新型高分子凝膠水系滅火劑（PAM-SA）的制備及滅火性能研究

王 建, 張 丹,2, 宋 佳,2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

新型高分子凝膠水系滅火劑（PAM-SA）的制備及滅火性能研究

王 建1, 張 丹1,2, 宋 佳1,2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

以聚丙烯酰胺( PAM)和高分子吸水樹脂(SA)為原料，合成出了新型的高分子凝膠水系滅火劑，通過實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明，質(zhì)量比m(SA)∶m(PAM)為1∶1.2時(shí)，吸水倍率為368.3，運(yùn)動(dòng)粘度為2 178.0 mm2?s-1, pH值為5.0～9.0時(shí)，制備的滅火劑實(shí)驗(yàn)樣品效果最佳。通過滅火試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：這種新型的PAM-SA凝膠水系滅火劑與水相比，能夠節(jié)約用水41.30%，而且大大縮短了滅火時(shí)間，滅火后沒有發(fā)生復(fù)燃。

水系滅火劑; 粘結(jié)劑; 高分子吸水樹脂

本文以高分子吸水樹脂(SA)為基料，聚丙烯酰胺( PAM)為輔助試劑，采用混配法制備了新型高分子凝膠水系滅火劑（PAM-SA）。實(shí)驗(yàn)對滅火劑的吸水倍率、運(yùn)動(dòng)粘度、保水率以及pH值的適用范圍等進(jìn)行了考察，對滅火劑的滅火性能進(jìn)行測定分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

高分子吸水性樹脂(SA)(新加坡三友住工有限公司)；聚丙烯酰胺（PAM）(濟(jì)南魯信捷科技有限公司)；乙醇（沈陽市新西試劑廠）；二次蒸餾水(自制)。

1.2 水系滅火劑的合成以及性能測試

制備水系滅火劑的具體步驟如下：用J235-X型分析天平分別以質(zhì)量比1∶0.8，1∶1.0，1∶1.2，1∶1.4,1∶1.6來稱取高分子吸水性樹脂（SA）和聚丙烯酰胺（PAM），實(shí)驗(yàn)樣品的總質(zhì)量均為1 g，利用磁力攪拌器將其攪拌均勻。

滅火劑自身性能測試：（1）吸水倍率：取一定量的實(shí)驗(yàn)小樣，然后將二次蒸餾水加入樣品中，通過自然過濾法測定其吸水倍率。（2）運(yùn)動(dòng)粘度：制備相同的實(shí)驗(yàn)小樣，按其吸水倍率的測定結(jié)果加入二次蒸餾水后，用XYD一265D型運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度測定器分別測定其運(yùn)動(dòng)粘度。

保水率測試：分別用電子天平稱量相同質(zhì)量的泡沫、海綿、棉花、PAM-SA，向其中加入質(zhì)量為M1的二次蒸餾水，然后在0、1、5、10、15 min時(shí)用漏斗進(jìn)行過濾，稱取濾出的水質(zhì)量為M2。然后通過保水率公式進(jìn)行計(jì)算：

滅火劑滅火性能測試：（1）將兩個(gè)大小一樣的白鋼盤水平放在地面，測定環(huán)境溫度和風(fēng)速。（2）用量筒量取2份60 mL的乙醇分別倒入兩個(gè)白鋼盤并且點(diǎn)燃，點(diǎn)火的時(shí)候開始計(jì)時(shí)。（3）燃燒30 s后，火勢穩(wěn)定后進(jìn)行滅火。（4）在第一個(gè)燃燒的白鋼盤直接倒入二次蒸餾水V1直至滅火后，用秒表計(jì)時(shí)2 min內(nèi)觀察是否發(fā)生復(fù)燃。若發(fā)生復(fù)燃，再繼續(xù)倒入二次蒸餾水V2至滅火后。最后對滅火所用水量和時(shí)間進(jìn)行記錄。（5）在第二個(gè)燃燒的白鋼盤中先加入制備好0.5 g的PAM-SA新型水系滅火劑噴灑在白鋼盤中，再倒入二次蒸餾水V1直至滅火，用秒表計(jì)時(shí)2 min內(nèi)觀察是否發(fā)生復(fù)燃。若發(fā)生復(fù)燃，再繼續(xù)倒入二次蒸餾水V2進(jìn)行滅火。最后對滅火所用水量和時(shí)間進(jìn)行記錄。

例如：在進(jìn)行電解飽和食鹽水的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師采用實(shí)物投影的技術(shù)可以放大傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中陰陽兩極產(chǎn)生的氣泡現(xiàn)象以及陽極產(chǎn)生的黃綠色氣體.讓學(xué)生可以清晰牢固的記清陽極和陰極分別出現(xiàn)了什么樣的生成物.教師還可以在教學(xué)鈉的性質(zhì)時(shí)，把切割鈉的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象放大并投影到課堂上，學(xué)生可以觀察到切割出的鈉從銀白色迅速變?yōu)榘祷疑膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象.這樣的教學(xué)過程讓學(xué)生能夠更加直觀的了解電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，提高學(xué)生將教師講授知識轉(zhuǎn)換自身知識的轉(zhuǎn)換率.

2 結(jié)果與討論

2.1 PAM-SA滅火劑的制備條件

本實(shí)驗(yàn)以聚丙烯酰胺( PAM)和高分子吸水樹脂(SA)為原料利用混配法合成滅火劑。在室溫條件下，進(jìn)行高分子凝膠水系滅火劑的性能測試。實(shí)驗(yàn)樣品的吸水倍率及運(yùn)動(dòng)粘度的結(jié)果見表1。

表1 滅火劑的性能測試Table 1 Performance test of fire extinguishing

從表l中可以推斷出，實(shí)驗(yàn)樣品中的PAM的質(zhì)量所占比例越大，實(shí)驗(yàn)樣品的運(yùn)動(dòng)粘度越粘，但1∶1.2之后粘度變化不大。而隨著實(shí)驗(yàn)樣品中的SA的質(zhì)量比例減小，樣品的吸水倍率變小，但從1∶1.2之后吸水倍率降低很多。因此，3號樣品性能最佳。

2.2 PAM-SA滅火劑抗酸堿性能的測試

2.2.1 pH值對滅火劑的吸水倍率影響分析

為了檢測pH值對實(shí)驗(yàn)樣品（質(zhì)量比為1∶1.2）的吸水倍率的影響，將吸水之后的滅火劑（按其吸水倍率添加水量）通過鹽酸、氫氧化鈉調(diào)節(jié)其pH值，再測量吸水倍率。測量結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，pH值從1～14時(shí)樣品的吸水倍率不斷變化，先是逐漸升高然后又逐漸降低。pH=7時(shí)，吸水倍率最高達(dá)到368.3;但pH值在5～9的范圍內(nèi)，樣品的吸水倍率，在323.8 ～368.3范圍內(nèi)變化;吸水倍率變化不大能夠滿足滅火劑的要求。而pH＜5.0或pH＞9.0吸水倍率變化明顯，這可能是由于酸堿性過大導(dǎo)致高分子吸水樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)坍塌而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)樣品的吸水能力降低。

2.2.2 pH值對滅火劑運(yùn)動(dòng)粘度的影響分析

為了檢測pH值對實(shí)驗(yàn)樣品（質(zhì)量比為1∶1.2）的運(yùn)動(dòng)粘度的影響，將吸水之后的滅火劑（按其吸水倍率添加水量）通過鹽酸、氫氧化鈉調(diào)節(jié)其pH值，再測量其運(yùn)動(dòng)粘度。測量結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，pH值從1～14時(shí)樣品的運(yùn)動(dòng)粘度不斷變化，先是逐漸升高然后又逐漸降低。pH=7時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度最高達(dá)到2 178.0 mm2/s。但pH值在5～9的范圍內(nèi)，樣品的運(yùn)動(dòng)粘度，在1 693.1～2 178.0 mm2/s范圍內(nèi)變化; 運(yùn)動(dòng)粘度變化不大能夠滿足滅火劑的要求。而pH＜5.0或pH＞9.0運(yùn)動(dòng)粘度變化明顯，這可能是由于酸堿性過大導(dǎo)致高分子吸水樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)坍塌而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)樣品的運(yùn)動(dòng)粘度降低。

通過圖1和圖2綜合對比，顯著地看出當(dāng)pH在5～9時(shí)，吸水倍率和運(yùn)動(dòng)粘度的變化都不大。表明新型PAM-SA高分子凝膠水系滅火劑有一定抗酸堿能力，在pH為5～9的范圍內(nèi)有良好的滅火性能。

圖1 pH值對實(shí)驗(yàn)樣品吸水倍率的影響Fig.1 Effect of pH value on water absorbency of the experiment samples

圖 2 pH值對實(shí)驗(yàn)樣品粘度的影響Fig.2 Effect of pH value on the viscosity of the experiment samples

2.3 PAM-SA滅火劑保水率的測試

PAM-SA滅火劑的保水率與水在燃燒物中停留的時(shí)間、應(yīng)用的面積、冷卻效果有關(guān)，所以對滅火劑保水率的測定很重要。選取泡沫、海綿、棉花與PAM-SA滅火劑作對比，如表2所示，一分鐘之后泡沫、海綿、棉花的保水率顯著下降，而高分子吸水樹脂強(qiáng)大的吸水鎖水能力使得滅火劑的保水率達(dá)到100%。

表2 泡沫、海綿、棉花、PAM-SA材質(zhì)的保水率Table 2 Water retention rate of oam,sponge,cotton,PAM-SA

2.4 新型PAM-SA水系滅火劑滅火性能測試

滅火實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)滅火劑最直接有效的方法。利用新型PAM-SA水系滅火劑和水進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)對比，通過滅火實(shí)驗(yàn)的對比，檢驗(yàn)新型PAM-SA水系滅火劑的滅火效果。在室外選取一塊空曠的地方，測定其溫度為23 ℃，風(fēng)速為為2 m/s，然后進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3，由表3可知第一個(gè)白鋼盤中第一次加入水V1（150 mL）時(shí)火熄滅，但在20 s后火又復(fù)燃，又加入水V2（80 mL）后，火熄滅，再?zèng)]有發(fā)生復(fù)燃。總共用水230 mL，用時(shí)32 s。第二個(gè)白鋼盤中先加入0.5 g新型PAM-SA水系滅火劑,在加入水V1(135 mL)時(shí)火熄滅，在白鋼盤中形成水凝膠，2 min內(nèi)沒有發(fā)生復(fù)燃的情況，滅火用時(shí)8 s。

表3 滅火實(shí)驗(yàn)對比Table 3 The results of fire extinguishing experiment

通過對比發(fā)現(xiàn)加入0.5 g的PAM-SA型高分子水凝膠滅火劑比直接用水滅火少用了95 mL的水和24 s時(shí)間。使用PAM-SA型高分子水凝膠滅火劑節(jié)約用水41.30%且節(jié)約時(shí)間，滅火效果明顯，沒有發(fā)生復(fù)燃情況。綜上所訴，PAM-SA型高分子水凝膠滅火劑滅火效率高，應(yīng)用范圍廣，而且滅火劑滅火后遺留殘物對環(huán)境無污染。

3 結(jié)束語

本文以高分子吸水樹脂(SA)為基料，聚丙烯酰胺( PAM)為輔助試劑，采用混配法制備了新型PAM-SA高分子凝膠水系滅火劑。通過性能測試證實(shí)了此滅火劑具有100%的保水率，具有一定的抗酸堿能力（pH：5～9）。滅火時(shí)能夠節(jié)省用水量、滅火時(shí)間短、復(fù)燃率差的特點(diǎn)。國內(nèi)關(guān)于利用高分子吸水樹脂來制備滅火劑的研究較少[4,5]，未來會(huì)成為滅火劑研究熱點(diǎn)之一。

［1］ 徐曉楠．滅火劑與應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

［2］ 周波.新型高分子水系滅火劑的制備及其滅火性能研究[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,8(3):179-181.

［3］ 鄒新禧.超強(qiáng)吸水劑 [M].第二版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［4］ 張丹. PAM—SA新型水系滅火劑的制備及性能研究[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,29（1）:15-17.

［5］ 馮曉琦.改性高分子吸水滅火劑的制備及在滅火方面的應(yīng)用[D]. 太原:太原理工大學(xué)碩士論文,2012.

Study on Preparation and Fire Extinguishing Performance of a New Type of Polymer Gel Water Extinguishing Agent

WANG Jian1, ZHANG Da1,2, SONG Jia1,2
（1. College of Chemistry,Chemical Engineering and Enviromental Engineering，Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001，China； 2. Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Fushun Liaoning 1 13001，China）

A new polymer hydrogel fire extinguishing agent was prepared with polypropylene ether amines (PAM) and super absorbent polymers (SA) as raw materials. The result shows that when PAM/SA mass ratio is 1:1.2，water absorbency is 368.3, viscosity is 2 178.0 mm2/s and pH value is 5.0～9.0, the extinguisher prepared has best fire-extinguishing capability. Compared with water , PAM-SA type polymer hydrogel extinguishing agent can save water 41.30%, greatly shorten the time of fire extinguishing; and the reignition will not occur any longer after fire extinguishing with PAM-SA type polymer hydrogel extinguishing agent.

Water extinguishing agent ; Binder; Super absorbent resin

TQ 316

： A

： 1671-0460（2015）01-0018-03

中國石油化工股份有限公司資助，項(xiàng)目號：2012HB1101。

2014-06-14

王建（1991-），男，甘肅武威人，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，研究方向：從事分析檢測技術(shù)工作。

張丹（1980-），女，講師，博士在讀，研究方向：從事滅火劑研究。E-mail：495553468@qq.com。