新型复合粉体灭火介质及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述介质包括以下组分：粒径范围在1～20μm的超细粉体，占灭火介质质量分数的60～70%；粒径范围在200～500nm的纳米粉体，占灭火介质质量分数的25～35%；表面改性剂，占灭火介质质量分数的2～3%；热敏性物质，占灭火介质质量分数的3～5%。该介质粒度小、流动性、分散性、漂浮好，应用于全淹没式灭火环境，能扑救A、B、C类火灾，尤其是对A类火灭火效率高、抑制复燃、无毒无害，可以作为哈龙灭火剂的替代品。
【专利说明】新型复合粉体灭火介质及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于安全防护【技术领域】，具体涉及一种新型复合粉体灭火介质及其制备方法。
【背景技术】
[0002]干粉灭火剂作为传统灭火剂，由于具有灭火速度快、干粉基料来源广泛、价格低廉、对人畜无毒或低毒、电绝缘性好、对环境影响小、适应范围广等特点在当今灭火剂领域占有相当重要的地位。目前使用的常规干粉灭火剂粉末颗粒通常在10?75 μ m之间，这种粒子弥散性相对较差、比表面积也相对较低，因而定量的粉体所具有的总比表面积较小，单个粒子的质量较大，沉淀速度较快，且粒子受热分解的速率较慢，导致其捕获自由基或活性基团的能力有限，其灭火能力也就十分有限，进而限制了干粉灭火剂的使用范围，尤其是用于全淹没灭火时效果不理想。
[0003]我国从上世纪90年代开始正式研制超细干粉灭火剂，并于2000年投入使用，2006年我国颁布实施了 GA578-2005《超细干粉灭火剂》行业标准。超细干粉灭火剂粒径小，粒子比表面积大，活性高，喷射后粒子在空气中有较长的悬浮时间，并且能绕过障碍物进入细小的空隙，因此超细干粉和常规干粉相比，灭火能力大为提高，并可在部分场所实现全淹没灭火。
[0004]而将超细粉体加工到纳米级粒径范围内，微粒将表现出一些特殊性:如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、久保理论,使得纳米粉体比超细粉体具有更大的优越性，表现在:(1)纳米粉体灭火过程中，和空气混合形成的气溶胶稳定性更好，气溶胶稳定性与胶体粒子的粒径有关。纳米颗粒粒径小沉降速度慢，故纳米气溶胶稳定性好，作为灭火剂在火灾现场悬浮时间更长，性能比超细粉体颗粒更为优越。(2)纳米颗粒吸附作用强。颗粒的吸附能力与比表面积有关，比表面积越大颗粒吸附能力越强。纳米粒径比微米粒径小1000倍，吸附能力必然强。(3)纳米颗粒化学反应能力强。当粒子尺寸下降到纳米数量级时，一个粒子包含十几个或几十个分子，破损键骤然增多，化学活性增强，这是小尺寸效应的表现之一。(4)纳米颗粒灭火效能高。干粉颗粒与活性传递物碰撞，吸收其能量，使其失活，达到灭火的作用。研制成功的冷气溶胶平均粒径为3 μ m,其灭火效能已是哈龙灭火剂的4?6倍。若采用平均粒径为IOOnm的纳米级冷气溶胶，由理论计算可知其灭火效能是微米冷气溶胶的30倍。由于纳米粉体的优越性，制备出粒径达到纳米量级的灭火粉体成为了提高干粉灭火剂效果的一种有效途径，也是干粉灭火剂的一个发展方向。
[0005]虽然在理论上纳米粉体灭火剂性能优异，具有极好的应用前景，但在大规模生产与实际应用中还存在一些问题，限制了纳米粉体灭火剂的推广与应用。这些问题主要有:(I)制备工艺复杂:传统物理粉碎技术制得的粉末粒径尺寸最小可达微米级，但对于纳米颗粒，它就无能为力了。而其它一些纳米材料制备方法，普遍存在制备工艺过程过于复杂，难以实现大规模生产的缺陷。(2)纳米粒子的不稳定性:当固体颗粒变小，尤其是达到纳米量级时，颗粒已不再是一个惰性体，而是一个能供给电子和捕获电子的物体，是一个化学活性物质。由于纳米微粒结构上的特点，其化学活性很高；又由于纳米微粒巨大的表面能，使纳米微粒极易聚合，形成软团聚或硬团聚。纳米粉体高的化学活性和表面能严重地影响了纳米粉末灭火剂在贮存、使用过程中的稳定性、分散性和流动性，因而也限制了纳米粉体灭火剂的发展。(3)生成成本高:目前，由于纳米粉体制备工艺较为特殊、复杂，制得的纳米颗粒还需进行表面改性处理。因此纳米粉末灭火剂的生产成本大大高于普通干粉灭火剂，这也是限制纳米粉末灭火剂发展的一个原因。本发明因此而来。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种新型复合粉体灭火介质，解决了现有技术中常规干粉灭火器灭火效率低，纳米粉体成本高等问题。
[0007]为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是:
[0008]一种新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述介质包括以下组分:
[0009]粒径范围在I?20 μ m的超细粉体，占灭火介质质量分数的60?70% ；
[0010]粒径范围在200?500nm的纳米粉体，占灭火介质质量分数的25?35% ；
[0011]表面改性剂，占灭火介质质量分数的2?3% ；
[0012]热敏性物质，占灭火介质质量分数的3?5%。
[0013]优选的技术方案中:所述超细粉体为磷酸铵盐或者碳酸盐的一种或两种以上的任意组合；所述纳米粉体为磷酸铵盐或者碳酸盐的一种或两种以上的任意组合。
[0014]优选的技术方案中:所述磷酸铵盐选自磷酸二氢胺、磷酸氢钠、磷酸氢钾、磷酸胺、磷酸钠、磷酸钾；所述碳酸盐选自碳酸氢铵、碳酸氢钾、碳酸铵、碳酸钾。
[0015]优选的技术方案中:所述热敏性物质为尿素；所述表面改性剂为有机硅烷。
[0016]优选的技术方案中:所述有机娃烧选自苯基二甲氧基娃烧、苯基二乙氧基娃烧、正辛基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷的一种或者两种以上的任意组合。
[0017]优选的技术方案中:所述超细粉体中90%重量的粉体粒径在I?5 μ m范围内；所述纳米粉体中90%重量的粉体一维粒径在300?500nm范围内。
[0018]本发明的另一目的在于提供一种所述的新型复合粉体灭火介质的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤:
[0019](I)将纳米粉体分散到液体介质中，然后按照预设比例加入有机硅烷回流加热进行表面改性；最后将改性后的纳米粉体从液体介质中分离干燥；
[0020](2)制备获得超细粉体及热敏性物质；
[0021](3)将改性后的纳米粉体、超细粉体及热敏性物质进行球磨混合均匀得到新型复合粉体灭火介质。
[0022]优选的技术方案中:所述方法步骤(I)中液体介质选自醇、醚或极性非质子溶剂；加热回流的温度介于室温和液体介质的沸点之间。
[0023]优选的技术方案中:所述方法步骤(2)中超细粉体及热敏性物质通过气流粉碎法获得。
[0024]本发明的又一目的在于提供一种所述的新型复合粉体灭火介质作为灭火剂方面的应用。
[0025]本发明为粉体灭火【技术领域】，涉及一种新型超细-纳米复合粉体灭火剂配方的设计及制备方法。本发明技术方案通过不同比例的超细粉体、纳米粉体和其它添加剂组合，通过实验验证，得到一种灭火高效、成本合理的新型高效超细-纳米复合粉体灭火剂配方及其制备方法。
[0026]本发明新型复合粉体灭火介质包括超细粉体和纳米粉体，根据粉体灭火剂灭火作用机理，由超细粉体、纳米粉体、表面改性剂、热敏性物质组成。
[0027]进一步的，所述具体组分和质量分数如下:
[0028](I >90%重量的磷酸铵盐/碳酸盐超细粉体粒径小于I?5 μ m,占复合粉体质量分数的60?70% ;在该专利中，可使用的磷酸铵盐和碳酸盐包括磷酸二氢胺、磷酸氢钠、磷酸氢钾、碳酸氢铵、碳酸氢钾等；
[0029](2) 90%重量的磷酸铵盐/碳酸盐纳米粉体一维粒径在300?500nm，占复合粉体质量分数的25?35% ；
[0030](3)表面改性剂为有机硅烷，占复合粉体质量分数的2?3% ;在该专利中，可使用
的有机硅烷包括苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基娃烧等;
[0031](4)热敏性物质为尿素，占复合纳米粉体质量分数的3?5%。
[0032]制备步骤:
[0033](I)选取通过溶剂-非溶剂法制备的质量比25?35%磷酸铵盐/碳酸盐纳米粉体。然后通过加入2?3%的有机硅烷，对其进行表面改性；
[0034]表面改性过程:将纳米粉体分散到液体介质中(例如醇、醚或极性非质子溶剂)，然后，可将有机硅烷表面改性剂加入所得到的分散体中并在回流下将所得的混合物加热至介于室温和液体介质的沸点之间的温度，通过任选的过滤等分离方式进行分离、干燥等。
[0035](2)选取通过气流粉碎法制备的质量比为60-70%磷酸铵盐/碳酸盐超细粉体及热敏性物质；
[0036](3)通过球磨机,混合10?15分钟均匀得到样品。
[0037]本发明技术方案的原理在于:
[0038]本发明的新型复合粉体灭火介质各种原料在灭火中所起的作用如下:
[0039](I)超细粉体:粒径在20 μ m以下的磷酸铵盐大颗粒沉降过程中通过吸热抑制机制和化学抑制机制(均相和异相反应)与燃烧物质发生反应，通过俘获火场中的自由基中断燃烧链反应达到抑制、熄灭火焰。另外分解的偏磷酸和聚磷酸铵在燃烧固体表面的高温下被熔化形成一个玻璃状覆盖层，它能起到隔绝作用，使火焰因窒息而灭。
[0040](2)纳米粉体:粒径在300nm的磷酸铵盐小颗粒在携带气体作用下以气溶胶形态弥漫于燃烧空间，起到化学抑制和抑制复燃作用，并且由于粒径小，容易越过障碍进入到固体内部，在燃烧的固体表面形成一层均匀的覆盖层，起到隔绝灭火的作用，并且也容易渗入固体表面炭化后的缝隙深处，扑灭深层的火焰。
[0041]而将不同比例的超细粉体和纳米粉体混合，相近的给料速率下，随着纳米粉体所占比例的增多，相应的灭火时间缩短，但当纳米粉体的质量百分比浓度增加至40%时，再增加纳米粉体的量并不能显著缩短灭火时间。这是因为在气流的作用下，大颗粒的粉体在燃烧室内的逗留时间更长，而小颗粒的粉体容易直接被气流带走，因此适当的存在一些大颗粒的粉体有利于提高灭火效果。[0042](3)表面改性剂:主要用于改变复合纳米粉体的表形态，减轻其吸湿性和表面团聚。
[0043](4)热敏性物质:在火场高温中可以吸收热量同时释放出不助燃气体，减少火场中
氧气含量。
[0044]本发明新型复合粉体灭火介质综合考虑灭火效率和灭火成本。其基料磷酸铵或碳酸盐易得、生产工艺简单、价格便宜、无毒、无污染、电气绝缘性能优良。并且由于粒度小、流动性、分散性、漂浮好，应用于全淹没式灭火环境，能扑救A、B、C类火灾，尤其是对A类火灭火效率高、抑制复燃、无毒无害，可以作为哈龙灭火剂的替代品。
[0045]相对于现有技术中的方案，本发明的优点是:
[0046]与现有干粉灭火剂和超细灭火剂相比，本发明新型复合粉体灭火介质对已有的灭火剂成分进行了整合改进，在以下几个方面体现出复合粉体灭火剂的优点:
[0047](I)新型复合粉体灭火介质中的超细粉体能够减少纳米粉体用量，大幅降低生产成本；此外，和纳米粉体相比，由于超细粉体具有较大的动量，有利于提高复合纳米粉体穿透火羽流的能力，到达火焰表面实现有效的火灾扑救，故和单纯的纳米粉体相比，复合纳米粉体的灭火能力更强；
[0048](2)新型复合粉体灭火介质中的纳米粉体，具有较大的比表面积，和单纯的超细粉体相比，灭火能力大为提闻;
[0049](3)新型复合粉体灭火介质在保证灭火性能基础上为了成本尽量减少纳米粉体成分，所使用的成分直接影响灭火效果，同时与现有制备方法相比，本发明各组分通过物理混合即可完成制备，且粉体比较稳定，对于粉体的制备、运输、生产方面并没有特殊要求，成本较为低廉。
【具体实施方式】
[0050]以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
[0051]实施例1新型复合粉体灭火介质的制备
[0052]将各种原料组分按以下配方进行配制:
【权利要求】
1.一种新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述介质包括以下组分: 粒径范围在I?20 μ m的超细粉体，占灭火介质质量分数的60?70% ； 粒径范围在200?500nm的纳米粉体，占灭火介质质量分数的25?35% ； 表面改性剂，占灭火介质质量分数的2?3% ； 热敏性物质，占灭火介质质量分数的3?5%。
2.根据权利要求1所述的新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述超细粉体为磷酸铵盐或者碳酸盐的一种或两种以上的任意组合；所述纳米粉体为磷酸铵盐或者碳酸盐的一种或两种以上的任意组合。
3.根据权利要求2所述的新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述磷酸铵盐选自磷酸二氢胺、磷酸氢钠、磷酸氢钾、磷酸胺、磷酸钠、磷酸钾；所述碳酸盐选自碳酸氢铵、碳酸氢钾、碳酸铵、碳酸钾。
4.根据权利要求1所述的新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述热敏性物质为尿素；所述表面改性剂为有机硅烷。
5.根据权利要求4所述的新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述有机硅烷选自苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷的一种或者两种以上的任意组合。
6.根据权利要求1所述的新型复合粉体灭火介质，其特征在于所述超细粉体中90%重量的粉体粒径在I?5μηι范围内；所述纳米粉体中90%重量的粉体一维粒径在300?500nm范围内。
7.—种权利要求1?6任意一项所述的新型复合粉体灭火介质的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤: (1)将纳米粉体分散到液体介质中，然后按照预设比例加入有机硅烷回流加热进行表面改性；最后将改性后的纳米粉体从液体介质中分离干燥； (2)制备获得超细粉体及热敏性物质； (3)将改性后的纳米粉体、超细粉体及热敏性物质进行球磨混合均匀得到新型复合粉体灭火介质。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述方法步骤(I)中液体介质选自醇、醚或极性非质子溶剂；加热回流的温度介于室温和液体介质的沸点之间。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述方法步骤(2)中超细粉体及热敏性物质通过气流粉碎法获得。
10.一种权利要求1?6任意一项所述的新型复合粉体灭火介质作为灭火剂方面的应用。
【文档编号】A62D1/06GK103550901SQ201310532529
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】肖修昆, 张青松, 孔维平, 廖光煊 申请人:中国科学技术大学苏州研究院, 中国科学技术大学