一種反相泡沫滅火材料的制備及性能研究

卞建峰，賀擁軍，牟國棟

(1.陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710018；2.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

一種反相泡沫滅火材料的制備及性能研究

卞建峰1，賀擁軍2，牟國棟3

(1.陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710018；2.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

制備出一種反相泡沫滅火材料，測試了其流動(dòng)性、穩(wěn)定性和滅火性能，探討了滅火機(jī)理。結(jié)果表明：反相泡沫滅火材料具有固包水型結(jié)構(gòu)，在71 ℃環(huán)境中20天和-18 ℃環(huán)境中30天粒徑和流動(dòng)性沒有變化，撲滅50 cm油盤火和小型木垛火的用量與超細(xì)干粉相當(dāng)。反相泡沫滅火材料能夠同時(shí)發(fā)揮水的冷卻、窒息作用，以及干粉的化學(xué)抑制作用，具有一定的應(yīng)用前景。

反相泡沫；滅火；機(jī)理

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展以及城市化水平的提高，火災(zāi)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失不斷上升，急需高效、清潔、綠色的滅火材料[1]。2010年，我國依據(jù)《蒙特利爾議定書》全面停止鹵代烷類滅火劑(哈龍)的生產(chǎn)和使用，面臨著研究開發(fā)哈龍?zhí)娲a(chǎn)品的迫切任務(wù)。目前，國內(nèi)外哈龍?zhí)娲镏饕ǘ栊詺怏w、二氧化碳、超細(xì)干粉、細(xì)水霧以及熱氣溶膠等。

惰性氣體滅火劑主要通過窒息、降溫等物理作用進(jìn)行滅火[2-3]。惰性氣體來源于大自然，滅火過程潔凈，噴放后不會(huì)引起防護(hù)區(qū)內(nèi)溫度急劇下降，對精密設(shè)備和其它珍貴財(cái)物無傷害，但惰性氣體滅火劑尚存在滅火濃度高和裝備龐大等缺點(diǎn)[2]。二氧化碳的滅火機(jī)理主要是稀釋和窒息作用，同時(shí)還有一定的冷卻效果，有全淹沒和局部應(yīng)用兩種形式。二氧化碳易于制造、來源廣泛、價(jià)格低廉，但二氧化碳滅火劑用量大，滅火濃度高，還存在一定的毒性危害[4]；同時(shí)，二氧化碳雖然不破壞臭氧層，但會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)。超細(xì)干粉滅火劑的粒徑小、流動(dòng)性好，有較好的彌散性和電絕緣性，其滅火機(jī)理是以化學(xué)滅火為主，通過化學(xué)、物理雙重機(jī)能撲滅火焰，既能應(yīng)用于相對封閉空間的全淹沒滅火，也可用于開放場所的局部保護(hù)滅火[5-6]。細(xì)水霧是通過高壓或氣流使流過特殊噴嘴的水形成極細(xì)水滴，既能以局部應(yīng)用形式使用，也能以全淹沒形式應(yīng)用[7]。但細(xì)水霧的滅火能力受空間、噴射角度、噴射動(dòng)能、環(huán)境通風(fēng)、火災(zāi)熱煙氣等諸多因素的影響[8]，必須根據(jù)應(yīng)用場所的特點(diǎn)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)才能保證滅火效果。熱氣溶膠滅火劑是近年來發(fā)展起來的一種新型滅火劑，由氧化劑、還原劑、燃速調(diào)節(jié)劑、黏合劑等組成。熱氣溶膠滅火劑具有滅火效能高、不破壞臭氧層、無毒、固體儲(chǔ)存、安裝維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)[9]，但由于氣溶膠中的微粒對光的吸收和散射作用，可使現(xiàn)場的能見度降低，不能用于人員密集的場所[10]。同時(shí)，氣溶膠中懸浮的固體微粒經(jīng)過一段時(shí)間之后會(huì)發(fā)生沉降，因此在一些有超凈要求的場所也不能使用[11]。

綜上所述，現(xiàn)有各種滅火材料各具優(yōu)點(diǎn)，但也各自存在一定不足之處。因此，為應(yīng)對我國嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢，開發(fā)滅火性能良好、環(huán)境友好和具有成本競爭優(yōu)勢的新型滅火材料仍是一個(gè)重要的課題。

本文對一種反相泡沫滅火材料進(jìn)行研究，該材料是以固體材料為壁材，以磷酸二氫銨、碳酸氫鈉、碳酸銨等具有滅火性能鹽類的水溶液為芯材的核殼材料，并對材料的滅火性能進(jìn)行了測試。

1 反相泡沫滅火材料的制備

將15 g磷酸二氫銨、3 g氯化鈉加入100 mL水中，攪拌得到澄清溶液。給此溶液中加入0.5 g十六烷基三甲基溴化銨、0.2 g十二烷基硫酸鈉和其它助劑，在45 ℃條件下進(jìn)行攪拌反應(yīng)60 min，然后在反應(yīng)混合物中加入氧化鋁、碳酸鈣和其它分散助劑，升溫至55 ℃攪拌30 min，冷卻至室溫，制備出反相泡沫滅火材料。

2 反相泡沫滅火材料的性能

2.1 流動(dòng)性

根據(jù)《表面活性劑 粉體和顆粒休止角的測定》(GB 11986-89)，測量反相泡沫材料的休止角和流出速度。反相泡沫材料的平均休止角為29.39°，流出速度為11.6 mL·s-1，具有較好的流動(dòng)性。

2.2 穩(wěn)定性

反相泡沫滅火材料具有固包水型結(jié)構(gòu)，其含水量超過60%，但外觀仍為粉末狀，具有較好的流散性。圖1為反相泡沫滅火材料照片，圖2為其顯微照片。

圖1 反相泡沫滅火材料

圖2 反相泡沫滅火材料的顯微照片

將反相泡沫滅火材料放入20 mL試管中，用橡膠塞封口放入71 ℃烘箱中。一定時(shí)間后取出滅火材料，測定其粒徑變化，結(jié)果表明滅火材料在71 ℃環(huán)境中20天粒徑?jīng)]有顯著變化。用沙鐘測試表明，滅火材料的流動(dòng)性沒有變化。

將反相泡沫滅火材料放入塑料袋中密封，置入-18 ℃的冰箱冷凍箱中。一定時(shí)間后取出，測定粒徑變化，結(jié)果表明滅火材料在-18 ℃環(huán)境中30天粒徑?jīng)]有顯著變化。用沙鐘測試表明，滅火材料的流動(dòng)性沒有變化。

這證明反相泡沫滅火材料對環(huán)境溫度變化具有一定的抵抗能力。這可能是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度變化，反相泡沫滅火材料的水核發(fā)生輕微膨脹或者收縮，其固體殼層也發(fā)生了相應(yīng)形變，能夠保持原有的結(jié)構(gòu)。

2.3 滅火性能

2.3.1 滅B類火

用50 cm油盤測試反相泡沫滅火材料撲滅B類火性能。每次加水35 L，加汽油800 mL。給1 000 g扁球形固定式滅火器中加入滅火材料，充壓至1.2 MPa。滅火器噴口距油面1.5 m，用小藥包啟動(dòng)滅火器。拍攝視頻記錄滅火過程和滅火時(shí)間。若油盤火撲滅，則減少滅火材料的裝入量，測出撲滅油盤火的最小滅火劑用量。用上述同樣方法進(jìn)行某品牌超細(xì)干粉的滅火性能測試。

當(dāng)反相泡沫滅火材料的用量為150 g、130 g、110 g、100 g時(shí)，均能撲滅油盤火。而當(dāng)滅火材料用量為90 g時(shí)，撲滅油盤火的概率為50%，因而可以確定反相泡沫滅火材料撲滅50 cm油盤火的最小用量為100 g。這與某品牌超細(xì)干粉的用量相當(dāng)。滅火過程如圖3所示。

2.3.2 滅A類火

用3 cm×3 cm×40 cm松木棒釘成小型木垛。

圖3 反相泡沫材料撲滅油盤火過程

木垛每層有4個(gè)松木棒，共8層。用盛有300 mL汽油和500 mL水、邊長20 cm的油盤引燃木垛2 min，然后讓木垛自燃2 min。用手提式滅火器滅火，火焰撲滅后15 min不復(fù)燃為滅火成功。用上述同樣方法進(jìn)行某品牌超細(xì)干粉的滅火性能測試。

當(dāng)反相泡沫滅火材料的用量為800 g、750 g、700 g、650 g時(shí)，均能撲滅木垛火。而當(dāng)用量為600 g時(shí)，撲滅木垛火的概率小于50%，因而可以確定反相泡沫滅火材料撲滅該木垛火的最小用量為650 g，也接近某品牌超細(xì)干粉的用量。滅火過程如圖4所示。

2.3.3 滅火機(jī)理

反相泡沫滅火材料是一種外層為固體、內(nèi)層為水溶液的核殼材料。當(dāng)反相泡沫滅火材料與火焰接觸時(shí)，其殼層受熱破裂，核層的水溶液迅速蒸發(fā)，水溶液中的磷酸二氫銨等鹽類析出形成細(xì)小晶粒。水蒸發(fā)對火焰具有冷卻和窒息作用，而磷酸二氫銨等鹽類小晶粒對火焰具有化學(xué)抑制作用。因此，反相泡沫滅火材料撲滅火焰結(jié)合了干粉的化學(xué)作用和水的物理作用。

與干粉滅火劑相比，反相泡沫滅火材料除了具有化學(xué)滅火作用外，冷卻作用更強(qiáng)。與水相比，反相泡沫滅火材料把水束縛在固體殼體內(nèi)，有效限制了水的自由流動(dòng)，具有一定的堆積性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，降低滅火時(shí)水造成的二次災(zāi)害。反相泡沫滅火材料同時(shí)具有干粉滅火劑和水滅火的優(yōu)點(diǎn)，而在一定程度上克服了兩者的缺點(diǎn)。

圖4 反相泡沫材料撲滅木垛火過程

3 結(jié)束語

反相泡沫滅火材料為一種固包水的核殼結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有水的冷卻、窒息作用，以及干粉的化學(xué)抑制作用；反相泡沫滅火材料的滅火性能與超細(xì)干粉相當(dāng)。反相泡沫滅火材料具有一定的應(yīng)用前景，但其滅火機(jī)理的細(xì)節(jié)還需要深入研究。

[1] 2008-2013年全國火災(zāi)情況分析[EB/OL].http://www.119.gov.cn/xiaofang/nbnj/20476.htm.

[2] 劉海生,張鑫磊,宋麗霞.基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的全國火災(zāi)形勢綜合評價(jià)與預(yù)測[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2011,21(6):73-77.

[3] ZHOU X M,LIAO G X,CAI B.Improvement of Water Mist Fire-extinguishing Efficiency with MC Additive[J].Fire Safety Journal,2006,41(1):39-45.

[4] LIU Z,KIM A K.A Review of Water Mist Fire Suppression Systems-fundamental Studies[J].Journal of Fire Protection Engineering,2000,10(30):32-50.

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[11] 郎需慶,陶彬,張玉平,等.超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)撲救儲(chǔ)罐火災(zāi)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2013,32(8):878-890.

(責(zé)任編輯 陳 華)

A Study on the Preparation and Performance of a Reversed-phase Foam Fire Suppressant

BIAN Jian-feng1, HE Yong-jun2, MOU Guo-dong3

(1.FireCropsofShanxiProvince,Xi’an710018,China; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,ShanxiProvince710054,China; 3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,ShanxiProvince710054,China)

A reversed-phase foam fire suppressant was prepared. The fluidity, stability and fire extinguishing performance of the new fire suppressant were investigated, and the fire extinguishing mechanism was discussed. The results showed that the new fire suppressant had a water-in-solid structure. The particle size and fluidity of the new fire suppressant did not change at 71 ℃ for 20 days and at -18 ℃ for 30 days. The amount of the new fire suppressant for extinguishing a 50 cm oil pan fire was comparative to that of super fine powders. The new fire suppressant had the cooling effect of water as well as the chemical inhibition of dry powders, and had a promising application in the future.

reversed-phase foam; fire extinguishing; mechanism

2014-11-25

卞建峰(1962— )，男，陜西西安人，高級工程師； 賀擁軍(1967— )，男，陜西西安人，教授； 牟國棟(1957— )，男，陜西西安人，教授。

TQ569

A

1008-2077(2015)04-0041-04