度上限制了干粉灭火剂的使用范围。干粉灭火剂粒子粒径与其灭火效能直接相关，灭火组分临界粒径愈大，灭火效果愈好。所以，制备在着火空间内均匀分散、悬浮的超细高效灭火粉体，降低单位空间火火剂使用量是提高干粉灭火剂灭火效能的一种很有效的手段。2．1超细干粉灭火剂单位灭火剂灭火效能与灭火剂粒子粒径密切相关。国标中能检测到的最小粒径为40um，小于此值的粒子如何分布却没有具体指明，而实际上各类灭火粒子临界粒径大都小于此值。例如：K2SO4为16um,NaHCO3、NaCI为20um，NH4H2SO4为30um。因此，若将灭火剂粒子粒径减少至临界粒径时，灭火效能将会大大提高。例如，采用粒径小于20um的K2SO4制备干粉火火剂，仅20％的用量就发现其灭火效能比普通K2SO4灭火剂高出121％；粒径小于43um的NaHCO3灭火剂的灭火效能是普通型的221％，灭火效能提高一倍多[1]。当干粉灭火剂粒径小于临界粒径时，灭火剂粒子全部起灭火作用，干粉灭火效能大大提高，用量明显减少。将灭火剂粒径减少至5um，甚至0.5um时，灭火效能急剧上升，灭火效能是常规灭火剂能力的几十倍，用量也仅为其百分之几。主要原因是：超细粉体比表面积大，活性高，易形成均匀分散、悬浮于空气中相对稳定的气溶胶，受热时分解速度快，捕获自由基能力强，故灭火效能急剧提高。文献记载：英国KIDD公司研制出粒径〈5um的碳酸氢钾超细高效干粉灭火剂，经全淹没式灭火实验表明：灭火效能是一般灭火剂的10倍[2]。张巍[3]等采用水相合成法制备磷酸铵盐干粉灭火剂，以磷酸二氢铵为主料，加入滑石粉、云母粉、活性白土、硅油、白炭黑、硅酸钠等辅料，成功地制备出粒径在100～500nm的超微细磷酸铵盐干粉灭火剂。该干粉灭火剂价格较低，灭火效果佳，推广后有望产生较大经济效益和社会效益。超细灭火粒子由于比表面积大，活性高，能在空气中悬浮数分钟，形成相对稳定的气溶胶，所以不仅灭火效能很高，且使用方法也完全不同于一般传统干粉灭火剂，它类似卤代烷淹没式灭火。例如，KHCO3气溶胶灭火浓度仅为1301卤代烷的2.0％，但灭火效能相当于它的50倍，且灭火后沉积物不明显，对火场造成污染很少[1]。KHCO3、NaCI、KCl、K2SO4、NH4H2PO4、NaHCO3都可以用来制备气溶胶灭火剂。气溶胶灭火剂粒径要求5um，最好低于0.5um。气溶胶目前已经成为独立的新的研究领域。2．2纳米干粉灭火剂研究当前在全世界范围内掀起了纳米技术研究热潮，纳米材料研究日新月异，新成果不断涌现，如今纳米科技的研究几乎渗透到材料的各个领域中，纳米技术的问世使传统材料面临一场深刻的技术革命。纳米粒子因其独特的尺寸效应、局域场效应、量子效应而表现出常规材料所不具备的优异性能。当灭火剂颗粒变小至纳米尺寸时，粒子不再是惰性体，而变为化学活性物质。因其表面原子严重缺乏，导致化学活性很高。纳米灭火剂粒子在火场中与火焰接触面积成千上万倍地增加，纳米粉末对自由基的吸附、捕捉能力也将大大增加，因此，灭火效能急剧捉高。所以利用纳米技术制备纳米哪——粉灭火剂，将灭火粒子粒径缩小至纳米尺寸日寸，纳米干粉灭火剂所呈现出的卓越灭火效能和微小灭火用量将彻底改变目前人们对常规干粉灭火剂的看法、观点，而将干粉灭火剂的研究推进一个崭新时代[4]。然而，目前纳米干粉灭火剂仅处于实验室研究阶段，虽具有极佳的应用前景，但距离大规模工业生产尚有很大距离。因为目前纳米技术整体还处于实验室探索研究中，实现工业化的极少，纳米制备技术还不完善，工业化要等l0～20年后。同样纳米干粉灭火剂工艺很复杂，且纳米粒子不稳定，生产：成本高，这些因素制约着纳米厂粉火火剂的推广使用。然而，随着纳米技术的成熟及其工业化、产业化，在不久将来纳米干粉灭火剂终将面世，将极大地促进干粉灭火剂的推广和使用，是干粉灭火剂未来发展的重要方向。3催化型干粉灭火剂[1]在普通十粉灭火剂中加入某些微量的金属盐或强酸，则火火效能会显著增加。这些加入的微量物质相当于催化剂，对灭火效果起着很明显的催化作用，故将这类加入过微量金属盐或强酸的十粉称为催化型干粉灭火剂。将强酸吸附到粒径小于10um的多孔物料如r—Al2O3、沸石、环糊精等中，然后加入干粉内，可使干粉灭火剂火火效能提高2．5～3倍。吸附有强酸的多孔物料在100℃可长期安全贮存而无腐蚀性。强酸的催化效果次序如下：HIHBrH3PO4H2SO4HNO3。受热分解能产生强酸的物质如氨基酸无机酸盐、烷基卤化物等对碳酸氢钠、磷酸铵盐、monnex干粉灭火剂均有催化作用。水溶性Cu、Ni、Mn、Co、Cr、Fc金属盐可作为多种干粉火火剂的催化刑。这些金属盐以水溶液形式沉淀到灭火组分表面，如用量仅为0．1％～10％的NiCl2、COCl2、Cr2SO4可显著提高灭火剂灭火效能。此外，红磷和黑磷及黄磷异构体是磷酸铵盐灭火剂的良好催化剂，使用时可以是简单添加或用有机(可溶性苯酚树脂)、尤机[Mg(OH)2、Al(OH)3]物，还可以是二者混合物包覆使用。4载体型干粉灭火剂[1]将灭火组分吸附或结晶、包覆于固体物料表面制备的干粉灭火剂称载体型干粉灭火剂。干粉灭火剂灭火时，只有临界粒径以下小粒子全部起灭火作用，大粒子仅表面层起灭火作用，灭火效果与粒子比表面积密切相关。因此，将灭火组分负载到廉价、多孔、大比表面积载体上，不但使灭火粒子比表面积大大增加，还相应地减少了灭火剂使用量，既有利于灭火效能充分发挥，还降低了生产成本。如同化学工程中的负载型金属催化剂一样，有时利用载体技术来制备一些灭火效能非常高而价格异常昂贵的特殊高效灭火剂。载体有水溶型和非水溶型之分。非水溶型主要为一些比表面积大的矿物如Al2IO3、沸石、珍珠岩、膨润土、石棉等。水溶型载体在非水溶剂中载上灭火组分，非水溶型载体在水溶剂中负载上灭火组分。例如，在NH4HCO3或(NH4)2CO3水溶液存在下，monnex粒子经浸渍后吸附在Al2O3、沸石等载体上，然后一起经共同喷雾干燥制成负载型monnex干粉灭火剂。负载型灭火剂的内核为Al2O3、沸石等，外表面覆盖着起灭火作用的monnex。细度为80目的碳酸钠亦可做载体，因为水溶性载体通常以粒子状态分散到环己烷有机溶剂中去，然后滴加溶有草酸的乙醇溶液，草酸从乙醇中析出，在碳酸钠表面结晶，可制得以碳酸钠为载体的草酸干粉。这样将价格昂贵而灭火效能极高的有机羧酸盐灭火剂负载于廉价易得的载体上，既节约了成本又能充分发挥灭火效能。卤代烷灭火效率高，灭火后无残留物，对火场无污染，但喷射距离短，灭火效能的发挥受到限制。但经过一定特殊工艺处理，如采用藻酸钠或热塑性塑料包覆卤代烷粒子，可得到球状干粉灭火剂。它可以像普通干粉灭火剂一样喷射到火焰中，受热包覆层快速破裂，卤代烷迅速释放出来而发挥灭火作用。这种包覆处理技术既能发挥、提高卤代烷的高灭火性能，又克服了其自身弊病。5多元组分干粉灭火剂[1.5]将自身具有灭火效能的各个灭火剂组分按照一定性质和比例混合可制得灭火性能更佳的多组分干粉灭火剂，这种多组分灭火剂称为多元干粉灭火剂。在碳酸氢钠干粉灭火剂中如加入适量氯化钠、氯化钾，则灭B、C类火灾的干粉最小用量降低一半，而灭火效能提高一倍多。氯化钠、氯化钾晶体性脆易于粉碎，如果预先降低其水分含量，则会产生更多超细粉末。氯化钠、氯化钾粒子临界粒径比碳酸氢钠大25％，因此，真正起灭火作用的粒子比例远比碳酸氢钠高，故混合粉体灭火效能显著提高。以碳酸氢钠为主料，添加相关添料后，不但能有效扑灭钠、钾、镁、铝、镁铝合金、钠钾合金等金属火灾，还能灭B、C类火灾，属于真正的BCD新型干粉灭火剂。碳酸氢钠受热分解产物碳酸钠和二氧化碳和钠燃烧产物氧化钠反应，生成不透气的惰性阻燃物质覆盖层，隔绝空气，从而窒息灭火，并防止复燃。该新型干粉目前已经在国内生产。往磷酸二氢铵千粉灭火剂中加入25％～30％硫酸钾,不但灭火效能提高，还可以灭轻金属火灾。如加入15％--35％氯化钠、氯化钾，灭木材火效能提高25％～30％，火煤油火效能提高2倍，还可以灭轻金属火灾：加入硫酸铵15％～30％，综合灭火效能提高，可灭ABCD类火；倘若将磷酸铵盐与碳酸氢钠用一定特殊下工艺各自相互隔离、包覆，制备出的混合灭火剂灭油类火灾效能极高。氯化钠无法扑灭A类火灾，如与某些低熔点化合物如磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、氯化钠、氯化钾等混合起来，便成为真正意义上的ABCD干粉灭火剂。如添加适量分子式中含酰胺键、熔点在100。C以上的化合物，可进一步提高灭B、C类火灾的能力。氯化钠单独用来灭金属火灾时效果不佳，因为无法生成致密覆盖层不能对燃烧造成窒息作用。以氯化钠为主料的D干粉，在配方中加入适量添加剂，灭金属钠火灾时灭火剂可以形成致密覆盖层，该覆盖层平坦、坚硬，能有效地起到覆盖、窒息火火作用。对此覆盖层进行剖面分析，发现覆盖层明显分为三层：外层灰色，为干粉部分分解产物和烧结物；中层黑色，为干粉与钠反应残留物；内层深灰色，为与干粉有限反应物，该层致密不透气，对灭火起关键作用。中层、外层是保护层，保护内层不受机械力破坏。灭金属镁火灾时，在燃烧的镁表面能形灰白色覆盖层，且干粉对垂直和水平燃烧表面有良好的附着性能和覆盖能力。该新型于粉目前在国内已有产品。此外，某些有机、无机卤化物，碱金属羧酸盐如NH4Br，自身灭火效能很高，添加少量到干粉中能显著改善、提高干粉灭火效能。NH4Br灭火效能为碳酸氢钠的4倍，添加5.0％的NH4Br可使碳酸氢钠用量减少20％。6其它新型干粉灭火剂研究张宝瑞[6]利用硼镁泥作为主料制作了硼镁泥干粉灭火剂。硼镁泥为硼砂厂生产硼砂过程中排放的工业废渣，用它来制作干粉灭火剂，不但缓解了碳酸氢钠物资的紧缺压力，还为硼镁泥废渣综合利用提供了新路子。在该灭火剂中，碳酸氢钠占6％，硼镁泥占80％--90％，其余为硝酸钾约3％，氨基磺酸1％。硼镁泥主要化学成分为MgCO3，硼镁泥粒子平均粒径15um，小于14um的比例占88％，粒子表面多孔，比表面积很大，吸附性很强。其化学成分分析数据结果见表1。灭火原理：燃烧是一种靠活性自由基不断传递而进行的剧烈链式氧化反应。在火焰高温作用下，硼镁泥颗粒迅速爆裂成许多更细小的颗粒粉末，这样与火焰接触的表面积进一步急剧增加。由于硼镁泥粒子比表面积迅速增加，火焰燃烧中产生的大量活性基团在遇到细小且吸附性能很强的硼镁泥粉末时，自由基迅速被吸附、捕捉，吸附在硼镁泥粒子表面的活性自由基接着发生化学反应，生成非活性物质，使维持链式燃烧反应得以持续进行的自由基浓度降低，连锁燃烧反应被终止。此外，硼镁泥高温分解生成氧化镁和二氧化碳，以及氨基磺酸和硼镁泥高温反应生成水和二氧化碳，这些物质均对燃烧反应有冷却和稀释燃烧区氧气的作用，从而使硼镁泥干粉灭火剂表现出更高的灭火效能。就物理性能和灭火效果与碳酸氢钠灭火剂进行了实验对比，结果发现硼镁泥干粉灭火剂与碳酸氢钠灭火剂在灭火时间和常规检验指标上很接近。研制硼镁泥干粉灭火剂的成本仅为BC灭火剂的1/2～1/3，大大降低了成本，且使硼镁泥工业废渣变废为宝，减少了环境污染。该新型环保干粉灭火剂宜继续不断研制和完善，值得推广。胡炳成[7