含钾盐干水灭火剂的制备及灭火机理研究

1. 绪论

1.1 引言

1.1.1 火灾的危害

• 火灾是一种极具破坏性的灾害，它不仅危害人们生命还会破坏环境同时造成巨大财产损失。
• 配有适合而且高效的灭火剂是预防火灾、保护生命和财产安全的必要措施。

1.1.2 灭火剂的发展

• 哈龙灭火剂因其灭火效率高被广泛应用，但其含有的卤素对臭氧层造成持久破坏。
• 干粉灭火剂和细水雾灭火剂因其价格低廉，灭火效率高而被广泛应用，但存在一定缺陷。
• 科学家一直探索高效环保的灭火剂。

1.2 干水及研究现状

1.2.1 干水的定义

• 干水自1964年以来被就被人们所知，直到20世纪90年代中期化妆品行业快速增长的时，人们才开始更加了解该材料。
• 干水材料于1990年受到广泛关注，由疏水性SiO2和水溶液组成，因其外部的SiO2可以阻断火源，内部的水溶液蒸发吸热，达到了双重抑制作用。

1.2.2 干水的研究进展

• 陈先锋课题组先后制备了海藻酸钙凝胶干水[16-17]和SiO2凝胶干水[18]，结果发现干水的流动性、耐压性、保水性和稳定性得到了提升。
• Wang Yang[19]测试不同压力下干水灭火效率结果发现0.6至0.7 MPa之间灭火效率最佳。
• 孔令东[20]在干水中加入磷酸二氢铵，磷酸二氢铵可以与火焰自由基发生反应，抑制效果更佳，但磷酸二氢铵分解产生氨气对人类和环境造成不可逆的伤害。

1.3 干水的制备方法

1.3.1 振动粉砕法

• 振动粉砕法制备干水的原理为把疏水性二氧化硅粉末和溶液按一定比例置于容器内利用高速摇动和震荡制备干水。

1.3.2 搅拌反应法

• 搅拌反应法则是把疏水性二氧化硅和溶液按一定比例置于搅拌装置中，通过插入混合液中的刀头搅拌制得干水。

1.3.3 液滴雾化法

• 液滴雾化法制备干水把液体通过雾化器雾化成细微液滴分布在密闭空间中，然后使该密闭空间布满疏水性二氧化硅粉末。

1.4 干水的制备机理

1.4.1 界面膜理论

• 在体系中加入乳化剂后，固体粒子聚集与油水界面发生吸附，形成一层界面膜。
• 界面膜可以保护体系中的分散相液滴，不易使处于布朗运动的液滴聚结，故乳状液的稳定性由界面膜的强度决定。

1.4.2 接触角理论

• 接触角是衡量固体小颗粒是否容易润湿的度量，润湿性越好，接触角就越小。
• 当颗粒接触角接近90°时，所制备的乳液（O/W 或 W/O 型）最稳定。

1.4.3 粘附能理论

• 在高速搅拌下形成的细微水滴与高度疏水的疏水性粉末接触，这些疏水性粉末粘附在水滴外面，由此形成干水。

1.4.4 润湿能理论

• 固体界面由固-气界面变成固-液界面的现象称为润湿性。
• 对于疏水系统，会出现三种情况：水和粒子保持分离状态、形成mousse状、固体粒子粘附在液滴表面形成干水。

1.5 干水的改性

1.5.1 改性的目的

• 用化学或者物理的方法使某种材料的微观结构或者物理化学性质发生改变称为改性。
• 与纯水干水相比，经过改性的干水可以改变干水的粒径分布、灭火效果、抗压强度等。

1.5.2 改性的方法

• 干水的改性方法有包覆改性法、机械改性法、表面结构改性法等。
• 针对干水灭火剂的灭火特性，本文主要是通过在制备干水的液体中加入钾盐化合物，改变干水的化学性质。

2. 干水灭火剂的基本性能及制备

2.1 干水的性质

2.1.1 干水的特点

• 干水是一种创新的消防材料，其性质显著，特别是对于在火灾中的作用，在灭火和安全管理领域中显示出独特的效用。
• 干水最引人注目的特点是其高吸水性，这种材料能迅速吸收并在其内部保存的水分，形成类似水凝胶的状态。
• 干水以其轻便性和操作简便性脱颖而出，它也方便携带和使用。
• 从环境影响的角度来看，干水的成分通常是无毒无害的。
• 稳定性也是干水的突出的优点之一。

2.1.2 干水的应用

• 干水以其独特的化学和物理性质在现代消防中扮演了重要角色。
• 无论是从效率、安全性、环保还是便利性角度考虑，干水都展现出其作为先进灭火材料的巨大潜力和实用价值。

2.2 干水灭火剂的制备

2.2.1 实验材料和仪器

• 实验所用试剂：氯化钾，西陇科学化工有限公司；乙酸钾，西陇科学化工有限公司；磷酸二氢钾，西陇科学化工有限公司；疏水性SiO2，湖北汇富纳米材料股份有限公司；去离子水，实验室自制。
• 干水材料制备：将去离子水和SiO2按质量比10：1的比例在5000r/min的高速搅拌机搅拌1min得到干水。
• 改性干水制备：在去离子水中分别加入一定量的乙酸钾、氯化钾、磷酸二氢钾，配制成5%浓度的溶液，将溶液和SiO2按质量比10：1的比例在5000r/min的高速球搅拌机搅拌1min得到乙酸钾干水、氯化钾干水、磷酸二氢钾干水。

2.2.2 表征

• 使用捷克TESCAN立式扫描式电子显微镜对四组干水的形貌进行观察。
• 使用英国马尔文公司生产的MS2000激光粒度仪对四组干水粒度进行测试。
• 采用休止角法对干水的流动性进行测试。
• 在瑞力设备有限公司生产的烘箱中对四组干水进行保湿性能测试。
• 采用瑞士梅特勒托利多公司生产的DSC对四组干水测试。

2.3 灭火实验

2.3.1 实验目的

• 本实验研究不同钾盐干水对木垛火及正庚烷火的灭火性能。

2.3.2 实验设备

• 灭火平台配备温度收集装置、录像仪、热像仪、五个铠装热电偶。
• 木垛采用规格为2cm2cm20cm的松木按4*5堆积。
• 铠装热电偶每隔10cm依次放置，从下至上以此为TC1、TC2、TC3、TC4、TC5。

2.3.3 实验过程

• 利用油盘先引燃木垛火，分别在燃烧到一定时间先用制备的纯水干水对燃烧的木垛进行灭火工作。
• 温度收集装置记录木垛燃烧时而且纯水干水灭火剂未使用时及在使用灭火剂的时候木垛火焰温度变化规律。
• 录像仪记录火焰从点燃到扑灭过程中火焰的变化。
• 热像仪利用红外成像技术把木垛燃烧时候产生的热量转化为可见光图像，从而对木垛火燃烧及采用干水灭火剂进行灭火时火焰的热量变化。
• 五个铠装热电偶基于热电效应较为准确的测量温度变化，依据收集的木垛火及灭火温度变化绘制温度变化曲线。

3. 结果与讨论

3.1 形貌表征

3.1.1 形貌与表征分析

• 利用捷克TESCAN立式扫描式电子显微镜对四组干水的形貌进行观察。
• 使用英国马尔文公司生产的MS2000激光粒度仪对四组干水粒度进行测试。
• 采用休止角法对干水的流动性进行测试。
• 在瑞力设备有限公司生产的烘箱中对四组干水进行保湿性能测试。
• 采用瑞士梅特勒托利多公司生产的DSC对四组干水测试。

3.1.2 小结

• 磷酸二氢钾干水出现堆叠现象，粒度较大同时流动性不佳，推测是因为磷酸二氢钾溶液表面张力较小，从而使疏水性二氧化硅对溶液的包覆效果不佳。
• 纯水干水吸热焓最大，乙酸钾干水存在多段吸热焓。
• 粒径越小活化能越小，灭火效率越好。
• 乙酸钾干水存在多重灭火：外部二氧化硅隔绝氧气，内部溶液蒸发吸热、乙酸钾分解吸热、乙酸钾分解产生氢氧化钾与火焰自由基发生反应。

3.2 热稳定性能

3.2.1 热稳定性能分析

• 通过差示扫描量热仪对四种干水进行分析。
• 发现纯水干水吸热焓最大，乙酸钾干水存在多段吸热焓。
• 采用不同升温速率对不同粒径的纯水干水进行分析，发现粒径越小活化能越小，灭火效率越好。

3.2.2 小结

• 乙酸钾干水具有较好的热稳定性能，能够在高温下保持较好的灭火效果。

4. 干水材料对木垛火和油料火灭火实验及机理分析

4.1 不同钾盐扑灭A类火

4.1.1 扑灭A类火实验

• 利用油盘先引燃木垛火，分别在燃烧到一定时间先用制备的纯水干水对燃烧的木垛进行灭火工作。

4.1.2 扑灭A类火实验现象分析

• 温度收集装置记录木垛燃烧时而且纯水干水灭火剂未使用时及在使用灭火剂的时候木垛火焰温度变化规律。
• 录像仪记录火焰从点燃到扑灭过程中火焰的变化。
• 热像仪利用红外成像技术把木垛燃烧时候产生的热量转化为可见光图像，从而对木垛火燃烧及采用干水灭火剂进行灭火时火焰的热量变化。
• 五个铠装热电偶基于热电效应较为准确的测量温度变化，依据收集的木垛火及灭火温度变化绘制温度变化曲线。

4.1.2A类火实验小结

• 乙酸钾干水对A类火具有较好的灭火效果。

4.2 不同钾盐扑灭B类火

4.2.1 不同钾盐扑灭B类火实验

• 利用油盘先引燃正庚烷火，分别在燃烧到一定时间先用制备的纯水干水对燃烧的正庚烷进行灭火工作。

4.2.2 扑灭B类火实验现象分析

• 温度收集装置记录正庚烷燃烧时而且纯水干水灭火剂未使用时及在使用灭火剂的时候正庚烷火焰温度变化规律。
• 录像仪记录火焰从点燃到扑灭过程中火焰的变化。
• 热像仪利用红外成像技术把正庚烷燃烧时候产生的热量转化为可见光图像，从而对正庚烷火燃烧及采用干水灭火剂进行灭火时火焰的热量变化。
• 五个铠装热电偶基于热电效应较为准确的测量温度变化，