一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂的制备方法

本发明属于火灾材料技术领域，尤其涉及一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂的制备方法。

背景技术：

随着地球全球变暖问题的加和新的清洁能源的应用与推广，锂电池由于其寿命长、能量密度高、性能稳定等优点而引起人们越来越广泛的关注。锂电池广泛应用于水力、火力、风力、太阳等储能系统，以及电动工具、电动汽车、军事装备等多个领域。然而，随着锂电池的大量使用，相关火灾、爆炸事故也随之而来。

现有灭火剂的灭火原理主要为降温、稀氧、抑制燃烧过程中的化学反应中的一种或几种的组合。由于锂电池火灾由于热失控而产生连锁反应，随着每个电池单元轮流破裂并释放其内含物，就会产生一种反复燃烧的火焰，并伴随着持续的热量和可燃气体的释放，传统的灭火剂目前无法阻止锂电池火灾复燃。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法。经由本发明所制备得到的适用于扑灭锂电池火灾的凝胶干水灭火剂，通过将由疏水的二氧化硅粒子包裹的水凝胶微粒喷入火中，会因水凝胶脱水蒸发而吸收大量的热，降低锂电池及其周围的温度，从而有效阻止锂电池的急剧放热，实现快速灭火的目的；同时，残余的二氧化硅覆盖在锂电池表面，起到隔绝氧气的作用，防止复燃。该凝胶干水灭火材料原料廉价易得，制备工艺简单，灭火材料绿色环保，是一种理想的扑灭锂电池火灾的灭火材料。

本发明提供了一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)结冷胶、明胶、卡拉胶、琼脂和聚乙烯醇加入去离子水中，在75-95℃下以280-600r/min的速率搅拌20-50min，恢复室温，得混合溶胶液；

(2)将上述混合溶胶液与水玻璃溶液在280-500r/min的速率下搅拌10-30min，使之混合均匀；

(3)在转速为300-400r/min搅拌下，向混合均匀后的混合液中缓慢滴加浓强酸溶液，使其ph达到7-9，1-10min后形成水凝胶；

(4)水凝胶静置5-10min后，将水凝胶破碎，将疏水二氧化硅与破碎后的水凝胶加入高速搅拌器，以2000-6000r/min的转速搅拌40-120s，得凝胶干水灭火剂。

优选地，步骤(1)中，所述结冷胶、明胶、卡拉胶、琼脂、聚乙烯醇与去离子水的重量份为0-10:0-30:1-20:0-15:0-30:4000-9000，其中混合溶胶液、水玻璃溶液和疏水二氧化硅的总重量份为10000。

优选地，所述结冷胶、明胶、卡拉胶、琼脂、聚乙烯醇与去离子水的重量份为1-5:1-5:1-5:1-8:25-30:4000-9000，其中混合溶胶液、水玻璃溶液和疏水二氧化硅的总重量份为10000。

优选地，步骤(1)中，所述结冷胶、明胶、卡拉胶、琼脂、聚乙烯醇与去离子水的重量份比例为5-10:5-30:1-20:5-15:0-30:4000-9000，其中混合溶胶液、水玻璃溶液和疏水二氧化硅的总重量份为10000。

优选地，步骤(2)中，所述水玻璃溶液的质量浓度为25-40％，模数为2.5-3.8。

优选地，步骤(2)中，所述混合溶胶液与水玻璃溶液的重量比为20-80:10-80,混合溶胶液、水玻璃溶液和疏水二氧化硅的总重量份为10000。

优选地，步骤(3)中，所述浓强酸溶液为质量浓度36％盐酸、质量浓度75-98％浓硫酸、质量浓度60-70％浓硝酸和质量浓度45％-55％氢碘酸中的一种或几种。

优选地，步骤(4)所述疏水二氧化硅为疏水气相二氧化硅，其比表面积为170-300㎡/g。

优选地，步骤(4)所述疏水二氧化硅与步骤(3)中水凝胶的质量比为1-10：50。

本发明提供的凝胶干水灭火剂，相比于一般的干粉灭火剂或泡沫灭火剂更适用于扑灭锂电池火灾。因为锂电池火灾往往从电池内部发生，由于内部热失控而产生连锁反应，导致电池内部火势迅速蔓延并发生爆炸。由于锂电池往往密封较好，灭火剂往往无法进入电池内，仅靠覆盖隔绝氧气等手段无法彻底扑灭锂电池火灾。由于电池内部和周围环境集聚大量热量，温度较高，容易引起锂电池火灾复燃甚至因高温导致电池爆炸，造成更加严重的火灾。本发明的凝胶干水灭火剂能够在覆盖锂电池周围隔绝氧气的同时，通过凝胶内部的水分蒸发吸收大量的热量，降低电池及其周围的温度，防止复燃。同时，水分被水凝胶束缚，外层被疏水二氧化硅包裹，避免了因水进入电池内部而导致锂电池短路发生二次火灾。水分蒸发后残余的二氧化硅覆盖在电池表面，继续起到隔绝氧气的作用，以实现完全灭火。本发明的凝胶干水灭火剂原料廉价易得，制备过程简单，操作方便，绿色环保，灭火后便于清洗，是一种理想的锂电池灭火材料。

附图说明

图1为实施例1中制备的水凝胶的图片；

图2为实施例1中凝胶干水灭火剂的图片；

图3为实施例1中凝胶干水灭火剂的粒径分布图；

图4为实施例2中凝胶干水灭火剂的粒径分布图；

图5为实施例3中凝胶干水灭火剂的热重曲线。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法，其中各原料成分按照重量份计：结冷胶、明胶、卡拉胶、琼脂、聚乙烯醇、水玻璃溶液(模数2.8，浓度35wt％)、疏水二氧化硅(比表面积为300m²/g)和水按照重量份计：结冷胶3份、明胶3份、卡拉胶3份、琼脂6份、聚乙烯醇25份、水玻璃溶液1500份、疏水二氧化硅1000份和去离子水7460份，总重量份为10000。

一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法，其制备方法包括如下步骤，如下步骤中所用各原料成分按照重量份计:

(1)将结冷胶(源叶生物，s24793)3份、明胶(阿拉丁，c108396)3份、卡拉胶(阿拉丁，c107615)3份、琼脂(灰分＜5％，1000-1200g/cm²，阿拉丁，a109144)6份、聚乙烯醇(聚合度为1750±50，醇解度99％，国药，30153129)25份分别加入到7460份去离子水中，在85℃下以400r/min的速率机械搅拌50min，恢复室温，得混合溶胶液；

(2)将上述混合溶胶液加入到1500份水玻璃溶液中，在500r/min的速率下机械搅拌20min，使之混合均匀；

(3)在转速为400r/min机械搅拌下向混合均匀后的混合液中缓慢滴加质量浓度为75％的浓硫酸溶液，使其ph达到8时停止滴加并停止搅拌，10min后形成水凝胶；

(4)水凝胶静置10min后，将水凝胶破碎，将1000份疏水二氧化硅(阿拉丁，s124829,比表面积为300m²/g)与破碎后的水凝胶加入高速搅拌器(常州国宇仪器有限公司，jj-2a双数显控温电动搅拌器)，以4000r/min的转速搅拌98s，得凝胶干水灭火剂。

图1为实施例1中制备的水凝胶的图片，从图1可以看出水凝胶的均匀性较好，不存在局部凝胶浓度过大而导致的色差现象，从而保证了干水灭火剂的均一性。图2为实施例1中凝胶干水灭火剂的图片，从图中可以看出干水灭火剂的粒径分散均匀，且无肉眼可见的颗粒或团聚，有利于其在灭火罐中的喷射。图3为实施例1中凝胶干水灭火剂的粒径分布图(激光散射法，sald-2300,干法测试)，可见干水灭火剂粒径在1-50μm之间分布均匀，呈正态分布，这有利于干水灭火剂的喷射。

实施例2

一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法，其中各原料成分按照重量份计：结冷胶、明胶、卡拉胶、琼脂、聚乙烯醇、水玻璃溶液(模数2.5，浓度40wt％)、疏水二氧化硅(比表面积为200m²/g)和去离子水按照重量份计：结冷胶1份、明胶3份、卡拉胶1份、琼脂5份、聚乙烯醇30份、水玻璃溶液1200份、疏水二氧化硅1000份和去离子水7760份，总重量份为10000。

一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法，其制备方法包括如下步骤，如下步骤中所用各原料成分按照重量份计:

(1)将结冷胶(源叶生物，s24793)1份、明胶(阿拉丁，c108396)3份、卡拉胶(阿拉丁，c107615)1份、琼脂(灰分＜5％，1000-1200g/cm²，阿拉丁，a109144)5份、聚乙烯醇(1750±50，醇解度99％，国药，30153129)30份分别加入到7760份去离子水中，在90℃下以300r/min的速率机械搅拌30min，恢复室温，得混合溶胶液；

(2)将上述混合溶胶液加入到1200份水玻璃溶液中，在300r/min的速率下机械搅拌30min，使之混合均匀；

(3)在转速为400r/min机械搅拌下向混合均匀后的混合液中缓慢滴加质量浓度为80％的浓硫酸溶液，使其ph达到9时停止滴加和搅拌，10min后形成水凝胶；

(4)水凝胶静置10min后，将水凝胶破碎，将1000份疏水二氧化硅(阿拉丁，s124828，比表面积为200m²/g)与破碎后的水凝胶加入高速搅拌器(常州国宇仪器有限公司，jj-2a双数显控温电动搅拌器)，以6000r/min的转速搅拌116s，得凝胶干水灭火剂。

图4为实施例2中凝胶干水灭火剂的粒径分布图(激光散射法，sald-2300,干法测试)，可见干水灭火剂粒径在10-500μm之间分布均匀，呈正态分布，这有利于干水灭火剂的喷射。

实施例3

一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法，其中各原料成分按照重量份计：结冷胶、明胶、卡拉胶、琼脂、聚乙烯醇、水玻璃溶液、疏水二氧化硅和去离子水按照重量份计：结冷胶2份、明胶1份、卡拉胶5份、琼脂2份、聚乙烯醇30份、水玻璃溶液1000份(模数2.5，浓度40wt％)、疏水二氧化(比表面积为200m²/g)1000份硅和去离子水7960份，总重量份为10000。

一种锂电池火灾凝胶干水灭火剂及其制备方法，其制备方法包括如下步骤，如下步骤中所用各原料成分按照重量份计：

(1)将结冷胶(源叶生物，s24793)2份、明胶(阿拉丁，c108396)1份、卡拉胶(阿拉丁，c107615)5份、琼脂(灰分＜5％，1000-1200g/cm²，阿拉丁，a109144)2份、聚乙烯醇(1750±50，醇解度99％，国药，30153129)30份分别加入到7960份去离子水中，在90℃下以600r/min的速率机械搅拌20min，恢复室温，得混合溶胶液；

(2)将上述混合溶胶液加入到1000份水玻璃溶液中，在500r/min的速率下机械搅拌20min，使之混合均匀；

(3)在转速为400r/min机械搅拌下向混合均匀后的混合液中缓慢滴加质量浓度为98％的浓硫酸溶液，使其ph达到8时停止滴加和搅拌，10min后形成水凝胶；

(4)水凝胶静置10min后，将水凝胶破碎，将1000份疏水二氧化硅(阿拉丁，s124828，比表面积为200m²/g)与破碎后的水凝胶加入高速搅拌器(常州国宇仪器有限公司，jj-2a双数显控温电动搅拌器)，以2000r/min的转速搅拌90s，得凝胶干水灭火剂。

图5为实施例3中用热失重法得到的凝胶干水灭火剂热重曲线。从图中可以看出，在100℃以内凝胶干水灭火剂的失重达到90％，这主要是由于其中水分的挥发导致的重量损失，即凝胶干水的含水率达90％左右，这有利于其在灭火过程中的快速降温；在100℃之后呈现1-2％的重量损失，这主要是由于凝胶中的有机物分解造成的，极低的有机物含量不会造成灭火过程中火灾的加剧；280℃之后几乎没有重量损失，残余固体为凝胶中的水玻璃凝胶骨架和疏水二氧化硅，水分挥发后的无机固体覆盖在锂离子电池外表面，使其与环境隔绝，阻止了锂离子电池复燃，防止二次火灾的发生。

将本发明制备的凝胶干水灭火剂进行松密度、保湿性、流动性、粒径大小、斥水性等性能的检测，具体结果如下面表1所示。其中，松密度的检测参考4066.2-2004中的方法：分别称取三种凝胶干水灭火剂100±0.2g，置于具塞量筒(250ml，分度值为2.5ml)中，以2秒一个周期的速度，上下颠倒量筒10个周期，将具塞量筒置于水平面静置3分钟后，记录试样的体积，按照公式(松密度＝试样质量/试样体积)来就计算，并重复三次取平均值。结果显示凝胶干水的松密度在0.5-0.6g/ml，密度远小于水，有利于运输。凝胶干水灭火剂的保湿性通过计算25g凝胶干水灭火剂放置于55℃烘箱中，直至其质量基本不变时的质量损失率表征得到。凝胶干水在55℃下的质量损失在35-44％，即在较高温度下仍然具有一定的保湿性和锁水能力。流动性的检测参考4066.2-2004中的方法：将300g凝胶干水在重力作用下通过直径为120mm玻璃漏斗的时间为流动性参考，其通过时间在6-7秒之间，小于gb4066.2-2004阿红要求的干粉灭火剂的流动性≤8s，表明该凝胶干水具有较好的流动性。平均粒径通过粒径分布仪sald-2300干法测定。其粒径在10-130μm之间，具有可调节性，可根据实际需要调节干水粒径。斥水性通过将凝胶干水灭火剂放入培养皿，用刮刀刮平，在其表面滴0.3ml蒸馏水，放置在温度为20±5℃，盛有饱和氯化钠溶液(相对湿度为75％)干燥器内1小时后去除培养皿并逐渐倾斜，是水滴滚落，以凝胶干水表面有无明显结块现象为斥水性依据。结果显示三种案例中的凝胶干水灭火剂均无明显结块现象，表明其具有较好的斥水性。

表1

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。