超细微粒抑油剂的制备及性能研究

超细微粒抑油剂的制备及性能研究

0碳酸氢钠充填材料灭火能力普通粉末的粒度通常大于20m，主要用于局部火灾的保护。而研究发现,如果进一步降低普通干粉灭火剂的粒度,则不仅改变微粒的流动特征,而且能大大提高其灭火效率。Kibert等的试验结果表明,许多干粉灭火剂存在一个临界粒径,当干粉微粒的粒径小于该尺寸时,干粉的灭火效率大幅提高。而Chelliah等同样发现,碳酸氢钠灭火剂的灭火效率随着粒径的减小而提高,扑灭相同强度火焰所用的碳酸氢钠灭火剂的量也随之减少。Chattaway等对比了超细碳酸氢钠、超细碳酸氢钾灭火剂和普通碳酸氢钠及碳酸氢钾干粉灭火剂的灭火效率,并进行了定量研究。结果表明,超细碳酸氢钠、超细碳酸氢钾灭火剂的灭火能力是普通干粉类碳酸氢钠、碳酸氢钾的6～10倍。唐聪明等采用超音速气流粉碎机和特殊的表面处理方法对磷酸铵盐干粉进行超细化和硅化处理,制备出了平均粒径为7.28μm的超细磷酸铵盐系列干粉灭火剂。将超细化后的磷酸铵盐干粉灭火剂充装在手提式灭火器中,与普通磷酸铵盐干粉灭火剂进行局部灭火对比实验时发现,有效灭火次数由原来的2次增加到6次,有效灭火时间由原来的4s缩短到1s,其灭火效能约为普通型的4倍。张巍等采用水相合成法制备磷酸铵盐干粉灭火剂,以磷酸二氢铵为主料,加入滑石粉、云母粉、活性白土、硅油、白炭黑、硅酸钠等辅料,成功制备了粒径在100～500nm的超细磷酸铵盐干粉灭火剂。国内也有一些学者在超细粉体灭火剂研究方面取得了一些进展,进行了一些超细干粉灭火剂的表面处理与施放装置的研究。此外,国内一些企业如苏州吴越合成化工厂、武汉绿色消防器材有限公司等也研制开发了某些超细粉体灭火剂,并对其灭火性能制定了一些企业标准。本文拟研究不同粒度的磷酸二氢铵微粒灭火剂在全淹没条件下施放后的弥漫特征,以及其对B类火焰作用的有效性。1实验1.1示例1南京加热器有限公司试样原料磷酸铵盐质量分数90%的ABC干粉,由南京消防器材股份有限公司提供。将ABC干粉在行星式球磨机中进行超细化处理,在高速混合机中用硅油进行表面改性处理。2执法试块制备磷酸二氢铵微粒灭火剂通过XS-212型光学显微镜测定其体积平均直径。测定时在电子天平上称取(1.0±0.2)mg的灭火剂粉末,将其移至载玻片上,在灭火剂粉末上加一滴香柏油,用玻璃棒的侧面将粉末与液体进行混合,并在玻片的中央部位上前后摩擦分散粉体。玻璃片可稍加热,以促使香柏油的蒸发。继续进行摩擦直至微粒固定在玻片上为止。最后,将玻棒轻轻上举,使其以楔形的形式离开薄膜,形成微粒的梯度分布。盖上盖玻片,将试样玻片置于显微镜下,调整视场亮度,用10倍物镜寻找试样,找到后,改用100倍物镜进行观测统计,共统计3个不同视场内的微粒,然后,按式(1)计算该灭火剂的体积平均直径。式中dv¯¯¯dv¯为微粒体积平均直径;di为某一粒径范围的中心值,粒径范围分别为0～2μm,2～5μm,5～10μm,10～20μm和20μm以上;ni为落在该粒径范围内的灭火剂颗粒数。观测颗粒总数在1500粒以上,测定结果见表1。1.2油罐火在灭火室中的位置火焰类型为B类油火。油罐高12cm,内径8cm。罐内用清水垫底,倒入1cm厚的汽油。油罐火在灭火室中的位置见图1。灭火装置为1L容积的手提倒置式灭火装置,喷嘴口径为3.74mm,充气压力为1.2MPa,固定在灭火室的喷口处进行灭火。1.2.1聚合物纳米药剂实验为考察微粒在空气中的滞留时间与粒度之间的关系,使用了平均粒度为5.69μm的灭火剂进行沉降实验。将1组表面皿放置于图1所示灭火室内的地面上,不点燃油罐火。从灭火剂施放开始,定时取出1个表面皿,以获得该时段沉降下来的灭火剂样品。实验结束后,测定表面皿中的微粒粒度。为考察微粒灭火剂在驱动气体的作用下在灭火室内的流动分布情况,采用图2所示的实验布置图,将灭火室底部划分为64个20cm×20cm的区域。因灭火室在喷气口喷射方向上左右对称分布,右半部分的灭火剂质量分布规律与左半部分相似,故取灭火室的左半部分进行实验。在每个20cm×20cm的区域中心摆放一个直径为16cm的圆形灭火剂收集盘,共有4行32个灭火剂收集盘。测定微粒灭火剂在灭火室内的流动分布特征时,用充气压力为0.9MPa,喷嘴口径为3.74mm的灭火装置向灭火室内喷射一定质量的灭火剂。经过一段时间,微粒灭火剂在灭火室内基本沉降下来后,收集灭火室内沉积在灭火剂收集盘上的微粒灭火剂,并称量它们的质量。1.2.2高压喷射火焰灭火质量浓度是指熄灭火焰时,单位体积灭火空间内所需的灭火剂的最少质量。灭火质量浓度一般用于表征类似气体行为灭火剂的灭火浓度。灭火质量浓度与灭火剂的种类和测试方法等有关。称取质量为W1的灭火剂A,装入灭火装置中,并充入干燥氮气至压力1.2MPa。将灭火器倒置,并将喷嘴接上灭火室的喷气口,点燃灭火室中的2个小油罐,并敞开灭火室门让火焰预燃30s。关闭灭火室,喷射灭火剂灭火,并记录下喷射时间。喷射灭火剂1min后,打开灭火室,观察小油罐的灭火情况。2个油罐火均熄灭为灭火成功。称量灭火罐内剩余灭火剂的质量W2,则已喷射的灭火剂的质量W=W1-W2。根据火焰熄灭情况,适当增加或减少灭火剂的初始装入量W1,重复上述实验步骤。当火焰的熄灭情况在某一灭火剂量处发生改变时,以该灭火剂量重复做3次实验,以3次灭火2次熄灭为标准确定该灭火剂量为灭火质量浓度。由于喷射率的影响,该灭火质量浓度应该是一个区间。按以上实验步骤,测定灭火剂B、灭火剂C、灭火剂D、灭火剂E和灭火剂F的灭火质量浓度。1.2.3喷射压力对灭火时间的影响微粒灭火剂与火焰的相互作用有效性还体现在灭火时间的长短上。灭火时间同微粒灭火剂与火焰的混合速率有关,而微粒灭火剂与火焰的混合速率则与喷射压力有关。本文研究微粒灭火剂的喷射压力对灭火时间的影响。实验装置布置同图1所示,但只取灭火室地面中心的1个油罐火。将热电偶探头固定在油罐上方3cm高处,通过热电偶的温度变化来分析灭火剂灭火时间的长短。实验中采用体积平均粒径为2.48μm的微粒灭火剂250g,K型热电偶测温范围为0～1000℃,灭火装置喷射压力分别为0.6MPa、0.9MPa和1.2MPa。2结果与讨论2.1药剂粒径、粒度分布及其极值磷酸二氢铵微粒灭火剂在驱动气体的作用下喷出喷口后,形成了气固两相流体。超细粉末在随着气流运动的同时,部分粒度较大的灭火剂因重力作用,较快地沉降落地;另一部分粒度较小的微粒能在较长时间内在空气中作扩散运动,弥漫于空气之中。表2为灭火剂施放后不同时间取出的表面皿中微粒的平均粒度,实际上是灭火剂施放后沉降下的灭火剂的平均粒度。由表2可以看出,粒径越小,灭火剂微粒在空气中的滞留时间越长,其中平均粒度小于4.11μm的微粒在空气中的滞留时间大于15min。图3为沉积在灭火剂收集盘上的微粒灭火剂质量分布数据。由灭火剂的沉降质量分布可以反映出灭火剂在灭火室内的流动规律。由图3可以看出,灭火剂质量分布在灭火室中有两类极值点。第1类极值点在每行的第1点附近。这是因为灭火剂喷出后,首先撞击在灭火室喷气口对面的壁上,一部分灭火剂向下沉降,而其他的灭火剂则随气流沿壁继续运动。这部分沉降的灭火剂较多,在图3中表现为各行第1点的灭火剂质量较大。第2类极值点在每列的第4点与第6点之间。这是因为灭火剂的喷射有一个持续的过程,先喷射出的那部分灭火剂随气流运动撞壁沿壁绕流回头后,与后喷射出的灭火剂在此相撞,沉降下较多的灭火剂。综上所述,当超细微粒灭火剂的粒径较小时,灭火剂在空气中具有较长的滞留时间,并且微粒在空气中能够随着气流运动较长时间,当遇到障碍物时,能够发生类似于气流的绕流现象,对于全淹没场所的火灾具有一定的扑救能力。2.2磷酸铵盐灭火系统机理分析表3为扑灭2个油罐火时,各类灭火剂的灭火质量浓度值。由表3可以看出,当磷酸二氢铵微粒灭火剂的颗粒体积平均直径为2～10μm时,灭火剂的灭火质量浓度随着灭火剂的体积平均直径的减小而减少。灭火剂的灭火质量浓度越低,扑灭同一强度的火焰所需的灭火剂量就越少;反之,对于一定质量的不同灭火剂,灭火质量浓度低的灭火剂扑灭火焰的效能更高,灭火更为有效。由此可见,超细微粒灭火剂扑灭B类火灾非常有效。从机理上分析,磷酸铵盐灭火剂熄灭火焰主要是化学抑制作用。以油火为例,在燃烧过程中,产生了大量的OH和H自由基。它们具有很高的能量,非常活泼,而寿命又非常短,是维持燃烧连锁反应的关键自由基。当超细干粉喷入燃烧区与火焰混合后,粉粒与自由基接触并将其吸附在自己的表面,并发生一系列如下反应。M+OH→MOHMOH+H→M+H2O式中M代表超细粉粒。通过上述反应生成水和其他产物,以此消耗掉燃烧反应的关键中间产物,达到灭火的目的。超细微粒灭火剂的粉粒越小,与火焰的接触面积越大,所吸收的自由基也越多,从而对燃烧的抑制作用也越大。此外,磷酸二氢铵由于其受热易分解的特性,当颗粒粒度减小后,粒子的分解吸热更容易,在火场中容易分解生成氨气,从而稀释火场中氧气的浓度,进一步增加灭火的能力。需要补充说明的是,在实际应用中,灭火剂微粒的粒径并不是越小越好。这是因为,在灭火时灭火剂微粒的运动还要受到火焰产生的热气流的影响,在某些条件下,还要受到风力的影响。当灭火剂的微粒太细时,微粒的动量不足,不容易穿透火焰产生的上升热气流到达火焰区与自由基作用,从而灭火效力受到影响。在本文中,由于实验空间和火焰强度是一定的,而灭火剂的粒径范围是在2～10μm,因此,体积平均直径最小的灭火剂其灭火效力最高。2.3第3阶段:稳定阶段35图4为火焰温度随时间变化的实测曲线。由图4可知,实验过程分为3个阶段:第1阶段为升温且温度保持相对恒定阶段,油罐火点燃并燃烧30s;第2阶段为急速降温阶段,冷气溶胶灭火剂喷射并熄灭火焰;第3阶段为缓慢降温阶段,油罐的火焰已经熄灭,但是由于油罐的辐射热,以及整个灭火空间的环境相对封闭,温度不易下降,降温过程显得比较平缓。灭火时间的长短可以看作灭火阶段的时间间隔大小。表4为采用不同喷射压力时,体积平均粒径为2.48μm的微粒灭火剂的平均灭火时间。从表4可以看出,在1m3灭火室中全淹没灭火条件下,该灭火剂的灭火时间随喷射压力不同而有所差异,但灭火时间均小于6s,灭火效果比较好。从理论和实验数据上分析,喷射压力较大时,灭火剂微粒容易穿透火焰产生的上升热气流而到达火焰区与自由基作用,因而灭火时间也相应较短。3气体灭火b类油火本文对平均粒度2～10μm的超细磷酸铵盐微粒灭火剂,在1m3灭火室内进行全淹没条件下的B类油火灭火实验,得出如下结论。1)超细磷酸二氢铵微粒灭火剂由于颗粒较小,能在空气中停留较长时间,在驱动