水基灭火剂发展现状与分析

郭萌萌 侯亚欣

(中国人民警察大学 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

水由于比热容大，一直都是主要的灭火剂。随着科技发展，火灾种类增多，通过加入不同的添加剂提高水的灭火效能，一直是科技工作者致力研发的方向，这通常称之为水系灭火剂。根据喷射时是否产生泡沫将水系灭火剂分为泡沫灭火剂和非泡沫灭火剂2大类。水基灭火剂是指不产生泡沫或者产生较少泡沫的水系灭火剂，分为添加型水基灭火剂和改变水的物理性质的水基灭火剂，其灭火机理为：一是水基灭火剂在流散时，通过析出液体发挥水的冷却作用；二是在燃烧物表面形成水膜，与泡沫层共同隔绝空气，构成隔热屏障，同时液体汽化后，弥散的水蒸气可以降低燃烧物周围的含氧量，产生窒息作用；三是可产生化学抑制作用，与燃烧物反应，生成能有效抑制或降低燃烧时自由基产生的聚合物质，从而破坏燃烧链，阻断燃烧。

水基灭火剂在石油化工领域和高铁、商场等重要场所的应用越来越普遍，然而火灾种类的增多，对水基灭火剂的应用性能提出更高要求。随着科技发展，水基灭火剂在配方、工艺、原材料、标准及应用等方面都取得了大的进展。本文梳理水基灭火剂的发展历程和研究现状，并与其他不同种类灭火剂在性能和标准2方面进行对比分析，从而提出水基灭火剂的应用前景，为以后的技术攻关指明方向。

1 我国水基灭火剂发展历程

从20世纪80年代末，我国开始对水基灭火剂进行较为系统的研发，最早的一系列产品是天津消防研究所研发的SD系列高效水系灭火剂，它基本无毒、腐蚀率低，填补了该类产品的空白。之后，很多学者、研究所、企业纷纷加入水基灭火剂的研究行列，见表1。他们从配方、工艺，剂型、使用方式等方面进行研究，并申请专利。近年来，我国对于水基灭火剂的研究已接近或达到国际水平，研究方向也从最初的提高水的基础灭火性能，向提升环保性、开发新材料、适应多种火灾类型等方向转变。

表1 我国水基灭火剂发展举例Tab.1 Examples of development of water-based fire extinguishing agents in China

2 水基灭火剂技术研究现状

2.1 配方研究现状

添加型水基灭火剂是在水中加入增稠剂、润湿剂、阻燃剂和其他助剂，从而使水的黏性、润湿性能、抗复燃性能、抗冻性能等得以提升，有效扩大水的灭火适用范围，减少水的用量。其中，常见增稠剂分为无机增稠剂如水玻璃，以及有机高分子增稠剂如羧甲基纤维素钠(Carboxymethyl Cellulose，CMC)等；润湿剂属于表面活性剂，多用阴离子型如磺酸盐、硫酸盐等；常见阻燃剂包括以溴系、磷氮系为代表的有机阻燃剂，和以三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝以及硅系等阻燃体系为主的无机阻燃剂。张文成等通过正交实验方法，得出不同添加剂对于缩减灭火时间的贡献为：碳氢表面活性剂>螯合剂>氟碳表面活性剂>乳化剂>抗燃剂>增稠剂>防冻剂，此研究通过调整不同添加剂配比结构，为改善灭火剂的灭火性能提供理论依据。

改变水的物理性质的水基灭火剂，主要包括水成膜泡沫灭火剂(Aqueous Film Forming Foam，AFFF)及改性泡沫灭火剂等，其中，AFFF主要依靠氟碳表面活性剂降低水的表面张力，使其能够在物体表面铺展形成水膜。传统的氟碳表面活性剂为全氟辛烷磺酸(Perfluorooctane Sulfonate，PFOS)、全氟辛酸(Perfluorooctanoic Acid，PFOA)及他们的衍生物，但由于其存在严重的污染性，现已逐渐被禁用，目前对于替代物的研究，主要集中在合成短链(C≤6)氟碳表面活性剂以及无氟表面活性剂如有机硅表面活性剂等。

近年来对于水基灭火剂添加剂的研究主要集中在以下几个方面：

(1)寻求新的添加剂物质，提高水基灭火剂的环保性能。如一种天然生物水系灭火剂，利用高温嗜热菌的芽孢体降解石油烃，同时形成隔热阻燃屏障有效扑灭流淌火。该灭火剂用后可完全被生物降解，彻底解决油品泄漏污染。

(2)研究添加剂物质、配比，以及环境条件等对水基灭火剂灭火效能的影响，寻求扩大水基灭火剂适用范围的优化配方。如小分子有机物、阴离子和非离子表面活性剂的使用均可增强水对于煤粉的渗透性，从而有效熄灭阴燃火并防止其复燃；减少无机盐离子的引入，可以降低灭火剂对设备的腐蚀性，使其更易储藏与运输；改良AFFF中氟碳表面活性剂和抗烧剂的种类及配比，降低其与海水混合时的不稳定性，研发更适合于沿海地区的耐海水型水基灭火剂。

(3)减少添加剂用量，并能提高水基灭火剂的灭火效率。如高分子凝胶灭火剂中高吸水性树脂的添加量仅为0.2%～0.4%，但其锁水能力强、吸热量大，可使水的利用效率提高几十倍；将有机盐与多元醇类物质有机复合，与单一抗凝剂相比能够进一步降低水基灭火剂的凝固点，同时减少抗凝剂的用量，有效解决高纬度、高海拔等低温地区由于灭火剂凝固而使用率较低的问题等。

2.2 工艺发展现状

现阶段水基灭火剂的制作工艺主要有2种，一是先将各种添加剂按比例混合，使用时再按一定比例与水进行预混，如利用该种方法制作水凝胶灭火剂，可以减轻由于其粘性较大而导致灭火剂在设备中传输效率低的问题；二是将各种物质按比例及反应关系依次加入水中，直接混合形成水基灭火剂，然后灌装保存，手提式及简易式水基灭火器中的灭火剂主要采用该种制作方法。

2.3 应用发展现状

水基灭火剂主要用于扑灭A类和非水溶性B类液体的初期火灾。除水本身的冷却作用外，灭火剂可渗透进可燃固体内部，有效抑制火势蔓延，在纸张、织物、木竹等固体火灾的扑救中得以有效利用；水凝胶等粘性较大的灭火剂可覆盖在可燃物表面，添加量少，保水量大，已广泛应用于森林、矿井火灾的扑救中；细水雾兼具气体灭火和水灭火的双重优点，细水雾灭火系统目前在隧道、图书馆、医院、电厂等重要场所普及；AFFF由于其能够在油面上迅速流动，且封闭性能好，被公认为性能最好的油类灭火剂；目前发展的新型水基灭火剂对E类电器火灾具有较好灭火效果，表现出良好的绝缘性能。在实际应用中，水基灭火剂的使用受到制作工艺、配方成本、存放条件、喷洒设备等因素制约，这也导致虽然水基灭火剂的研发种类较多，但能够广泛投入使用的数量有限等问题，在未来仍有较大发展空间。

3 水基灭火剂与其他灭火剂的比较

3.1 性能及应用对比

由于物质性质及灭火机理的不同，不同种类灭火剂的适用范围有所不同，见表2。干粉灭火剂的适用范围最广，尤其是对于活泼性较强的金属火灾，主要依靠干粉灭火剂的窒息作用使其熄灭，但是干粉灭火后会产生大量的残留物，需要进一步清理且容易对人产生刺激，对现场物品造成损伤，因此，对一些存放贵重物品或精密仪器的场所，需要利用气体灭火系统或细水雾灭火系统开展火灾扑救工作。细水雾相较于惰性气体灭火剂的灭火效率更高、环保性更强，在未来有较大发展空间。泡沫灭火剂和水基灭火剂虽然都可用于A、B类火灾的初期扑救，但由于水基灭火剂毒性相对较低，制作工艺相对简单，更适合于人员活动场所的灭火行动，泡沫灭火剂则在工业中的应用较为广泛。

表2 不同种类灭火剂性能及应用对比Tab.2 Comparison of properties and applications of different kinds of fire extinguishing agents

3.2 标准对比

目前国内外针对不同种类灭火剂都制定有相应标准，国内主要以国家标准(GB)为依据，国际上较为权威的是ISO检测标准，此外美国防火协会(National Fire Protection Association，NFPA)制定的相关标准也常作为灭火剂研究与检测的参考标准，见表3。

表3 不同种类灭火剂主要标准对比Tab.3 Comparison of main standards for different types of fire extinguishing agents

我国水基灭火剂的标准是在泡沫灭火剂标准的基础上建立起来的，对于理化性质，如凝固点、抗冻结融化性、pH值、表面张力、腐蚀率的要求以及试验方法与泡沫灭火剂一致，但检测项目少，对于沉淀物、流动性等指标并未做出具体要求。同时，在防火试验方面，对于B类火，要求水基灭火剂能扑灭橡胶工业用溶剂油和99%丙酮的火灾，对于A类火要求能扑灭1A级以上木垛火。此外，国内目前仅对水基灭火剂和气体灭火剂做出毒性检测要求，水基灭火剂仅要求将斑马鱼按规定在其中培养96h，死亡率不超过50%，不仅检测指标少，且标准低，对于环境方面的规范性还有待加强。

与美国NFPA标准相比，我国现行标准尚存在较大差距。NFPA标准中规定的试验项目更多，对腐蚀性、木材纤维板渗透性等指标要求较高，对试样的处理时间要求更长。此外，在毒性检测方面，NFPA标准分别对哺乳动物毒性、浓缩水生生物毒性和浓缩生物降解性做出较为严格的要求，值得借鉴。

4 水基灭火剂未来发展与应用前景

(1)扩展水基灭火剂的适用范围。水基灭火剂的主要物质为水，取材方便且成本较低，这为研发与生产提供天然的物质条件，通过配方、工艺等方面的改良与创新扩大其适用范围，将开拓更大的发展空间。如通过改进AFFF配方，解决低温低压使其粘度和发泡倍数降低、表面张力增大，从而降低其铺展速度，影响其灭火效能的问题，将使水基灭火剂在高原地区的应用更为广泛。

(2)推广先进辅助设备。水基灭火剂的应用受到储存、运输、设备功能等多方面限制，通过对器材技术改良，帮助其效能最大化，将有利于后续的推广与使用。例如，可设计灭火剂在喷射前的自动预混装置，有效改善供水管网或固定水箱中水的灭火性能，从而扩展水基灭火剂的合成及应用场合；进一步深化雾化机理研究，创新开发新型雾化喷头，使其喷洒效果得到进一步改善。

(3)推动多领域融合。近年来，各学科都取得长足发展，对水基灭火剂的研究也应当多领域融合。如利用生物科学手段，寻求适用于水基灭火剂的具备某些特性的微生物，通过生物降解有效降低环保压力；物理科学可分析水基灭火剂的灭火机理，验证其灭火性能；化学科学可以帮助调整水基灭火剂配方从而扩大其应用范围；社会科学可以使水基灭火剂的研发更贴近社会发展需要。

(4)标准化发展。建立健全我国针对水基灭火剂的设计规范以及环保性能评价体系，通过借鉴欧美现行标准，制定符合我国国情的指标与方法，从制度上引领水基灭火剂的发展方向。如在现行标准的基础上，可增加相关防火试验的燃料类型，提高检测标准，对不同类型的水基灭火剂做出有针对性的要求，还可增加生物毒性检测、生物可降解性指标，为水基灭火剂在环境方面表现出的突出问题寻求有效的解决途径。

5 结论

我国对于水基灭火剂配方、工艺等方面的研究已逐渐接近或达到国际水平。水基灭火剂相较于其他种类灭火剂具有成本低、环保性强的优势，同时具备灭火效率高和抗复燃能力强等特点，具有广阔的应用前景。在未来，水基灭火剂温度使用范围，特别是超低温环境，海水淡水、ABCD等火灾种类、火灾场景等的适用性将进一步增强，且更加低碳环保、无腐蚀、无污染；开发适用于水基灭火剂的灭火装置、投送系统，进一步研发水基灭火剂纳米包埋技术，增强其实用性也是未来又一发展方向；另外，修改完善相关检测标准，将为规范水基灭火剂市场、保障其有序发展开辟更为广阔的道路。