新型热气溶胶灭火剂研究

创新者：潘桂森 邵子豪 马志钢 黄孝楠 董聪慧



新型热气溶胶灭火剂研究

创新者：潘桂森 邵子豪 马志钢 黄孝楠 董聪慧

针对当前热气溶胶灭火产品存在的安全隐患，根据灭火剂零氧平衡的设计原则，采用逐一对比各个反应物的燃烧温度，选择双氰胺作为主可燃剂。根据正交实验对比，优化改性剂添加含量，最终设计了一种新型热气溶胶灭火剂。它具有燃烧温度低，残留率少的优点，在安全灭火领域有着广泛的应用前景。

背景资料

长期以来，国内外普遍使用的灭火剂主要有清水灭火剂、干粉灭火剂、惰性气体灭火剂、泡沫灭火剂和哈龙灭火剂等。但是受制于灭火效率及灭火后对环境的影响，上述灭火剂还存在许多局限性。作为一种环保型高效的灭火剂—气溶胶灭火剂越来越受到世界各国科研人员的重视。它以其高灭火效率效、对环境无污染、价格低廉、使用范围广深受人们推崇。

灭火机理

气溶胶灭火剂属于烟火药剂，它灭火的方式是通过燃烧反应后所生成物质的物理和化学共同影响，从而达到灭火效果。它的灭火机理包括物理抑制和化学抑制。

（一）物理抑制：生成产物以全淹没的方式进入火焰区，产物中的固体颗粒物质受热后会发生融化、汽化甚至分解，融化、汽化和分解均会吸热，所以使燃烧温度降低。其次，生成的气态产物主要为惰性气体（H2O、CO2、N2），它们能够起到稀释和隔绝空气中氧气的作用，使燃烧物没有足够的氧气继续燃烧。

（二）化学抑制：生成产物中Sr、K元素以蒸汽和阳离子的形式分散在燃烧空间中，这些离子能够吸附燃烧物中的活性基团·H、·OH、·O，使燃烧受到抑制，极大的降低了燃烧温度。这种抑制作用是巨大的，破坏了燃烧物与活性基团的结合，这也是气溶胶能够灭火的主要机理。

配方选择及实验

（一）氧化剂选择

K类（硝酸钾为主氧化剂）气溶胶灭火剂因其产物中含有大量钾盐，对精密仪器强烈腐蚀，正在被逐渐淘汰，取而代之的是以硝酸锶为主氧化剂，硝酸钾为副氧化剂的S型气溶胶灭火剂。因此，氧化剂选择上，仍然是以硝酸锶为主，硝酸钾为辅。

（二）可燃剂选择

可燃剂尽量选择产热量低，需氧量少，不易吸潮，摩擦和撞击感度较低、价格低廉的药剂。笔者利用基尔霍夫定律和特鲁顿公式进行计算，得出氧化剂KNO3与可燃剂反应的燃烧温度如表1所示。

表1　各种可燃剂配方的最高燃烧温度

温度较低的有淀粉、乳糖、尿素、双氰胺、三聚氰胺，它们将作为备选可燃剂。淀粉易得便宜，但是容易霉变；尿素与盐类混合后极易吸潮；三聚氰胺、乳糖价格较高；故最终选择双氰胺作为可燃剂。

（三）黏合剂选择

黏合剂的选择应充分考虑到燃烧热不能太高，不能影响气溶胶灭火剂的正常燃烧，不易吸潮，便于加工成型。黏合剂添加量一般为总药量的5%。根据实验对比及参阅有关论文，最终选择酚醛树脂作为粘合剂。

（四）改性添加剂选择

改性剂的作用主要是减少灭火时间，降低残留率，提高燃烧稳定性、灭火效率和安定性。笔者除了选择了常见的改性剂，同时还创新性的引入了一种新型含能物质：MK。该物质为黄色粉末状，它具有燃烧迅速，燃温和机械感度较低的特性。笔者通过控制变量法，对分别加入不同改性剂的药剂进行了灭火实验，药剂基础配比：KNO3（15%～20%），SrNO3（43%～48%），双氰胺（15%～20%），酚醛树脂5%，改性剂15%。自制了108L的长方体容器（530mm×340mm×220mm），模拟着火房间。内置直径50mm，深20mm的不锈钢盘，盘内盛装90#汽油，油层厚2cm，模拟着火点。如图1所示.

图1　实验装置布置图

图2　

图3　

图4　

图5　

通过灭火时间（从点燃灭火剂到完全扑灭油盘火的时间）、残留率（燃烧后残留物质的质量占原有灭火剂质量的百分比）的对比，来选择合适的改性剂。灭火实验的典型图片如图2～5所示，图2为点火后2s，图3为点火后4s，图4为点火后6s，图5为点火后8s。

2s时，热气溶胶灭火剂刚刚燃烧产生的烟幕不多，故火焰仍然比较猛烈；4s后，随着烟幕的增多，越来越多的自由基抑制了燃烧反应，故火焰有所收敛；6s后，火焰已极其微弱；8s时，火焰被完全扑灭，灭火成功。通过实验得出，碳酸氢钾、聚乙烯醇、乌洛托品、MK更易适合作为改性剂。

灭火剂中的改性剂含量虽然不大，但是合理添加多种改性剂将大大改观灭火剂的灭火效率。利用正交试验对比，优化四种改性剂的添加含量。所选的为四个因素下的三个水平，碳酸氢钾含量A，聚乙烯醇含量B，乌洛托品含量C，MK含量D。共进行了9组实验，通过实验最终得出合理的药剂的配方组分为：硝酸钾18%，硝酸锶45%，双氰胺15%，酚醛树脂5%，碳酸氢钾3%，聚乙烯醇5%，乌洛托品1.5%，MK7.5%。

结语

通过零氧平衡设计原则和实验对比相结合的方式，设计了一种新型热气溶胶灭火剂配方。其组分为硝酸钾18%，硝酸锶45%，双氰胺15%，酚醛树脂5%，碳酸氢钾3%，聚乙烯醇5%，乌洛托品1.5%，MK7.5%。该灭火剂具有灭火时间短，灭火效率高，残留率低等优点，工程应用前景广阔。

潘桂森 邵子豪 马志钢 黄孝楠 董聪慧

安徽理工大学化学工程学院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.024