一種反相泡沫滅火材料的制備及性能研究

卞建峰，賀擁軍，牟國棟

(1.陜西省消防總隊，陜西 西安 710018；2.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710054)

一種反相泡沫滅火材料的制備及性能研究

卞建峰1，賀擁軍2，牟國棟3

(1.陜西省消防總隊，陜西 西安 710018；2.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710054)

制備出一種反相泡沫滅火材料，測試了其流動性、穩定性和滅火性能，探討了滅火機理。結果表明：反相泡沫滅火材料具有固包水型結構，在71 ℃環境中20天和-18 ℃環境中30天粒徑和流動性沒有變化，撲滅50 cm油盤火和小型木垛火的用量與超細干粉相當。反相泡沫滅火材料能夠同時發揮水的冷卻、窒息作用，以及干粉的化學抑制作用，具有一定的應用前景。

反相泡沫；滅火；機理

近年來，隨著我國經濟社會的高速發展以及城市化水平的提高，火災造成的生命財產損失不斷上升，急需高效、清潔、綠色的滅火材料[1]。2010年，我國依據《蒙特利爾議定書》全面停止鹵代烷類滅火劑(哈龍)的生產和使用，面臨著研究開發哈龍替代產品的迫切任務。目前，國內外哈龍替代物主要包括惰性氣體、二氧化碳、超細干粉、細水霧以及熱氣溶膠等。

惰性氣體滅火劑主要通過窒息、降溫等物理作用進行滅火[2-3]。惰性氣體來源于大自然，滅火過程潔凈，噴放后不會引起防護區內溫度急劇下降，對精密設備和其它珍貴財物無傷害，但惰性氣體滅火劑尚存在滅火濃度高和裝備龐大等缺點[2]。二氧化碳的滅火機理主要是稀釋和窒息作用，同時還有一定的冷卻效果，有全淹沒和局部應用兩種形式。二氧化碳易于制造、來源廣泛、價格低廉，但二氧化碳滅火劑用量大，滅火濃度高，還存在一定的毒性危害[4]；同時，二氧化碳雖然不破壞臭氧層，但會產生溫室效應。超細干粉滅火劑的粒徑小、流動性好，有較好的彌散性和電絕緣性，其滅火機理是以化學滅火為主，通過化學、物理雙重機能撲滅火焰，既能應用于相對封閉空間的全淹沒滅火，也可用于開放場所的局部保護滅火[5-6]。細水霧是通過高壓或氣流使流過特殊噴嘴的水形成極細水滴，既能以局部應用形式使用，也能以全淹沒形式應用[7]。但細水霧的滅火能力受空間、噴射角度、噴射動能、環境通風、火災熱煙氣等諸多因素的影響[8]，必須根據應用場所的特點進行具體設計才能保證滅火效果。熱氣溶膠滅火劑是近年來發展起來的一種新型滅火劑，由氧化劑、還原劑、燃速調節劑、黏合劑等組成。熱氣溶膠滅火劑具有滅火效能高、不破壞臭氧層、無毒、固體儲存、安裝維護簡單等優點[9]，但由于氣溶膠中的微粒對光的吸收和散射作用，可使現場的能見度降低，不能用于人員密集的場所[10]。同時，氣溶膠中懸浮的固體微粒經過一段時間之后會發生沉降，因此在一些有超凈要求的場所也不能使用[11]。

綜上所述，現有各種滅火材料各具優點，但也各自存在一定不足之處。因此，為應對我國嚴峻的火災形勢，開發滅火性能良好、環境友好和具有成本競爭優勢的新型滅火材料仍是一個重要的課題。

本文對一種反相泡沫滅火材料進行研究，該材料是以固體材料為壁材，以磷酸二氫銨、碳酸氫鈉、碳酸銨等具有滅火性能鹽類的水溶液為芯材的核殼材料，并對材料的滅火性能進行了測試。

1 反相泡沫滅火材料的制備

將15 g磷酸二氫銨、3 g氯化鈉加入100 mL水中，攪拌得到澄清溶液。給此溶液中加入0.5 g十六烷基三甲基溴化銨、0.2 g十二烷基硫酸鈉和其它助劑，在45 ℃條件下進行攪拌反應60 min，然后在反應混合物中加入氧化鋁、碳酸鈣和其它分散助劑，升溫至55 ℃攪拌30 min，冷卻至室溫，制備出反相泡沫滅火材料。

2 反相泡沫滅火材料的性能

2.1 流動性

根據《表面活性劑 粉體和顆粒休止角的測定》(GB 11986-89)，測量反相泡沫材料的休止角和流出速度。反相泡沫材料的平均休止角為29.39°，流出速度為11.6 mL·s-1，具有較好的流動性。

2.2 穩定性

反相泡沫滅火材料具有固包水型結構，其含水量超過60%，但外觀仍為粉末狀，具有較好的流散性。圖1為反相泡沫滅火材料照片，圖2為其顯微照片。

圖1 反相泡沫滅火材料

圖2 反相泡沫滅火材料的顯微照片

將反相泡沫滅火材料放入20 mL試管中，用橡膠塞封口放入71 ℃烘箱中。一定時間后取出滅火材料，測定其粒徑變化，結果表明滅火材料在71 ℃環境中20天粒徑沒有顯著變化。用沙鐘測試表明，滅火材料的流動性沒有變化。

將反相泡沫滅火材料放入塑料袋中密封，置入-18 ℃的冰箱冷凍箱中。一定時間后取出，測定粒徑變化，結果表明滅火材料在-18 ℃環境中30天粒徑沒有顯著變化。用沙鐘測試表明，滅火材料的流動性沒有變化。

這證明反相泡沫滅火材料對環境溫度變化具有一定的抵抗能力。這可能是因為隨著環境溫度變化，反相泡沫滅火材料的水核發生輕微膨脹或者收縮，其固體殼層也發生了相應形變，能夠保持原有的結構。

2.3 滅火性能

2.3.1 滅B類火

用50 cm油盤測試反相泡沫滅火材料撲滅B類火性能。每次加水35 L，加汽油800 mL。給1 000 g扁球形固定式滅火器中加入滅火材料，充壓至1.2 MPa。滅火器噴口距油面1.5 m，用小藥包啟動滅火器。拍攝視頻記錄滅火過程和滅火時間。若油盤火撲滅，則減少滅火材料的裝入量，測出撲滅油盤火的最小滅火劑用量。用上述同樣方法進行某品牌超細干粉的滅火性能測試。

當反相泡沫滅火材料的用量為150 g、130 g、110 g、100 g時，均能撲滅油盤火。而當滅火材料用量為90 g時，撲滅油盤火的概率為50%，因而可以確定反相泡沫滅火材料撲滅50 cm油盤火的最小用量為100 g。這與某品牌超細干粉的用量相當。滅火過程如圖3所示。

2.3.2 滅A類火

用3 cm×3 cm×40 cm松木棒釘成小型木垛。

圖3 反相泡沫材料撲滅油盤火過程

木垛每層有4個松木棒，共8層。用盛有300 mL汽油和500 mL水、邊長20 cm的油盤引燃木垛2 min，然后讓木垛自燃2 min。用手提式滅火器滅火，火焰撲滅后15 min不復燃為滅火成功。用上述同樣方法進行某品牌超細干粉的滅火性能測試。

當反相泡沫滅火材料的用量為800 g、750 g、700 g、650 g時，均能撲滅木垛火。而當用量為600 g時，撲滅木垛火的概率小于50%，因而可以確定反相泡沫滅火材料撲滅該木垛火的最小用量為650 g，也接近某品牌超細干粉的用量。滅火過程如圖4所示。

2.3.3 滅火機理

反相泡沫滅火材料是一種外層為固體、內層為水溶液的核殼材料。當反相泡沫滅火材料與火焰接觸時，其殼層受熱破裂，核層的水溶液迅速蒸發，水溶液中的磷酸二氫銨等鹽類析出形成細小晶粒。水蒸發對火焰具有冷卻和窒息作用，而磷酸二氫銨等鹽類小晶粒對火焰具有化學抑制作用。因此，反相泡沫滅火材料撲滅火焰結合了干粉的化學作用和水的物理作用。

與干粉滅火劑相比，反相泡沫滅火材料除了具有化學滅火作用外，冷卻作用更強。與水相比，反相泡沫滅火材料把水束縛在固體殼體內，有效限制了水的自由流動，具有一定的堆積性，擴大了應用范圍，降低滅火時水造成的二次災害。反相泡沫滅火材料同時具有干粉滅火劑和水滅火的優點，而在一定程度上克服了兩者的缺點。

圖4 反相泡沫材料撲滅木垛火過程

3 結束語

反相泡沫滅火材料為一種固包水的核殼結構，同時具有水的冷卻、窒息作用，以及干粉的化學抑制作用；反相泡沫滅火材料的滅火性能與超細干粉相當。反相泡沫滅火材料具有一定的應用前景，但其滅火機理的細節還需要深入研究。

[1] 2008-2013年全國火災情況分析[EB/OL].http://www.119.gov.cn/xiaofang/nbnj/20476.htm.

[2] 劉海生,張鑫磊,宋麗霞.基于統計數據的全國火災形勢綜合評價與預測[J].中國安全科學學報,2011,21(6):73-77.

[3] ZHOU X M,LIAO G X,CAI B.Improvement of Water Mist Fire-extinguishing Efficiency with MC Additive[J].Fire Safety Journal,2006,41(1):39-45.

[4] LIU Z,KIM A K.A Review of Water Mist Fire Suppression Systems-fundamental Studies[J].Journal of Fire Protection Engineering,2000,10(30):32-50.

[5] 紀歡樂,張青松,吳斌斌,等.新型細水霧添加劑成分對滅火性能影響研究[J].中國工程科學,2012,14(11):82-87.

[6] EWING C T,FAITH F R, HUGHES J T,etal.Evidence for Flame Extinguishment by Thermal Mechanisms[J].Fire Technology,1989,(8):195-212.

[7] EWING C T,FAITH F R,HUGHES J T,etal.Flame Extinguishment Properties of Dry Chemicals:Extinction Concentrations for Small Diffusion Pan Fires[J].Fire Technology,1989,(5):134-149.

[8] WILLIAMS B A,FLEMING J W.Suppression Mechanisms of Alkali Metal Compounds[C]//Halon Opations Technical Working Conference,1999:157-169.

[9] KOUTSENOGII K P,SHMAKOV A G,SHVARTSBERG V M,etal.Fire Suppression by Low-volatile Chemically Active Fire Suppressants Using Aerosol Technology[J].Fire Safety Journal,2012,(51):102-109.

[10] NI X,KUANG K,YANG D,etal.A New Type of Fire Suppressant Powder of NaHCO3/Zeolite Nanocomposites with Core-shell Structure[J].Fire Safety Journal,2009,(44):968-975.

[11] 郎需慶,陶彬,張玉平,等.超細干粉滅火系統撲救儲罐火災研究[J].消防科學與技術,2013,32(8):878-890.

(責任編輯 陳 華)

A Study on the Preparation and Performance of a Reversed-phase Foam Fire Suppressant

BIAN Jian-feng1, HE Yong-jun2, MOU Guo-dong3

(1.FireCropsofShanxiProvince,Xi’an710018,China; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,ShanxiProvince710054,China; 3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,ShanxiProvince710054,China)

A reversed-phase foam fire suppressant was prepared. The fluidity, stability and fire extinguishing performance of the new fire suppressant were investigated, and the fire extinguishing mechanism was discussed. The results showed that the new fire suppressant had a water-in-solid structure. The particle size and fluidity of the new fire suppressant did not change at 71 ℃ for 20 days and at -18 ℃ for 30 days. The amount of the new fire suppressant for extinguishing a 50 cm oil pan fire was comparative to that of super fine powders. The new fire suppressant had the cooling effect of water as well as the chemical inhibition of dry powders, and had a promising application in the future.

reversed-phase foam; fire extinguishing; mechanism

2014-11-25

卞建峰(1962— )，男，陜西西安人，高級工程師； 賀擁軍(1967— )，男，陜西西安人，教授； 牟國棟(1957— )，男，陜西西安人，教授。

TQ569

A

1008-2077(2015)04-0041-04