CN107427707B - 水增强灭火水凝胶 - Google Patents

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Abstract

本申请案提供经调配以使毒性和负面环境影响降到最低的水增强灭火水凝胶。本申请案提供一种组合物，其包含：(i)至少一种增稠剂；(ii)至少一种液体介质；以及，任选地，(iii)一种或多种悬浮剂，其中所述组合物由>75重量％消费级组分组成，并且其中所述组合物为可与水或水溶液混合以形成灭火水增强水凝胶的浓缩物。所述至少一种增稠剂、悬浮剂和液体介质中的每一种可为无毒和可生物降解的。本申请案还提供所述灭火水增强水凝胶和其制备方法以及其在消防或火灾预防期间的用途。

Description

水增强灭火水凝胶
相关申请案的交叉参考
本申请案要求2014年11月26日提交的美国临时申请案第62/084,965号的优先权权益，其在此以引用的方式并入如同全部内容在本文完全阐述。
技术领域
本申请案涉及消防试剂领域。更具体地说，本申请案涉及水增强灭火水凝胶。
背景技术
在世界范围内火灾威胁生命、财产和自然、郊区和城市景观。每年森林、灌丛和草地火灾毁坏数英亩的自然和郊区景观；其中自约1984年大火灾损失的英亩的总平均值逐渐增加[http://climatedesk.org/2014/06/this-is-how-much-america-spends-putting-out-wildfires/]。此毁坏不仅在木料、野生动物和家畜的损失方面，而且在冲蚀、破坏流域平衡和自然环境的相关问题方面。在郊区、城市和工业区域中，火灾可导致生命、财产、设备和信息基础设施的损失的数十亿美元损害；不仅来自火灾自身，而且来自用于熄灭火灾的水。
火和其构建体常常通过‘燃烧四面体’描述，其定义热量、氧气、燃料和所得连锁反应为产生火灾所需的四个构建体；去除任何一个将防止火灾出现。存在五种类别的火灾：A类，其包含普通可燃物，如木材、织物等；B类，其包含可燃液体和气体，如汽油、溶剂等；C类，其包含带电电气设备，如计算机等；D类，其包含可燃的金属，如镁、锂等；以及K类，其包含烹调介质，如烹调油和脂肪。水通常为防御某些类别的火灾(例如A类)的第一线，并且不仅用于熄灭所述火灾，而且防止它们扩散；至少部分由于水经由其高热容量(4.186J/g℃)和汽化热(40.68kJ/mol)吸收热量的能力，因此冷却表面，以及其物理地代替火周围的空气能力，并且使火失去氧气。
然而，使用水灭火和/或防止火扩散到附近结构存在缺点。通常，大部分的水在未涂布和/或浸泡的结构处导入自身结构以提供进一步火灾防护，但是相反地流出损失并且浪费；因为吸收的水快速蒸发，所以的确浸泡到结构中的水通常极少，提供有限的防护。另外，水直接喷洒在火上往往会在火的上层汽化，导致显著较少水渗透到火的底部以熄灭火。
因此，可消耗大量的人力和当地水资源以将水持续重新施加在燃烧结构上以熄灭火焰，或重新施加在附近结构上以提供火灾防护。
为了克服作为消防资源的水的限制，已开发添加剂以增强水熄灭火的能力。这些添加剂中的一些包括水可溶胀聚合物，如交联丙烯酸或丙烯酰胺聚合物，其可吸收其重量的多倍的水，形成凝胶状粒子；当分散于水中时，这些渍水粒子可直接喷洒到火上，减少灭火所必需的时间和水的量，以及流出的水的量(例如参见美国专利7,189,337和4,978,460)。
其它添加剂包括与聚醚衍生物交联的丙烯酸共聚物，其用于赋予水触变特性(例如，参见美国专利7,163,642和7,476,346)。此类触变混合物在剪切力下变稀，使它们从软管喷洒到燃烧结构或地面上；当去除那些剪切力时，混合物稠化，使它粘附到表面并且涂布表面，熄灭火焰，并且防止火扩散，或防止结构重燃。
在当前市售产品中采用的添加剂不是天然来源的，并且不为可易于生物降解的。与这些聚合物添加剂相关联的缺点为在消防期间使用之后它们可久存于环境中，和/或可生物聚积或导致对周围环境的不良影响。
已增加对无毒、可生物降解、可再生和/或天然来源的材料的研究以致力于代替卤素类/合成消防材料并且降低其环境影响。热塑性淀粉(TPS)，如改性的淀粉或淀粉共聚物已由本领域的普通技术人员提出作为一种此类无毒、可生物降解、可再生和/或天然来源的材料。在室温下淀粉不是天然热塑性材料，然而，在高温下当与水混合时它可形成水凝胶；可替代地，它可进一步与塑化剂(如丙三醇)共混以另外形成水凝胶[Wu,K.；等人《工业与工程化学研究(Ind.Eng.Chem.Res.)》2009，48，3150-3157]。将TPS聚合物如聚乙烯醇(PVA)[Bao,Z.；等人《先进材料研究(Adv.Mater.Res.)》2012，518-523，817-820]或聚乳酸交酯(PLA)[Wu,K.；等人《工业与工程化学研究(Ind.Eng.Chem.Res.)》2011，50，713-720]共混据报道可提高TPS的亲水性特性，并且将TPS变成膨大的(在受热时溶胀)阻燃剂材料。另外，已报道，如果TPS用可生物降解天然纤维增强[Katalin,B；等人Polimery，2013，58，385-394]，那么其可燃性可降低。可替代地，TPS可与粘土共混以降低其可燃性：纳米尺寸的粘土(Cloisite 30B)可与淀粉溶剂共混以改进其热稳定性[Swain,S.k.；等人《聚合物复合材料(Polym.Comp.)》2013，印刷前]。然而，此类改性淀粉的制备通常需要化学试剂和先进合成。
继而，超吸收性聚合物由于其在卫生产品、农业佐剂和药品等中广泛应用已获得许多注意[Liu,L.S.；等人《聚合物(Polym.)》2012，4，997-1011]。另外，它们为水凝胶材料：具有溶胀并且保留大量水(最多99.9重量％)而不溶解在所述水中的能力的聚合材料。因为合成水凝胶通常不为可生物降解的，所以存在研究作为潜在水凝胶的多种天然淀粉来源，如：玉米淀粉[Kuang,J.等人《碳水化合物聚合物(Carbohydrate Polym.)》2011，83，284-290]、壳聚糖[Nanaki,S.G.；等人《碳水化合物聚合物(Carbohydrate Polym.)》2012，1286-1294]、瓜尔豆胶[Bocchinfuso,G.；等人《物理化学杂志(J.Phy.Chem.)》B2010，114，13059-13068]、纤维素和其衍生物[Sadeghi,M.等人《聚合物应用科学杂志(J.Appl.Polym.Sci.)》2008，108，1142-1151]、海藻酸盐和其衍生物等。这些淀粉中的仅一些为可商购的(例如纤维素衍生物、羟基乙基-淀粉)
仍存在对无毒和/或可易于生物降解的由天然来源的和/或消费级的水增强添加剂制成的消防或阻燃组合物的需要。
出于将本申请人相信的已知信息公布为可能与本发明相关的目的提供以上信息。未必打算承认，或不应理解为前述信息中的任一个构成针对本发明的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供水增强灭火水凝胶。根据本申请案的一方面，提供一种组合物，其包含：(i)至少一种增稠剂；(ii)至少一种液体介质；以及，任选地，(iii)一种或多种悬浮剂，其中组合物由>重量75％消费级组分组成，并且其中组合物为可与水或水溶液混合以形成灭火水增强水凝胶的浓缩物。至少一种增稠剂、悬浮剂和液体介质中的每一种可为无毒和可生物降解的。
在一个实施例中，根据权利要求1所述的浓缩组合物，其中组合物包含：(i)10wt％到75wt％的至少一种增稠剂；(ii)0wt％到10wt％的至少一种悬浮剂；以及(iii)15wt％到90wt％的至少一种液体介质。浓缩物可进一步包含一种或多种添加剂，其中的每一种任选地为无毒和可生物降解的。可并入浓缩物中的添加剂的实例为：盐抗微生物剂、抗真菌剂、抗氧化剂、着色剂、粘土、分散剂。这些添加剂可单独或以任何两种或更多种添加剂的任何组合并入。
在某些实施例中，当使用具有CS-34转子的布氏LVDVE粘度计以6.0rpm测量时，浓缩物组合物的粘度≥1000cP、≥2500cP、≥5000cP或≥10 000cP。
增稠剂在环境条件下可为固体或液体。合适的增稠剂包括例如胶、淀粉或组合一种或多种胶和一种或多种淀粉。合适的胶包括(但不限于)瓜尔豆胶、黄原胶胶、海藻酸钠、琼脂或刺槐豆胶，或其组合。在本发明浓缩物的具体实例中，增稠剂包含黄原胶、瓜尔豆胶或其组合。
可用作在本发明浓缩物中的增稠剂合适的淀粉包括(但不限于)玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、大米淀粉、羧甲基纤维素钠盐，或其任何组合。在本发明浓缩物的具体实例中，增稠剂包含玉米淀粉。
在某些实施例中，浓缩物组合物包含悬浮剂，其可为表面活性剂、乳化剂或两者。举例来说，浓缩物可包含悬浮剂，其包含卵磷脂、溶血卵磷脂、聚山梨醇酯、酪蛋白酸钠、单甘油酸酯、脂肪酸、脂肪醇、糖脂或蛋白质，或其任何组合。在特定实例中，悬浮剂为卵磷脂。
根据另一实施例，在浓缩物中的液体介质为食用油、丙三醇或低分子量聚乙二醇(PEG)，或其任何组合。在特定实施例中，PEG为PEG200到PEG400。在另一实施例中，食用油为坚果油、籽油、植物性油、植物油或芥花油，或其组合。在具体实例中，浓缩物包含食用油，其为芥花油。
在特定实施例中，浓缩物包含：(i)15wt％到25wt％黄原胶；(ii)10wt％到20wt％瓜尔豆胶；(iii)10wt％到20wt％玉米淀粉；(iv)1wt％到5wt％卵磷脂；以及(v)30wt％到64wt％芥花油。任选地，浓缩物另外包含0.1％到2.5％的脂肪醇，如油烯醇。
调配本发明浓缩物组合物以使毒性和负面环境影响降到最低。因此，在某些实施例中，组合物由>80重量％、>85重量％、>90重量％、>95重量％、>98重量％或大约100重量％消费级组分组成。
根据另一方面，提供一种水凝胶，其包含：约0.1wt％到30wt％的上文所述的浓缩物组合物；和70wt％到99.9wt％的水或水溶液，其中水凝胶为适用于消防、灭火和/或火灾预防的水增强灭火剂。在某些实施例中，水凝胶包含呈约0.1wt％到约1wt％，约1wt％到约5wt％，约5wt％到约10wt％或约15wt％到约30wt％的重量百分比的浓缩物组合物。在特定实施例中，水凝胶中浓缩物的重量百分比为1wt％到5wt％。
在某些实施例中，当用Viscolite 700粘度计测量时，水凝胶的粘度为0.1cP到1cP、1cP到5cP、5cP到10cP、10cP到15cP、15cP到30cP、30cP到60cP、60cP到90cP、90cP到120cP、120cP到150cP或>150cP。水凝胶可呈现非牛顿流体、假塑性和/或触变行为。
在一个实施例中，在施用应力的情况下，粘度降低，并且任选地在停止或已去除应力之后提高。粘度可在短时间段，如≤60s、≤40s、≤20s、≤10s或≤5s内出现提高。
在一个实施例中，水凝胶粘附到其所施用的表面。在一个实例中，施用(例如通过喷洒)具有降低粘度的水凝胶以流入、涂布和/或粘附到表面磨损和/或间隙。由于施用过程完成，在水凝胶上的应力停止并且水凝胶的粘度可提高，使得水凝胶保留在其所施用的表面上而不流出，或与当前使用的灭火调配物相比具有最低限度的径流。
本文所述的水凝胶当施用到燃烧表面时用于抑制火和/或熄灭火，或当施用到非燃烧表面时用于防止着火。
根据另一方面，提供制备水增强灭火水凝胶的方法，所述方法包含：(i)将本文所述的浓缩物组合物与水或水溶液合并；以及(ii)混合浓缩物和水溶液以获得基本上均质的水凝胶。在一个实施例中，选择浓缩物的重量百分比以实现水凝胶的特定粘度和/或表面粘附力。在特定实例中，引入浓缩物使得其在最终水凝胶中的重量百分比为约1wt％到约5wt％。
在一个实施例中，合并的步骤包含浓缩物的手动添加或直接机械喷射。根据使用的设备，水或水溶液保持在用于消防中的运载工具或便携式装置外部或车载的槽中。
在一个实施例中，混合步骤包含手动搅动；机械搅动、循环或搅拌，或施用剪切力(例如来自通过消防软管的加压的流动)。
根据另一方面，提供一种套件，其包含：(i)处于适合于允许或促进浓缩物组合物与水或水溶液混合的容器中的如本文所述的浓缩物组合物；和(ii)用于由浓缩物组合物制备水凝胶的说明。
附图说明
为了更好地理解本发明以及本发明的其它方面和另外特征，参考结合附图使用的以下描述，其中：
图1描绘当水凝胶从100ft消防软管排出时芥花类水凝胶的粘度随时间的改变的图形结果；
图2描绘由3wt％芥花类液体浓缩物形成的水凝胶的玻璃粘附力测试结果；
图3描绘当水凝胶从200ft消防软管排出时芥花类水凝胶的粘度随时间的改变的图形结果；
图4描绘当水凝胶从200ft消防软管排出时PEG300类水凝胶的粘度随时间的改变的图形结果；
表1概述经识别用于进一步研发的选择液体浓缩物的一般调配物；
表2概述各种浓缩物增稠剂的筛选结果；
表3概述初始液体浓缩物调配物和粘附力测试结果；
表4概述具有盐添加剂的PEG/丙三醇类水凝胶粘附力测试结果；
表5概述具有盐添加剂的芥花类水凝胶粘附力测试结果；
表6概述在添加卵磷脂之后液体浓缩物的沉降和前沿流动(front-flow)测试结果；
表7概述选择液体浓缩物的粘度和粘附力测试结果；
表8概述淀粉对液体浓缩物粘度和粘附力的影响；
表9概述黄原胶粒径对粘度的影响；
表10概述提高在液体浓缩物中的固含量对粘度的影响；
表11概述20L批料的芥花类液体浓缩物的粘度；
表12概述PEG300类液体浓缩物调配物和其粘度；以及
表13概述使用初始水凝胶调配物进行的初始燃烧测试。
具体实施方式
除非另外定义，否则本文中所用的所有技术和科学术语都具有与本发明本领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。
如本说明书和权利要求书中所用，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一(a/an)”和“所述”包括多个提及物。
如本文所用，术语“包含”将理解为意指以下列表为非穷尽性的且按需要可包括或可不包括任何其它附加合适的项目，例如一种或多种另外的(一种或多种)特征、(一种或多种)组分和/或(一种或多种)成分。
如本文所用，术语“消费级组分”是指食品级、个人护理级和/或药物级组分。术语“食品级”意指安全可用于食品，使得基于可用的科学证据摄入不对消费者的健康造成安全风险。术语“个人护理级”安全可用于体表施用，使得基于可用的科学证据体表施用不对消费者的健康造成安全风险。术语“药物级”意指安全可用于通过适当给药途径给药药物产品，使得基于可用的科学证据给药不对消费者的健康造成安全风险。
如本文所用，如果暴露量限于中等量且不摄入，那么术语“无毒”意指无毒的，无害的，不是由可损害人体健康的有毒的材料构成。无毒意指意味着如果不摄入，那么在可接受的量中对人类和动物的无害，并且甚至在摄入时不对摄入所述物质的人或动物产生即时严重有害的影响。术语无毒不意指能够由动物、植物或其它生物体吞咽或注入或以其它方式服用。术语无毒可意指物质被环境保护局(EPA)、世界卫生组织(WHO)、食品和药物管理局(FDA)、加拿大卫生部等分类为无毒。因此术语无毒不意指当在长期时间段内暴露于皮肤或以其它方式摄入时无刺激或不产生刺激。
当时用于描述本申请案的浓缩物或所得灭火水凝胶，术语无毒表明组合物在需要有效用作消防、灭火和/或防止试剂的浓度和暴露水平下对人类无毒，而不需要防护用具。
如本文所用，术语“(一种或多种)表面磨损”是指与表面的结构标准的任何偏差，如(但不限于)洞、裂缝、间隙、沟、切口、刮伤、开裂等。
如本文所用，术语“表面粘附力”是指组合物在任何方向上涂布和/或粘附到表面的能力(例如竖直粘附)。参照本申请案的水凝胶组合物，术语“表面粘附力”进一步是指水凝胶粘附到表面使得由于表面被水凝胶涂布得到足够的消防、抑制和/或防护的能力。
如下详述，当前公开的水凝胶和用于制备水凝胶的浓缩物已经调配为无毒和环境温和的。这已通过可成功地使用消费级材料制备水增强灭火剂的当前发现实现。因此，本发明组合物在无毒、可生物降解、可再生和/或天然来源的灭火剂方面克服与先前尝试相关联的许多缺点。
水凝胶形成浓缩物和其组分
本申请案提供浓缩物组合物，用于原位产生水凝胶，其包含>75％无毒消费级组分。在某些实施例中，浓缩物组合物的组分还可为可生物降解、可再生和/或天然来源的。任选地，浓缩物组合物包含>80％、>85％、>90％、>95％或>98％无毒消费级组分。
在一方面，浓缩物为包含至少一种增稠剂、液体介质和至少一种悬浮剂的液体浓缩物。此类液体浓缩物可为例如溶液、悬浮液或浆液。可替代地，浓缩物为包含至少一种增稠剂和至少一种悬浮剂的粉末或其它固体混合物。在任一替代方案中，调配浓缩物与水或水溶液混合，以形成具有灭火剂或阻燃剂特性的水凝胶。
增稠剂
如本文所述的水凝胶形成浓缩物需要至少一种物质充当增稠剂以帮助产生水凝胶。增稠剂可为例如聚合物。淀粉(其为可生物降解、天然来源的聚合物)可在存在水和热量的情况下形成凝胶。淀粉类水凝胶可由于其高水保持和表面粘附能力而充当阻燃剂[Ioanna G.Mandala(2012)《在简单混合物或模型食品中淀粉和非淀粉增稠剂的粘弹性特性，粘弹性-从理论到生物应用(Viscoelastic Properties of Starch and Non-StarchThickeners in Simple Mixtures or Model Food,Viscoelasticity-From Theory toBiological Applications)》，Juan De Vicente博士(编)，ISBN：978-953-51-0841-2，印天科技(InTech)，DOI：10.5772/50221。可购自：http://www.intechopen.com/books/viscoelasticity-from-theory-to-biological-applications/viscoelastic-properties-of-starch-and-non-starch-thickeners-in-simple-mixtures-or-model-food]。天然淀粉类水凝胶形成增稠剂的一个实例为羧甲基纤维素钠盐，其已经发现在个人润滑剂、牙膏和冰淇淋中用作增稠剂；它为食品级和可生物降解，并且可在水中在低到1％的浓度下吸收水。实际用于本发明浓缩物的其它类型的淀粉包括(但不限于)玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉和/或大米淀粉。
其它实际天然来源、可生物降解的增稠剂包括天然胶、如(但不限于)瓜尔豆胶、黄原胶、海藻酸钠、琼脂和/或刺槐豆胶，其中的一些用作在食品、药物和/或化妆品工业中的增稠剂。举例来说，瓜尔豆胶为主要来自瓜尔豆豆的研磨胚乳，并且据报导具有比玉米淀粉高的水增稠效能；黄原胶通过Xanthomonascamperstris生产[Tako，M.等人《碳水化合物研究(Carbohydrate Research)》，138(1985)207-213]。在低浓度下，黄原胶或瓜尔豆胶可带来水溶液粘度提高；以及由于胶的剪切稀化或假塑性行为，赋予粘度可根据溶液曝露于什么剪切速率而改变。另外，已观察到，黄原胶和瓜尔豆胶的混合物呈现协同效应：除了其剪切稀化特性之外，黄原胶和瓜尔豆胶的混合物比各自胶单独地赋予水溶液更高的粘度[Casas,J.A.等人《农业与食品科学杂志(J Sci Food Agric)》80：1722-1727，2000]。
液体介质
如上所述，水凝胶形成浓缩物可为固体组分(如粉末)或液体悬浮液/溶液的混合物。固体或液体浓缩物任一者可与水混合以形成水增强灭火水凝胶；然而，本领域的普通技术人员应理解，将浓缩物的组分预溶解或预悬浮于液体介质中可促进其与水混合，并且可能提高水凝胶形成的速率和/或简易性。无毒、消费级液体介质的实例包括(但不限于)食用油，如坚果/籽油，或植物/植物性油、丙三醇和低分子量聚乙二醇(PEG)。
除了为天然来源的和/或食品级之外，液体介质如植物油、丙三醇和PEG在零下温度下抗冻结；因此，用此类液体介质形成的浓缩物可在冬季和/或北极条件下维持其用于形成水凝胶的效用。另外，一些液体介质(如丙三醇和PEG)为水可混溶的，其还可增强浓缩物有效地与水混合并且形成水凝胶的能力。
在某些实施例中，浓缩物包含多于一种液体介质的混合物。
悬浮剂
由悬浮或溶解于液体介质(例如植物油)中的固体组分(例如增稠剂)形成的水凝胶形成液体浓缩物可随时间呈现固体组分的沉降。如果出现此类沉降，那么液体浓缩物可物理搅动以便重新悬浮或重新溶解其组分。可替代地，悬浮剂(例如表面活性剂或乳化剂)或悬浮剂的组合可添加到液体浓缩物以无限期地或足以维持用于水凝胶形成的浓缩物的效用的时间长度任一者使组合物稳定，或以有助于保持固体组分悬浮或溶解于液体介质中。
无毒、消费级表面活性剂和/或乳化剂的实例包括(但不限于)卵磷脂、溶血卵磷脂、聚山梨醇酯、酪蛋白酸钠、单甘油酸酯、脂肪酸、脂肪醇、糖脂和/或蛋白质[Kralova,I.等人《分散科学与技术杂志(Journal of Dispersion Science and Technology)》，30：1363-1383，2009]。此类表面活性剂可作为固体或液体提供。表面活性剂或表面活性剂的组合添加到浓缩物可提高浓缩物的粘度和/或提高在用水稀释浓缩物后形成的水凝胶的粘度。表面活性剂或表面活性剂的组合的此影响由于其悬浮液作用，和/或通过提高可包括在浓缩物或所得水凝胶中的材料的量而出现。
在某些实施例中，用于浓缩物中的(一种或多种)表面活性剂为液体。如本领域的普通技术人员将易于理解，此类液体表面活性剂可比固体表面活性剂更容易地与液体浓缩物的液体介质混合。因此，在一些实例中，(一种或多种)液体表面活性剂可更有效地将固体组分维持在悬浮液和/或溶液中。
在某些实施例中，浓缩物含有多于一种表面活性剂。表面活性剂可全部为固体表面活性剂，全部为液体表面活性剂或液体和固体表面活性剂的组合。
添加剂
其它组分或添加剂可添加到浓缩物以便影响或改变浓缩物或由所述浓缩物形成的水凝胶的一种或多种特性。适当的(一种或多种)添加剂可根据特定使用需要并入。举例来说，可添加添加剂以影响浓缩物和/或所得水凝胶的粘度和/或稳定性。可并入本发明浓缩物和水凝胶组合物的附加添加剂包括(但不限于)pH改性剂、分散剂(例如表面活性剂、乳化剂、粘土)、盐、抗微生物剂、抗真菌剂和染料/着色剂。无毒、消费级添加剂的特定非限制性实例包括：钠盐和镁盐(例如硼砂、碳酸氢钠、硫酸钠、硫酸镁)，其可影响水凝胶粘度和/或稳定性[Kesavan,S.等人，《大分子(Macromolecules)》，1992，25，2026-2032；Rochefort,W.E.，《流变学杂志(J.Rheol.)》31，337(1987)]；壳聚糖或ε聚离胺酸，其可充当抗微生物剂[
Figure BDA0001354688940000091
e Tecnologia，第19卷，第3期，第241到247页，2009；http://www.fda.gov/ucm/groups/fdagov-public/@fdagov-foods-gen/documents/document/ucm267372.pdf(2014年9月26日获取)]，和果胶，其可帮助形成水凝胶。
如本领域的普通技术人员应易于理解，(一种或多种)添加剂可添加到浓缩物，或(一种或多种)添加剂可在水凝胶的形成期间添加，或(一种或多种)添加剂可添加到水凝胶。
浓缩物通常在环境条件下通过以任何顺序混合组分制备。至少部分地基于所需的浓缩物的粘度选择每种组分(具体地说增稠剂、液体试剂以及(当存在时)悬浮剂)的相对量。一旦形成，浓缩物的存放期为约30天、1到3个月、3到6个月、6到9个月、9到12个月、12到15个月、15到18个月、18到21个月、21到24个月，或≥24个月。
水增强灭火水凝胶
本申请案进一步提供由上文所述的浓缩物形成的水增强灭火水凝胶，其包含无毒、消费级组分。在一个实施例中，水凝胶用于通过去除“燃烧四面体”(其由热量、燃料、氧气和连锁反应组成)的至少一个构建体灭家庭、工业和/或野火。在另一实施例中，水凝胶经由消防设备施用到燃烧或受到火威胁的结构，如大厦和/或景观组件(例如树、矮树丛、栅栏)。在一个实施例中，本文所述的水凝胶可用于灭A类火灾(即，木材和纸火灾)；在另一实施例中，所述水凝胶适用于灭B类火灾(即，油气火灾)。
水凝胶形成和施用
如本文所述的水增强灭火水凝胶可通过将如上所述的浓缩物与水或水溶液混合形成。当使用消防设备施用时，浓缩物与设备的供水混合，并且然后施用到目标物体(如结构、大厦和/或景观元件)以熄灭、抑制或防止火灾或保护免受火灾。适用于施用本申请案的水凝胶的消防设备包含用于将浓缩物与水或水溶液混合的装置和用于将所得水凝胶喷洒到目标物体上的装置。在一个实施例中，消防设备另外包含用于容纳浓缩物直至需要的贮存器；所述贮存器与混合装置流体连通使得浓缩物可从贮存器移动到用于与水或水溶液混合的混合装置。在另一实施例中，消防设备另外包含用于将水或水溶液引入到用于混合的装置的装置，或流体地连接到用于混合的装置的贮存器，使得水或水溶液可从贮存器移动到用于与浓缩物混合的混合装置。消防设备的非限制性实例包括配备喷雾嘴的背包，或喷水系统。消防设备可安装在运载工具(如卡车、飞机或直升机)上或在其中。
根据一个实施例，其中水凝胶用于使用消防车或其它消防运载工具(包括飞行器)消防，经由以下非限制性过程形成和使用本文所述的水凝胶：将水凝胶形成浓缩物添加到卡车的水填充的转储槽和/或其它便携式槽，并且经由循环软管或其等效物与水混合；一旦形成，将水凝胶泵送离开(一个或多个)槽，并且经由硬抽吸软管或其等效设备将水凝胶施用到目标物体(例如大厦或景观元件)。
在替代实施例中，手动地或经由喷射系统任一者将浓缩物直接添加到运载工具的车载水槽，并且经由循环在槽中混合。在此实施例的一个实例中，喷射系统包含‘在泵之后的’系统，其将指定量的浓缩物喷射到流经运载工具的泵的水中，并且将要进入消防软管；水移动通过软管的摩擦帮助混合浓缩物与水以在软管中产生水凝胶。在另一具体实例中，喷射系统将浓缩物从专用贮存器泵送到刚好在软管线之前将浓缩物引入到水中的喷射管；计算机化系统计算经由在所述喷射管上的流量计的水流量以将所需量的浓缩物经由特别设计的套管轴喷射到管和软管流中。
另外，消防运载工具适当地配备有管线内喷射系统，使浓缩物直接与水添加在管线内，其可随后经由物理搅动和/或在软管自身内的剪切力混合。
如本领域的普通技术人员应易于理解，虽然用于上文所述水凝胶形成的方法可具体地说参照消防车，但是此类方法同样适用于使用飞行器(如飞机或直升飞机)消防，其中水或其它水溶液为从含在飞行器内或通过飞行器悬浮任一者的槽落下的空气。
在另一实施例中，水凝胶调配物在使用消防背包消防时由浓缩物制成。在此实施例中，浓缩物可直接添加到背包的水填充的贮存器，并且手动地或机械地摇晃以形成水凝胶。一旦形成，水凝胶可经由背包的喷雾嘴施用到必需物体或表面。
在另一实施例中，如本文所述的浓缩物可添加到喷水系统的供水，使得在由于热量、烟和/或火灾检测时启用，系统喷洒如本文所述的水凝胶，而不是仅喷洒水(如在当前实践中)。在一个实施例中，喷水系统一旦启动，专用的泵系统将浓缩物喷射到洒水器的水系统，在施用到物体或区域(例如大厦、房间或景观区域)之前，产生具有与洒水器的流量要求相容的特性的水凝胶。在另一实施例中，喷水系统包含被设计成提供用于将水凝胶施用到物体或区域(例如大厦、房间或景观区域)的优化的喷洒模式的洒水喷头。
在又一实施例中，用于施用如本文所述的水凝胶的喷水系统包含：用于将如本文所述的浓缩物注入洒水器的水系统中的专用泵；被设计成提供用于水凝胶施用的优化喷洒模式的洒水喷头；计算水和/或水凝胶流量的计算机化系统；检测在干燥管道中水流量的流量计；以及被设计成以一种方式将浓缩物引入水中的喷射点，所述方式使得与喷水系统和其既定用途相容。
水凝胶消防特性
本文提供的水凝胶(如由本文另外提供的浓缩物形成)由于其物理和/或化学特性而适用作消防试剂。水凝胶比水更粘稠，并且当暴露于高温条件(例如火)时由于其水吸收、粘度提高组分而通常抗蒸发、径流和/或燃烧。这些水凝胶另外呈现剪切稀化、触变、假塑性和/或非牛顿流体行为，使得当它们经受应力(如(但不限于)剪切应力)时其粘度降低，其中当去除那些应力时其粘度再次提高。
因此，一旦形成，本发明水凝胶可经由软管和/或喷雾嘴以类似于水的方式喷洒到燃烧物体(例如大厦或景观元件)上；并且一旦水凝胶不再经受喷洒的应力，其粘度将提高以大于水的粘度。因此，水凝胶可以几乎任何角度涂布和粘附到其所施用的表面，使它们通过置换氧气和冷却表面熄灭火，防止火轰燃，和/或进一步经由水凝胶对蒸发、径流和/或燃烧的一般抗性而保护表面不重新点燃。
另外，因为粘度提高应不为瞬时，所以水凝胶可‘蠕动’或‘渗出’进入在大厦或景观元件中的表面磨损或结构间隙，如(但不限于)开裂、洞、裂缝等，涂布和保护由于蒸发或径流应另外难以用水或其它消防试剂如泡沫剂保护的表面。这将为消防员的仓库提供渗透消防的元件：一旦水凝胶的粘度已提高，它将在所述开裂、表面磨损、结构间隙等中、在其上、在其下和/或在其周围形成保护层。另外，因为在消防中使用水凝胶将代替直接使用水，所以使用本文所述的水凝胶可使水对表面的损坏降到最低。
在一个实例中，水凝胶在接近火的头部施用，作为隔断火或以保护财产(例如平房、住宅或商业或城市建筑)任一者。消防员可经由“涂布和接近”进行以保护在通过水凝胶的涂布设定的圆周内的消防员，使消防员建立受保护的离开途径。
为了更好地理解本文所述的本发明，阐述以下实例。应理解，这些实例仅出于说明性目的。因此，其不应以任何方式限制本发明的范围。
实例
一般实验
材料
除聚乙二醇(PEG200或PEG300)、丙三醇之外，所用的所有材料均为天然来源的。PEG 200/300和丙三醇为具有低毒性的不可燃液体并且可以为食品/食品接触/个人护理/药物添加剂任一者的食品/个人护理/药物级获得。实验用化学和/或分析级聚乙二醇和丙三醇进行；然而，其化学/物理特性被视为等效于其食品级形式。直接使用新鲜自来水而不经进一步纯化。所有化学物质以从商业供应商的原样使用：黄原胶(食品级，PO#DW-456270，Univar,17425NE Union Hill Road,Redmond,WA；加拿大Bulk Barn)；瓜尔豆胶(P.L.Thomas&Co公司，119Head Quarters Plaza,Morristown,NJ；加拿大Bulk Barn)；玉米淀粉(加拿大Bulk Barn)；芥花油(加拿大安大略省金斯敦的FreshCo(FreshCo,Kingston,ON,Canada))；PEG200(加拿大安大略省奥克维尔的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,Oakville,ON,Canada))；PEG300(加拿大安大略省奥克维尔的西格玛-奥德里奇公司)；以及丙三醇PEG200(加拿大安大略省奥克维尔的西格玛-奥德里奇公司)。
用于生产液体浓缩物的一般方法
液体浓缩物由至少四种类型的材料构成：增稠剂(例如胶)、淀粉、液体介质，和任选地其它天然来源的和/或可生物降解添加剂(例如表面活性剂)。在烧杯中测量并合并所有干燥成分(例如胶、淀粉等)。所述成分用药匙缓慢混合直至获得适当均质的干混合物。使用量筒测量所需量的选择的液体介质(例如芥花油、PEG等)，随后添加到含有所述干混合物的烧杯，并且用药匙缓慢搅拌直至观察没有干粉或分离的液体介质。液体浓缩物随后视为可供使用。选择的液体浓缩物的一般调配物在表1中概述。
用于生产水凝胶的一般方法
由前述液体浓缩物产生水凝胶涉及在150mL烧杯中混合液体浓缩物(3g)与新鲜自来水(97g)。随后IKA T25匀化器用于将组分彻底混合在一起(8600rpm维持10秒)，其后形成水凝胶。
用于评估液体浓缩物和/或水凝胶的一般测试方法
粘度测试
使用具有CS-34转子的布氏LVDVE粘度计测定液体浓缩物的粘度。将每种样品添加到小样品适配器，并且在室温下以6.0rpm测试粘度。
在玻璃上的粘附力
为了测试水凝胶的玻璃粘附力，在将载片浸入水凝胶到1.5英寸的深度维持60秒之前，称量3英寸×1英寸(L×W)显微镜玻璃载片。在玻璃载片从水凝胶取出之后，在再次称量之前将玻璃载片悬挂10分钟。根据前后重量的差计算保持粘附到载片的水凝胶的质量。
沉降测试
每种液体浓缩物为悬浮液，随时间推移固体成分可从所述悬浮液缓慢沉降出，产生二相混合物，其中液体层在顶部。沉降测试用于定量所述液体浓缩物中的分离。将每种测试的液体浓缩物添加到100mL量筒。因为在量筒中出现沉降，所以可持续记录所述液体顶层的体积直至沉降完成。测试结果示出为在液体浓缩物的总体积中的顶层体积。
前沿流动测试
来自沉降测试的每种样品随后用于前沿流动测试中以确定哪些样品提供最小沉降同时维持良好流动。随后通过在预称量的烧杯上反转一分钟清空已测试沉降的液体浓缩物；其后，记录转移到烧杯的液体浓缩物的总质量。具有良好流动和最低限度沉降的任何液体浓缩物被视为用于进一步考虑的可行调配物。
实例1：液体浓缩物组分的初始筛选
增稠剂筛选
初始的筛选增稠剂包括黄原胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素钠盐，或其组合。水凝胶由独立地包含每种增稠剂，或其组合(参见表2)的1wt％液体浓缩物，通过将浓缩物与水共混10秒(1g的液体浓缩物在99g的水中)制备。
黄原胶和瓜尔豆胶产生水凝胶非常快速(以8600rpm使用匀化器在10秒内)，但是瓜尔豆胶的水凝胶比黄原胶胶的水凝胶更不粘稠(表2)。在10秒之后羧甲基纤维素钠盐不形成水凝胶，然而在一小时之后获得透明水凝胶。瓜尔豆胶与黄原胶的组合在水凝胶形成方面显示协同效应，一种本领域的普通技术人员此前已观察到并且记录的效应[Tako,M.等人《碳水化合物研究(Carbohydrate Research)》，138(1985)207-213]。
在定性测试中，观察到由1wt％瓜尔豆胶和黄原胶形成的水凝胶分别似乎具有与由1wt％聚丙烯酸形成的水凝胶类似的稠度和/或粘度。
液体介质筛选
为了在液体浓缩物中使用，天然来源的和/或可生物降解油如(但不限于)芥花油由于其期望的低成本和相对丰富被视为液体介质。此类油通常在水中具有有限的溶解度，然而，并且因此，另外考虑可溶于水的替代方案，如(但不限于)PEG200、PEG300和丙三醇。
初始液体浓缩物调配物
使用前述增稠剂和液体介质，使用最小量的液体介质产生四种调配物，通过玻璃粘附力评估其中的每一种(参见表3)。
如在表3中概述，从其中芥花油作为其液体介质的调配物2获得高粘附力结果。调配物2具有与市售产品TetraKOTM和BarricadeTM的玻璃粘附力特性可比的(如果不更大的话)玻璃粘附力特性。观察到，调配物3和4产生的水凝胶比其它调配物更有效；不希望受理论所束缚，假定这是由于PEG200和丙三醇的水掺混性。另外，本领域的普通技术人员已观察到，黄原胶的粘度和稳定性随着电解质(例如钠盐或镁盐)的添加而提高；因此，硫酸镁、硫酸钠和硼砂用作添加剂，并且测试所得水凝胶(参见表4和5)[Kesavan,S.等人《大分子(Macromolecules)》，1992，25，2026-2032；Rochefort,W.E.，《流变学杂志(J.Rheol.)》31，337(1987)]。
实例2：液体浓缩物组分的进一步筛选
在竖直表面上更大的玻璃粘附力和浓缩物组分的减少的沉降视为期望的。不希望受理论所束缚，假定天然表面活性剂如(但不限于)卵磷脂将在液体浓缩物内缓慢沉降，并且通过充当增稠剂而提高浓缩物粘度。因此，评估液体卵磷脂和固体卵磷脂两者(参见表6)。
液体卵磷脂溶解到每种浓缩物的液体介质中，并且固体卵磷脂产生部分溶解的悬浮液。如在表6中指示，含有卵磷脂的浓缩物通常比没有的浓缩物经历更少的沉降(参见式9和式10)。当在存在卵磷脂的情况下PEG200用作液体介质时，液体浓缩物胶凝。三种浓缩物(表6；式3、式5和式6)经历最低限度沉降同时维持良好流动；选择这些调配物用于进一步测试(参见表7)。
观察到合并芥花油和液体卵磷脂产生具有良好粘附力的液体浓缩物(式3，表7)，并且因此液体浓缩物进一步用玉米淀粉测试(参见表8)；不希望受理论所束缚，期望在高温下玉米淀粉将提高水凝胶的厚度和/或粘附力。表8的液体浓缩物式1指示添加20％玉米淀粉(相对于在表7的液体浓缩物式3中的黄原胶)引起粘度提高>5000cP，并且液体浓缩物式4和式5展现良好粘附力。另外，还研究黄原胶粒径对浓缩物粘度的影响(参见表9)。
实例3：提高液体浓缩物的固含量
选择表8的液体浓缩物式4的一般调配物(黄原胶:瓜尔豆胶:玉米淀粉:液体大豆卵磷脂:液体基质＝1g:0.6g:0.6g:0.1g:2.5mL芥花油)用于进一步研究以确定提高材料含量将对浓缩物的粘度具有什么影响(参见表10)。随后选择表10的液体浓缩物式3用于在消防背包和消防车中现场测试。为了恰当地测试在消防车情况下液体浓缩物产生水凝胶的的功效，需要较大量的浓缩物。
实例4：按比例扩大液体浓缩物用于消防车测试
芥花类浓缩物
需要60L批料的表10的液体浓缩物式3用于消防车测试。此60L浓缩物批料的制备在10L批料中进行，其中合并每两个批料并且储存在20L HDPE塑料桶中。
为了制备10L的液体浓缩物，将黄原胶、瓜尔豆胶和玉米淀粉添加到干净的20L桶并且预混合。在10L容器中，将芥花油和液体卵磷脂用小涂料混合器混合在一起。通过顶置式搅拌器控制小涂料混合器，其中改变搅拌速度以实现最好的混合功效。混合过程继续直至所有的液体卵磷脂溶解于芥花油中。随后将液体混合物添加到干混合物，并且大涂料混合器用于将所有干燥成分均匀分散在整个油介质中。混合器附接到手摇钻，并且改变速度以实现最好的混合功效：首先使用低速将干燥粉末与液体混合，而不产生任何“飞起的粉末”，随后较高速度以打碎和/或将干燥成分分散在液体中；在一些情况下，需要使用较低速度和较高速度的组合以打碎持久的固体块。大约花费15分钟将所有干燥成分与液体成分彻底混合以产生均质的液体浓缩物。当合并两个10L批料以形成一个20L批料时，再次使用大涂料混合器以在每个20L桶中混合两个批料。在测试粘度之前，所得20L液体浓缩物给出两小时以使其从剪切稀化稳定以确保稠度(参见表11)。此程序重复三次以获得消防车测试所需要的60L批料的液体浓缩物。针对每20L批料测量的粘度高于针对较少样品(例如式3，表10)的粘度。不希望受理论所束缚，假定粘度差异可由与混合200g规模对10L规模的液体浓缩物有关的不同剪切速率引起。在无任何修改的情况下使用20L批料液体浓缩物。
PEG300类浓缩物
按照与上文对于60L批料的芥花类浓缩物概述的相同程序另外制备10L批料的PEG300类液体浓缩物。PEG类浓缩物的最终调配物和粘度在表12中概述。
实例5：大规模液体浓缩物的消防车测试
芥花类浓缩物
使用86Hahn泵送机车完成现场消防车测试，其中1500加仑每min(1500gal水每min)Hale泵在露天的被草覆盖的地面上。泵送液体浓缩物并且在消防车系统内与水在管线内混合。在管线内混合之后，将所得水凝胶从消防车软管喷洒到竖直玻璃表面上用于粘附力测试。另外，直接从软管收集样品在4L烧杯中的用于现场粘度测试。
初始消防车测试涉及将所得水凝胶从100'软管喷洒，但是可已使用更大软管，如200'软管。在水凝胶从软管喷洒时，使用Viscolite 700粘度计每分钟测试粘度维持10分钟(参见图1)。液体浓缩物含量从1wt％提高到3wt％，并且观察到水凝胶粘度相对应的提高。水凝胶粘附到玻璃测试表面并且形成具有划线的半透明膜(参见图2)。当液体浓缩物含量提高到4wt％时，粘度降低；然而，在玻璃粘附力测试期间，所得水凝胶形成不含有可见划线的均匀膜。
在初始测试后，200'软管用于观察较长管线内混合时间的影响。在3wt％、4wt％和5wt％下测试液体浓缩物(参见图3)。形成的水凝胶的粘度在前5分钟内变化，并且随后倾向于类似的粘度。在玻璃粘附力测试期间，形成的每种水凝胶膜均匀并且浓稠。
PEG300类浓缩物
用200ft软管在3wt％下进行PEG300类液体浓缩物的消防车测试。在玻璃粘附力测试期间，所得水凝胶形成均匀但是比观察的芥花类水凝胶的膜更薄的膜。另外，发现与芥花类水凝胶相比，PEG300类水凝胶粘度较低(参见图4)。
实例6：初始液体浓缩物水凝胶的初始燃烧测试
用于每个燃烧测试，木制涂料搅拌棒与测试水凝胶结合使用。木制搅拌棒的一端在水凝胶中涂布，并且随后涂布的端暴露于来自丙烷喷灯的火焰。记录搅拌棒花费多长时间焦化和/或着火(参见表13)。
实例7：液体浓缩物/水凝胶与当前市售产品的比较
进行定性测试以比较本文所述的液体浓缩物和其所得水凝胶与两种可商购的水凝胶(CAH)(其不由100％天然来源和/或可生物降解材料构成)：CAH1(BarricadeTM)和CAH2(TetraOKTM)。用配备有手动泵送喷雾嘴的具有10L到15L贮存器的消防背包；以及具有1500加仑每min(1500gal水每min)冰雹泵的86Hahn泵送机车进行这些比较测试。
在由浓缩物形成水凝胶方面，观察到本文所述的液体浓缩物快速并且容易地形成水凝胶：一旦将(一种或多种)浓缩物添加到水，水凝胶将在数秒(通常10s到15s)内形成/固化。当浓缩物添加到消防背包的水填充的贮存器时，手动摇晃背包若干次(例如大约3次到4次)足以在贮存器内形成水凝胶，并且对于它作为消防试剂即用。当浓缩物添加到消防车的外部或车载槽时，观察到一个人可在数分钟(通常＜5min)内产生消防水凝胶，其中所述时间包括添加液体浓缩物并且与水或水溶液混合，和使水凝胶固化的时间。
相比之下，CAH1通常花费15min到30min由其液体浓缩物形成水凝胶；并且一旦形成，甚至在5wt％浓缩物对水的负载量下，水凝胶通常呈现低粘度。CAH2通常在多人的努力(大约4个人)下需要超过8min到10min的大量的混合以由其固体、粉末状浓缩物形成水凝胶；通常这产生‘飞起的粉末’，在从混合的点所有方向上涂布表面的细粉尘。有可能此飞起的粉末可对在附近的那些人造成健康危害。所述经浓缩物涂布的表面由于从大气吸收水分将通常转化成经水凝胶涂布的表面。另外，观察到，甚至当水凝胶从在大约110psi的压力下并且长度为200ft或更多的消防软管排出时，大量的混合通常未能产生不含粉末状浓缩物的未溶解块的均质水凝胶，并且CAH2水凝胶的非均质性质通常引起在消防设备(如喷雾喷嘴的背包)中的堵塞。
进一步观察到，当施用到燃烧测试大厦时，与CAH 1和CAH 2相比，本文所述的水凝胶提供改进的消防/火灾防止性能。举例来说，发现CAH1具有非常低的粘度(即，为软粘的)，并且不在表面上保持视为足够火灾预防处理的足够长的一段时间。
相比之下，一旦施用到表面，本文所述的水凝胶保持在其所施用的表面上，并且不燃烧掉，或不与对于CAH1和/或CAH2观察的一样快速从表面滴下。另外，观察到，本文所述的水凝胶在施用时具有‘蠕动’或‘渗出’进入在大厦中的开裂、裂缝、洞的倾向，并且然后保持在那里：它将保持较不粘稠若干秒(大约12s)，使它在其粘度由于缺少剪切力再次提高之前进入在大厦中的任何开裂或间断。此类行为可使本文所述的水凝胶用于渗透消防、火灾围堵和/或火灾预防；此行为例如可帮助熄灭燃烧的装有干草的粮仓，其中具有可渗透进入和涂布大量阴燃干草堆的消防试剂将可能为有益的。
发现，在将这些水凝胶施用到表面时，它们可经由直线流(如通常在用水或用少量雾(与直线流的水的偏差百分比)中采用的)施用；发现30度到40度雾模式提供水凝胶均匀施用到大部分表面上，并且渗透消防通常用直线流很好地实现。另外，观察到，用本文所述的水凝胶，消防、抑制和预防的‘涂布和接近’技术通常为成功的：用水凝胶涂布任何未燃烧区域以防止它们着火，其进一步为消防员提供离开的安全方式。发现用如本文所述的水凝胶涂布表面盖熄表面、置换火可使用以燃烧的氧气，并且发现冷却表面，由此防止表面变成潜在燃料来源。
表1选择的液体浓缩物的一般调配物
Figure BDA0001354688940000171
Figure BDA0001354688940000181
表2增稠剂筛选结果
式 水凝胶材料 水凝胶构建
1 黄原胶 是
2 瓜尔豆胶 是，但是不太粘稠
3 黄原胶+瓜尔豆胶(1:1) 是
4 羧甲基纤维素钠盐 是，在一小时之后
表3初始液体浓缩物调配物和测试结果
式 液体浓缩物 wt％* 粘附力(g)
1 黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL 4 0.45
2 黄原胶:瓜尔豆胶:芥花油＝1g:1g:2.5mL 3 0.62
3 黄原胶:瓜尔豆胶:PEG200＝1g:1g:2.5mL 3 0.38
4 黄原胶:瓜尔豆胶:丙三醇＝1g:1g:2.5mL 3 0.29
5 TetraKO<sup>TM</sup>(液体浓缩物) 1 0.61
6 Barricade<sup>TM</sup>(液体浓缩物) 1 0.29
注意：*-Wt％为应用于制备水凝胶的液体浓缩物的质量
表4具有盐添加剂的PEG/丙三醇类水凝胶粘附力测试
式 液体浓缩物调配物 Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 粘附力(g)
1 黄原胶:瓜尔豆胶:PEG200＝1g:1g:2.5mL 0 0.38
2 黄原胶:瓜尔豆胶:PEG200＝1g:1g:2.5mL 0.1wt％ 0.39
3 黄原胶:瓜尔豆胶:丙三醇＝1g:1g:2.5mL 0 0.29
4 黄原胶:瓜尔豆胶:丙三醇＝1g:1g:2.5mL 0.1wt％ 0.33
注意：盐含量为施用的液体浓缩物的0.1wt％；所有水凝胶用3wt％液体浓缩物与水混合来制备。
表5具有盐添加剂的芥花类水凝胶粘附力测试
式 液体浓缩物调配物 盐(0.1wt％) 粘附力(g)
1 1wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL 0 0.35
2 1wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 0.37
3 1wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL MgSO<sub>4</sub> 0.19
4 2wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 0.55
5 2wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL MgSO<sub>4</sub> 0.41
6 3wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL 0 0.62
7 3wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 0.64
8 3wt％黄原胶:玉米淀粉:芥花油＝1g:1g:2.5mL MgSO<sub>4</sub> 0.62
注意：盐含量为施用的液体浓缩物的0.1wt％。
表6在添加卵磷脂后液体浓缩物的沉降和前沿流动
式 黄原胶:瓜尔豆胶:大豆卵磷脂:液体基质 沉降<sup>*</sup>(％) 前沿流动(g)
1 1g:1g:0.1g(固体):2.5mL芥花油 23** 26.54
2 1g:1g:0.2g(固体):2.5mL芥花油 16 38.31
3 1g:1g:0.1g(液体):2.5mL芥花油 6 61.50
4 1g:1g:0.2g(液体):2.5mL芥花油 0 18.44
5 1g:1g:0.1g(固体):3mL PEG200 9 70.93
6 1g:1g:0.2g(固体):3mL PEG200 1 72.82
7 1g:1g:0.1g(液体):3mLPEG200 0 9.37
8 1g:1g:0.2g(液体):3mL PEG200 0 0
9 1g:1g:0:2.5mL芥花油 21 n/a
10 1g:1g:0:3mL PEG200 18 n/a
注意：黄原胶和瓜尔豆胶的尺寸为200目(74微米)；*-测试持续5天直到沉降完成；**-％沉降被视为在式9的实验误差内；体积％＝(顶部液体层体积/总体积)×100％。
表7选择的液体浓缩物的粘度和粘附力
式 黄原胶:瓜尔豆胶:大豆卵磷脂:液体基质 粘度(cP) 粘附力(g)
3；表6 1g:1g:0.1g(液体):2.5mL芥花油 4000 0.82
5；表6 1g:1g:0.1g(固体):3mL PEG200 7100 0.72
6；表6 1g:1g:0.2g(固体):3mLPEG200 9300 0.54
市售 TetraKO<sup>TM</sup>液体浓缩物 8600 n/a
市售 Barricade<sup>TM</sup>液体浓缩物 2900 n/a
注意：所有粘附力测试使用用3wt％液体浓缩物制备的水凝胶进行。
表8淀粉对液体浓缩物粘度和粘附力的影响
式 黄原胶:瓜尔豆胶:玉米淀粉:液体大豆卵磷脂:液体基质 粘度(cP) 粘附力(g)
1 1g:1g:0.2g:0.1g:2.5mL芥花油 8100 N/A
2 1g:0.5g:0.5g:0.1g:2.5mL芥花油 3100 0.72
3 1g:0g:1g:0.1g:2.5mL芥花油 1700 0.53
4 1g:0.6g:0.6g:0.1g:2.5mL芥花油 3100 0.78
5 1g:0g:1g:0.08g:2mL芥花油 3400 0.83
6 1g:0.5g:0.5g:0.025g:3mL PEG300 7200 0.70
注意：黄原胶的尺寸为200目(74微米)。
表9黄原胶粒径对粘度的影响
Figure BDA0001354688940000191
Figure BDA0001354688940000201
表10提高在液体浓缩物中的固含量对粘度的影响
式 黄原胶:瓜尔豆胶:玉米淀粉:液体卵磷脂:芥花油 粘度(cP)
1 1g:0.7g:0.7g:0.1g:2.5mL 3400
2 1g:0.8g:0.8g:0.1g:2.5mL 6000
3 1g:0.75g:0.75g:0.1g:2.5mL 4500
4 1g:0.6g:0.8g:0.1g:2.5mL 4600
5 1g:0.6g:0.9g:0.1g:2.5mL 5300
表11每种20L批料的芥花油类液体浓缩物的粘度
Figure BDA0001354688940000202
表12 PEG300类液体浓缩物调配物和粘度
式 黄原胶:瓜尔豆胶:玉米淀粉:液体卵磷脂:PEG300 粘度(cP)
1 1g:0.5g:0.5g:0.03g:4mL 3500
表13使用初始水凝胶调配物的初始燃烧测试
Figure BDA0001354688940000203
注意：N/A-来自TetraKO干燥粉末的水凝胶非常浓稠；在测试时间(超过1分钟)内观察到在凝胶表面上仅极少焦化；芥花油或PEG200的体积为用于润湿干燥成分的体积极限。
本说明书中提及的所有公开案、专利和专利申请案指示本发明所涉及的领域的普通技术人员的术水平且以引用的方式并入本文中，其程度如同每一个别公开案、专利或专利申请案专门且个别地以引用的方式并入。
已如此描述了本发明，将显而易见的是其可以多种方式变化。此类变化不应视为脱离本发明的精神和范围，且本领域的普通技术人员将清楚的是所有此类修改旨在包括在以下权利要求书的范围内。

Claims (57)

1.一种组合物，其包含：
（a）10 wt%到75 wt%的至少一种增稠剂，其中所述至少一种增稠剂包含胶、淀粉或胶和淀粉的组合，其中所述胶为瓜尔豆胶、黄原胶、海藻酸钠、琼脂、刺槐豆胶，或其组合，其中所述淀粉为玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、大米淀粉、羧甲基纤维素钠盐，或其组合；
（b）15 wt%到90 wt%的至少一种液体介质，其中所述液体介质是食用油、丙三醇、低分子量聚乙二醇(PEG)或其组合；以及
（c）至少一种悬浮剂，其中所述悬浮剂是表面活性剂、乳化剂或两者，
其中所述组合物由>85重量%食品级组分组成，并且其中所述组合物与水或水溶液的混合物形成灭火水增强水凝胶。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述胶为黄原胶、瓜尔豆胶，或其组合。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述淀粉为玉米淀粉。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的组合物，其中所述至少一种液体介质是食用油，其中所述食用油为植物油。
5.根据权利要求4所述的组合物，其中所述植物油为坚果油或籽油。
6.根据权利要求4所述的组合物，其中所述植物油为芥花油。
7.根据权利要求1到3中任一项所述的组合物，其中所述至少一种液体介质是丙三醇。
8.根据权利要求1到3中任一项所述的组合物，其中所述至少一种液体介质是低分子量聚乙二醇(PEG)。
9.根据权利要求8所述的组合物，其中所述低分子量聚乙二醇(PEG)是PEG200到PEG400。
10.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物包含黄原胶、瓜尔豆胶、玉米淀粉和芥花油。
11.根据权利要求中1所述的组合物，其中所述组合物包含：
15 wt%到25 wt%黄原胶；
10 wt%到20 wt%瓜尔豆胶；
10 wt%到20 wt%玉米淀粉；
1 wt%到5 wt%卵磷脂；以及
30 wt%到64 wt%芥花油。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中所述组合物包含最多10 wt%的所述至少一种悬浮剂。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其进一步包含一种或多种添加剂，其中的每一种为无毒和可生物降解的。
14.根据权利要求13所述的组合物，其中所述一种或多种添加剂包含盐、抗微生物剂、抗真菌剂、抗氧化剂、着色剂、粘土、分散剂或其任何两种或更多种的组合。
15.根据权利要求13所述的组合物，其中所述一种或多种添加剂是钠盐、镁盐、壳聚糖、ε-聚赖氨酸、果胶或其组合。
16.根据权利要求15所述的组合物，其中所述钠盐是碳酸氢钠。
17.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中所述悬浮剂为无毒和可生物降解的。
18.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中当使用具有CS-34转子的布氏LVDVE粘度计以6.0 rpm测量时，所述组合物的粘度≥1000 cP。
19.根据权利要求18所述的组合物，其中当使用具有CS-34转子的布氏LVDVE粘度计以6.0 rpm测量时，所述组合物的粘度≥2500 cP。
20.根据权利要求19所述的组合物，其中当使用具有CS-34转子的布氏LVDVE粘度计以6.0 rpm测量时，所述组合物的粘度≥5000 cP。
21.根据权利要求20所述的组合物，其中当使用具有CS-34转子的布氏LVDVE粘度计以6.0 rpm测量时，所述组合物的粘度≥10 000 cP。
22.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中所述悬浮剂在环境条件下为固体或液体。
23.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中所述悬浮剂包含卵磷脂、溶血卵磷脂、聚山梨醇酯、酪蛋白酸钠、单甘油酸酯、脂肪酸、脂肪醇、糖脂、蛋白质，或其组合。
24.根据权利要求23所述的组合物，其中所述悬浮剂为卵磷脂，或卵磷脂和脂肪醇的组合。
25.根据权利要求24所述的组合物，其中所述组合物包含1 wt%– 5 wt%卵磷脂。
26.根据权利要求23所述的组合物，其中所述悬浮剂为单甘油酸酯。
27.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物包含：
20 wt% – 22.7wt%黄原胶；
11.4 wt% – 16wt%瓜尔豆胶；
11.4 wt%– 16.7wt%玉米淀粉；以及
46 wt%– 52.3 wt%芥花油。
28.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中所述组合物由>90重量%食品级组分组成。
29.根据权利要求28所述的组合物，其中所述组合物由>95重量%食品级组分组成。
30.根据权利要求29所述的组合物，其中所述组合物由>98重量%食品级组分组成。
31.根据权利要求30所述的组合物，其中所述组合物由100重量%食品级组分组成。
32.一种水凝胶，其包含：
0.1 wt%到30 wt%的根据权利要求1到31中任一项所述的组合物；以及
70wt%到99.9 wt%的水或水溶液，
其中所述水凝胶为适用于消防、灭火和/或火灾预防的水增强灭火剂。
33.根据权利要求32所述的水凝胶，其中所述组合物的重量百分比为1 wt%至5 wt%或5wt%至10 wt%。
34.根据权利要求33所述的水凝胶，其中所述组合物的重量百分比为1 wt%、2 wt%、3wt%、4 wt%或5 wt%。
35.根据权利要求32到34中任一项所述的水凝胶，其中当用Viscolite 700粘度计测量时，所述水凝胶的粘度为0.1 cP到1 cP、1 cP到5 cP、5 cP到10 cP、10 cP到15 cP、15 cP到30 cP、30 cP到60 cP、60 cP到90 cP、90 cP到120 cP、120 cP到150 cP或>150 cP。
36.根据权利要求32所述的水凝胶，其中所述水凝胶呈现非牛顿流体、假塑性和/或触变行为。
37.根据权利要求36所述的水凝胶，其中所述水凝胶的粘度在应力下降低。
38.根据权利要求37所述的水凝胶，其中所述水凝胶的粘度在应力停止或已去除之后提高。
39.根据权利要求38所述的水凝胶，其中所述粘度在短时间段内出现提高，其中所述短时间段为≤60 s。
40.根据权利要求39所述的水凝胶，其中所述粘度在短时间段内出现提高，其中所述短时间段为≤40 s。
41.根据权利要求40所述的水凝胶，其中所述粘度在短时间段内出现提高，其中所述短时间段为≤20 s。
42.根据权利要求41所述的水凝胶，其中所述粘度在短时间段内出现提高，其中所述短时间段为≤10 s。
43.根据权利要求42所述的水凝胶，其中所述粘度在短时间段内出现提高，其中所述短时间段为≤5 s。
44.根据权利要求32-34中任一项所述的水凝胶，其中所述水凝胶粘附到其所施用的表面。
45.根据权利要求38所述的水凝胶，其中降低粘度的所述水凝胶可在粘度提高之前流入、涂布和粘附到表面磨损和/或间隙。
46.根据权利要求32-34中任一项所述的水凝胶，其中所述水凝胶当施用到燃烧表面时会使火得到抑制和/或熄灭，或其中所述水凝胶当施用到非燃烧表面时会防止着火。
47.一种制备水增强灭火水凝胶的方法，所述方法包含：
将根据权利要求1到31中任一项所述的组合物与水或水溶液合并；以及
混合所述组合物和水溶液以获得基本上均质的凝胶。
48.根据权利要求47所述的方法，其中选择所述组合物的重量百分比以实现所述水凝胶的特定粘度和/或表面粘附力。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述组合物的重量百分比为1 wt%至5 wt%，或5wt%至10 wt%。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述组合物的重量百分比是1 wt%、2 wt%、3wt%、4 wt%或5 wt%。
51.根据权利要求47到50中任一项所述的方法，其中所述合并步骤包含手动添加或直接机械喷射所述组合物。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述水或水溶液保持在运载工具或便携式装置外部或车载的槽中。
53.根据权利要求47-50中任一项所述的方法，其中混合通过施用剪切力进行。
54.根据权利要求53所述的方法，其中施用剪切力经由手动搅动、机械搅动或循环系统进行。
55.根据权利要求53所述的方法，其中通过在消防软管中混合而发生剪切力的所述施用。
56.一种套件，其包含：
处于容器中的根据权利要求1到31中任一项所述的组合物；和
用于使用根据权利要求47到55中任一项所述的方法由所述组合物制备水凝胶的说明。
57.根据权利要求56所述的套件，其中所述容器配置为用于物理搅动所述组合物以便重新悬浮所述组合物的固体组分。
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