超細(xì)微粒抑油劑的制備及性能研究

超細(xì)微粒抑油劑的制備及性能研究

0碳酸氫鈉充填材料滅火能力普通粉末的粒度通常大于20m，主要用于局部火災(zāi)的保護(hù)。而研究發(fā)現(xiàn),如果進(jìn)一步降低普通干粉滅火劑的粒度,則不僅改變微粒的流動(dòng)特征,而且能大大提高其滅火效率。Kibert等的試驗(yàn)結(jié)果表明,許多干粉滅火劑存在一個(gè)臨界粒徑,當(dāng)干粉微粒的粒徑小于該尺寸時(shí),干粉的滅火效率大幅提高。而Chelliah等同樣發(fā)現(xiàn),碳酸氫鈉滅火劑的滅火效率隨著粒徑的減小而提高,撲滅相同強(qiáng)度火焰所用的碳酸氫鈉滅火劑的量也隨之減少。Chattaway等對(duì)比了超細(xì)碳酸氫鈉、超細(xì)碳酸氫鉀滅火劑和普通碳酸氫鈉及碳酸氫鉀干粉滅火劑的滅火效率,并進(jìn)行了定量研究。結(jié)果表明,超細(xì)碳酸氫鈉、超細(xì)碳酸氫鉀滅火劑的滅火能力是普通干粉類碳酸氫鈉、碳酸氫鉀的6～10倍。唐聰明等采用超音速氣流粉碎機(jī)和特殊的表面處理方法對(duì)磷酸銨鹽干粉進(jìn)行超細(xì)化和硅化處理,制備出了平均粒徑為7.28μm的超細(xì)磷酸銨鹽系列干粉滅火劑。將超細(xì)化后的磷酸銨鹽干粉滅火劑充裝在手提式滅火器中,與普通磷酸銨鹽干粉滅火劑進(jìn)行局部滅火對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),有效滅火次數(shù)由原來(lái)的2次增加到6次,有效滅火時(shí)間由原來(lái)的4s縮短到1s,其滅火效能約為普通型的4倍。張巍等采用水相合成法制備磷酸銨鹽干粉滅火劑,以磷酸二氫銨為主料,加入滑石粉、云母粉、活性白土、硅油、白炭黑、硅酸鈉等輔料,成功制備了粒徑在100～500nm的超細(xì)磷酸銨鹽干粉滅火劑。國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者在超細(xì)粉體滅火劑研究方面取得了一些進(jìn)展,進(jìn)行了一些超細(xì)干粉滅火劑的表面處理與施放裝置的研究。此外,國(guó)內(nèi)一些企業(yè)如蘇州吳越合成化工廠、武漢綠色消防器材有限公司等也研制開(kāi)發(fā)了某些超細(xì)粉體滅火劑,并對(duì)其滅火性能制定了一些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本文擬研究不同粒度的磷酸二氫銨微粒滅火劑在全淹沒(méi)條件下施放后的彌漫特征,以及其對(duì)B類火焰作用的有效性。1實(shí)驗(yàn)1.1示例1南京加熱器有限公司試樣原料磷酸銨鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的ABC干粉,由南京消防器材股份有限公司提供。將ABC干粉在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行超細(xì)化處理,在高速混合機(jī)中用硅油進(jìn)行表面改性處理。2執(zhí)法試塊制備磷酸二氫銨微粒滅火劑通過(guò)XS-212型光學(xué)顯微鏡測(cè)定其體積平均直徑。測(cè)定時(shí)在電子天平上稱取(1.0±0.2)mg的滅火劑粉末,將其移至載玻片上,在滅火劑粉末上加一滴香柏油,用玻璃棒的側(cè)面將粉末與液體進(jìn)行混合,并在玻片的中央部位上前后摩擦分散粉體。玻璃片可稍加熱,以促使香柏油的蒸發(fā)。繼續(xù)進(jìn)行摩擦直至微粒固定在玻片上為止。最后,將玻棒輕輕上舉,使其以楔形的形式離開(kāi)薄膜,形成微粒的梯度分布。蓋上蓋玻片,將試樣玻片置于顯微鏡下,調(diào)整視場(chǎng)亮度,用10倍物鏡尋找試樣,找到后,改用100倍物鏡進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì),共統(tǒng)計(jì)3個(gè)不同視場(chǎng)內(nèi)的微粒,然后,按式(1)計(jì)算該滅火劑的體積平均直徑。式中dvˉˉˉdvˉ為微粒體積平均直徑;di為某一粒徑范圍的中心值,粒徑范圍分別為0～2μm,2～5μm,5～10μm,10～20μm和20μm以上;ni為落在該粒徑范圍內(nèi)的滅火劑顆粒數(shù)。觀測(cè)顆?？倲?shù)在1500粒以上,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。1.2油罐火在滅火室中的位置火焰類型為B類油火。油罐高12cm,內(nèi)徑8cm。罐內(nèi)用清水墊底,倒入1cm厚的汽油。油罐火在滅火室中的位置見(jiàn)圖1。滅火裝置為1L容積的手提倒置式滅火裝置,噴嘴口徑為3.74mm,充氣壓力為1.2MPa,固定在滅火室的噴口處進(jìn)行滅火。1.2.1聚合物納米藥劑實(shí)驗(yàn)為考察微粒在空氣中的滯留時(shí)間與粒度之間的關(guān)系,使用了平均粒度為5.69μm的滅火劑進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)。將1組表面皿放置于圖1所示滅火室內(nèi)的地面上,不點(diǎn)燃油罐火。從滅火劑施放開(kāi)始,定時(shí)取出1個(gè)表面皿,以獲得該時(shí)段沉降下來(lái)的滅火劑樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)定表面皿中的微粒粒度。為考察微粒滅火劑在驅(qū)動(dòng)氣體的作用下在滅火室內(nèi)的流動(dòng)分布情況,采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)布置圖,將滅火室底部劃分為64個(gè)20cm×20cm的區(qū)域。因滅火室在噴氣口噴射方向上左右對(duì)稱分布,右半部分的滅火劑質(zhì)量分布規(guī)律與左半部分相似,故取滅火室的左半部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)20cm×20cm的區(qū)域中心擺放一個(gè)直徑為16cm的圓形滅火劑收集盤(pán),共有4行32個(gè)滅火劑收集盤(pán)。測(cè)定微粒滅火劑在滅火室內(nèi)的流動(dòng)分布特征時(shí),用充氣壓力為0.9MPa,噴嘴口徑為3.74mm的滅火裝置向滅火室內(nèi)噴射一定質(zhì)量的滅火劑。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,微粒滅火劑在滅火室內(nèi)基本沉降下來(lái)后,收集滅火室內(nèi)沉積在滅火劑收集盤(pán)上的微粒滅火劑,并稱量它們的質(zhì)量。1.2.2高壓噴射火焰滅火質(zhì)量濃度是指熄滅火焰時(shí),單位體積滅火空間內(nèi)所需的滅火劑的最少質(zhì)量。滅火質(zhì)量濃度一般用于表征類似氣體行為滅火劑的滅火濃度。滅火質(zhì)量濃度與滅火劑的種類和測(cè)試方法等有關(guān)。稱取質(zhì)量為W1的滅火劑A,裝入滅火裝置中,并充入干燥氮?dú)庵翂毫?.2MPa。將滅火器倒置,并將噴嘴接上滅火室的噴氣口,點(diǎn)燃滅火室中的2個(gè)小油罐,并敞開(kāi)滅火室門(mén)讓火焰預(yù)燃30s。關(guān)閉滅火室,噴射滅火劑滅火,并記錄下噴射時(shí)間。噴射滅火劑1min后,打開(kāi)滅火室,觀察小油罐的滅火情況。2個(gè)油罐火均熄滅為滅火成功。稱量滅火罐內(nèi)剩余滅火劑的質(zhì)量W2,則已噴射的滅火劑的質(zhì)量W=W1-W2。根據(jù)火焰熄滅情況,適當(dāng)增加或減少滅火劑的初始裝入量W1,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。當(dāng)火焰的熄滅情況在某一滅火劑量處發(fā)生改變時(shí),以該滅火劑量重復(fù)做3次實(shí)驗(yàn),以3次滅火2次熄滅為標(biāo)準(zhǔn)確定該滅火劑量為滅火質(zhì)量濃度。由于噴射率的影響,該滅火質(zhì)量濃度應(yīng)該是一個(gè)區(qū)間。按以上實(shí)驗(yàn)步驟,測(cè)定滅火劑B、滅火劑C、滅火劑D、滅火劑E和滅火劑F的滅火質(zhì)量濃度。1.2.3噴射壓力對(duì)滅火時(shí)間的影響微粒滅火劑與火焰的相互作用有效性還體現(xiàn)在滅火時(shí)間的長(zhǎng)短上。滅火時(shí)間同微粒滅火劑與火焰的混合速率有關(guān),而微粒滅火劑與火焰的混合速率則與噴射壓力有關(guān)。本文研究微粒滅火劑的噴射壓力對(duì)滅火時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)裝置布置同圖1所示,但只取滅火室地面中心的1個(gè)油罐火。將熱電偶探頭固定在油罐上方3cm高處,通過(guò)熱電偶的溫度變化來(lái)分析滅火劑滅火時(shí)間的長(zhǎng)短。實(shí)驗(yàn)中采用體積平均粒徑為2.48μm的微粒滅火劑250g,K型熱電偶測(cè)溫范圍為0～1000℃,滅火裝置噴射壓力分別為0.6MPa、0.9MPa和1.2MPa。2結(jié)果與討論2.1藥劑粒徑、粒度分布及其極值磷酸二氫銨微粒滅火劑在驅(qū)動(dòng)氣體的作用下噴出噴口后,形成了氣固兩相流體。超細(xì)粉末在隨著氣流運(yùn)動(dòng)的同時(shí),部分粒度較大的滅火劑因重力作用,較快地沉降落地;另一部分粒度較小的微粒能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在空氣中作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),彌漫于空氣之中。表2為滅火劑施放后不同時(shí)間取出的表面皿中微粒的平均粒度,實(shí)際上是滅火劑施放后沉降下的滅火劑的平均粒度。由表2可以看出,粒徑越小,滅火劑微粒在空氣中的滯留時(shí)間越長(zhǎng),其中平均粒度小于4.11μm的微粒在空氣中的滯留時(shí)間大于15min。圖3為沉積在滅火劑收集盤(pán)上的微粒滅火劑質(zhì)量分布數(shù)據(jù)。由滅火劑的沉降質(zhì)量分布可以反映出滅火劑在滅火室內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律。由圖3可以看出,滅火劑質(zhì)量分布在滅火室中有兩類極值點(diǎn)。第1類極值點(diǎn)在每行的第1點(diǎn)附近。這是因?yàn)闇缁饎﹪姵龊?首先撞擊在滅火室噴氣口對(duì)面的壁上,一部分滅火劑向下沉降,而其他的滅火劑則隨氣流沿壁繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。這部分沉降的滅火劑較多,在圖3中表現(xiàn)為各行第1點(diǎn)的滅火劑質(zhì)量較大。第2類極值點(diǎn)在每列的第4點(diǎn)與第6點(diǎn)之間。這是因?yàn)闇缁饎┑膰娚溆幸粋€(gè)持續(xù)的過(guò)程,先噴射出的那部分滅火劑隨氣流運(yùn)動(dòng)撞壁沿壁繞流回頭后,與后噴射出的滅火劑在此相撞,沉降下較多的滅火劑。綜上所述,當(dāng)超細(xì)微粒滅火劑的粒徑較小時(shí),滅火劑在空氣中具有較長(zhǎng)的滯留時(shí)間,并且微粒在空氣中能夠隨著氣流運(yùn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間,當(dāng)遇到障礙物時(shí),能夠發(fā)生類似于氣流的繞流現(xiàn)象,對(duì)于全淹沒(méi)場(chǎng)所的火災(zāi)具有一定的撲救能力。2.2磷酸銨鹽滅火系統(tǒng)機(jī)理分析表3為撲滅2個(gè)油罐火時(shí),各類滅火劑的滅火質(zhì)量濃度值。由表3可以看出,當(dāng)磷酸二氫銨微粒滅火劑的顆粒體積平均直徑為2～10μm時(shí),滅火劑的滅火質(zhì)量濃度隨著滅火劑的體積平均直徑的減小而減少。滅火劑的滅火質(zhì)量濃度越低,撲滅同一強(qiáng)度的火焰所需的滅火劑量就越少;反之,對(duì)于一定質(zhì)量的不同滅火劑,滅火質(zhì)量濃度低的滅火劑撲滅火焰的效能更高,滅火更為有效。由此可見(jiàn),超細(xì)微粒滅火劑撲滅B類火災(zāi)非常有效。從機(jī)理上分析,磷酸銨鹽滅火劑熄滅火焰主要是化學(xué)抑制作用。以油火為例,在燃燒過(guò)程中,產(chǎn)生了大量的OH和H自由基。它們具有很高的能量,非常活潑,而壽命又非常短,是維持燃燒連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵自由基。當(dāng)超細(xì)干粉噴入燃燒區(qū)與火焰混合后,粉粒與自由基接觸并將其吸附在自己的表面,并發(fā)生一系列如下反應(yīng)。M+OH→MOHMOH+H→M+H2O式中M代表超細(xì)粉粒。通過(guò)上述反應(yīng)生成水和其他產(chǎn)物,以此消耗掉燃燒反應(yīng)的關(guān)鍵中間產(chǎn)物,達(dá)到滅火的目的。超細(xì)微粒滅火劑的粉粒越小,與火焰的接觸面積越大,所吸收的自由基也越多,從而對(duì)燃燒的抑制作用也越大。此外,磷酸二氫銨由于其受熱易分解的特性,當(dāng)顆粒粒度減小后,粒子的分解吸熱更容易,在火場(chǎng)中容易分解生成氨氣,從而稀釋火場(chǎng)中氧氣的濃度,進(jìn)一步增加滅火的能力。需要補(bǔ)充說(shuō)明的是,在實(shí)際應(yīng)用中,滅火劑微粒的粒徑并不是越小越好。這是因?yàn)?在滅火時(shí)滅火劑微粒的運(yùn)動(dòng)還要受到火焰產(chǎn)生的熱氣流的影響,在某些條件下,還要受到風(fēng)力的影響。當(dāng)滅火劑的微粒太細(xì)時(shí),微粒的動(dòng)量不足,不容易穿透火焰產(chǎn)生的上升熱氣流到達(dá)火焰區(qū)與自由基作用,從而滅火效力受到影響。在本文中,由于實(shí)驗(yàn)空間和火焰強(qiáng)度是一定的,而滅火劑的粒徑范圍是在2～10μm,因此,體積平均直徑最小的滅火劑其滅火效力最高。2.3第3階段:穩(wěn)定階段35圖4為火焰溫度隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)曲線。由圖4可知,實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為3個(gè)階段:第1階段為升溫且溫度保持相對(duì)恒定階段,油罐火點(diǎn)燃并燃燒30s;第2階段為急速降溫階段,冷氣溶膠滅火劑噴射并熄滅火焰;第3階段為緩慢降溫階段,油罐的火焰已經(jīng)熄滅,但是由于油罐的輻射熱,以及整個(gè)滅火空間的環(huán)境相對(duì)封閉,溫度不易下降,降溫過(guò)程顯得比較平緩。滅火時(shí)間的長(zhǎng)短可以看作滅火階段的時(shí)間間隔大小。表4為采用不同噴射壓力時(shí),體積平均粒徑為2.48μm的微粒滅火劑的平均滅火時(shí)間。從表4可以看出,在1m3滅火室中全淹沒(méi)滅火條件下,該滅火劑的滅火時(shí)間隨噴射壓力不同而有所差異,但滅火時(shí)間均小于6s,滅火效果比較好。從理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上分析,噴射壓力較大時(shí),滅火劑微粒容易穿透火焰產(chǎn)生的上升熱氣流而到達(dá)火焰區(qū)與自由基作用,因而滅火時(shí)間也相應(yīng)較短。3氣體滅火b類油火本文對(duì)平均粒度2～10μm的超細(xì)磷酸銨鹽微粒滅火劑,在1m3滅火室內(nèi)進(jìn)行全淹沒(méi)條件下的B類油火滅火實(shí)驗(yàn),得出如下結(jié)論。1)超細(xì)磷酸二氫銨微粒滅火劑由于顆粒較小,能在空氣中停留較長(zhǎng)時(shí)間,在驅(qū)動(dòng)