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。
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。
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。
(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%。
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