CN107456695B - 一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂及其制备方法，该方法首先将高分子吸水树脂与流动性促进剂混合搅拌，保持粉剂的温升不超过10℃；再加入着色剂混合搅拌，制备出有很好流动性的组合物粉剂；由压缩氮气驱动经管道输送将组合物粉剂射入水中，进入水中的射流产生出大量微小氮气泡，气泡促使粉剂粒子在水中快速分散，单个粒子在水中以悬浮形态充分与水接触，粒子吸收大量水分子，快速生成可在森林植被上产生很好附着力的水凝胶灭火剂，大幅增强了水的灭火效率。水凝胶灭火剂对飞机的金属构件不产生腐蚀，对森林生态环境友好。

Description

一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂及其制备方法

技术领域

本发明属于消防技术领域，特别是一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂及其制备方法。

背景技术

森林面积大，火灾燃烧猛烈，火势扩展快，加上山间地势复杂，人员、车辆通行受阻，扑救难度很大，常造成重大损失。我国随着森林资源日益增长，林内可燃物载量持续增加，加之随着气候变暖，森林火灾进入高发期。近年来，美国、加拿大、欧洲多国相继发生大面积森林火灾，造成重大损失。在扑灭森林火灾的各种方法中，使用飞机自空中投放大流量水和水系化学灭火剂，成为各国扑灭森林大火的重要手段。我国也已研发出AG600型两栖飞机，将大幅提升我国扑救森林火灾的能力。

森林灭火飞机的战术运用方法有两种，一是向森林大火的火头上投放大流量水或水系化学灭火剂，快速扑灭猛烈燃烧的大火；二是向下风未着火的林区投放大流量水或水系化学灭火剂,形成阻燃隔离带，阻断火势蔓延。

为提高水的灭火效率，世界各国森林灭火飞机主要投放添加有化学药剂的水系灭火剂。美国两家化学品公司向世界各国出售森林化学灭火剂，其中一家是美国蒙桑托化学公司，生产“福斯切克”系列化学灭火剂；另一家是美国凯姆尼克农业化学公司，生产“法尔卓尔”系列化学灭火剂。前者灭火剂中添加的主要化学品成份是磷酸氢二铵；后者以低聚合度的聚磷酸铵的浓缩液为主，配以活性白黏土(用于增稠)、着色剂和缓蚀剂等制成。俄国森林灭火飞机投放的“3Ф-2”型水系灭火剂中添加的主要化学品成份是15％的磷酸氢二铵。其他国家，如澳大利亚投放的是添加有14％的硫酸铵、2.25％的三聚硫酸钠和8.25％的黏土的水系化学灭火剂。日本森林灭火飞机投放的是添加有18％～20％磷酸铵的水系化学灭火剂。我国森林灭火飞机投放的水系化学灭火剂中添加的主要化学品成分也是磷酸铵。

为便于向森林灭火飞机的水箱中加注化学药剂，在两栖飞机上另设计了浓缩液化学药剂箱。例如，在俄罗斯生产的别-200型两栖飞机上安装有3个容量为1.2m³的磷酸氢二铵浓缩液药剂箱(磷酸氢二铵在10℃的100ml水中的溶解度为58g)，用于向机内水箱中加注浓缩液化学灭火剂。当别-200型两栖飞机在江河湖泊中快速汲入12t水后，向水箱中定量注入浓缩液化学灭火剂，使水箱中化学品药剂在水中的含量达到15％的标定值。

向飞机上加注的化学品药剂浓缩液需预先配制，为此要在地面建立航空化学水系灭火剂供给保障基地。美国在9个大林区建立有44个航空化学水系灭火剂基地，每年由森林灭火飞机向森林火灾中投下的化学水系灭火剂达1000多万吨。

然而，利用飞机向着火林区大量投放水系化学灭火剂，产生的副作用是：水系化学灭火剂对飞机金属构件产生腐蚀，会腐蚀缩短飞机的使用寿命。倾泄大量水系化学灭火剂导致林间和水塘、河溪中的水生动物死亡，甚至引起下游河流中的鱼类死亡，对森林生态环境产生严重不利影响。增稠的化学药剂粘附在阻燃隔离带的树叶上，引起阔叶林木的叶子枯黄脱落。在航空化学灭火剂基地存贮大量预先配制好的水系化学灭火剂或其浓缩液，导致地面存贮和加注设备腐蚀损坏，维修频繁，耗用大量费用和人力。

我国CN01106633.4号发明专利，提供了一种在自来水中加入一定量的胶联聚丙烯酸钠制成胶状水，使水的灭火效率提高10-20倍。但它必须在搅拌釜中进行高速搅拌才能生成胶状水。

CN200410015909.0号发明专利，提供了一种高吸水性树脂吸水凝胶灭火剂及其应用。该专利指出：将聚丙烯酸钠与大量水混合半小时内生成吸水凝胶。在该专利的实施例1中进一步指出，将其加进消防车水箱内，在半小时形成吸水凝胶。

上述两项发明专利所阐明的必须在搅拌釜中进行高速搅拌，才能在半小时内生成吸水凝胶，即该类聚丙稀酸钠系高吸水树脂粉剂遇水极易团聚，需要在快速搅拌的情况下将其粉剂均匀输入水中，使粉粒在水中充分地分散开，否则粉剂将快速结成团状，沉入水箱下部，难以形成水凝胶灭火剂。这一程序耗时约需半小时。另外，高分子吸水树脂粒子属非晶状结构，粉碎后的粒子的形状很不规则，导致粉剂流动性差，不适合通过管道输送；并且将高分子吸水树脂粉剂输入森林灭火飞机的水箱中时，粉剂遇水极易产生团聚，常规的输入方法难以使粉剂在水中均匀分散生成水凝胶灭火剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂及其制备方法，使高分子吸水树脂粉剂在飞机水箱中快速生成水凝胶灭火剂，大幅提高水的灭火效率，而且对飞机金属构件不产生腐蚀，对森林生态环境无不良影响。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂的粉剂，所述的粉剂包括高分子吸水树脂、流动性促进剂和着色剂，重量份数如下：高分子吸水树脂80～120份，流动性促进剂4～20份，着色剂0.1～1.0份。

一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂，所述的灭火剂是由前述的粉剂和水生成的水凝胶，其中，粉剂占水的质量的0.2％～0.6％。

一种制备上述用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂的方法，步骤如下：

(1)将高分子吸水树脂与流动性促进剂混合搅拌，保持温升不超过10℃；再加入着色剂混合搅拌，制备出有流动性的粉剂；

(2)由压缩氮气或惰性气体驱动采用管道输送和喷射方式将粉剂射入水中，粉剂射流进入水中后，存贮在粉剂颗粒间隙中的氮气或惰性气体快速膨胀形成大量微小气泡，气泡促使粉剂粒子在水中快速分散，以单个粒子形态悬浮在水中充分与水接触，吸收大量水分子生成水凝胶灭火剂。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)对森林灭火飞机而言，提供了一种非化学的高效物理灭火剂及其方法，克服了化学灭火剂对飞机金属构件产生化学腐蚀，和飞黏稠化学灭火剂对林木技叶和及林中生物的生态破坏作用。水凝胶灭火剂无毒无味，对人体无害，对飞机金属构件不产生腐蚀，对环境友好，保护了森林的生态平衡；

(2)在飞机水箱中添加的这种组合物粉剂的质量是添加的化学灭火剂质量的1/40，即由化学灭火剂在水系灭火剂中占总质量的15％，降为0.2％～0.6％，相当于在水箱容积不变的条件下，减轻了飞机15％左右的载重量，节省了飞机燃油消耗。并且还无需在地面预先配制浓缩液，将组合物粉剂由压缩氮气驱动经管道输送直接射入飞机的水箱中，即可生成水凝胶灭火剂，提高了两栖飞机单日灭火出动次数，降低了灭火剂的使用成本。

(3)灭火效果好。本发明环保型森林水系灭火剂经森林灭火飞机喷洒后粘附在林木枝叶、树干及树下植被上，形成膜状粘附层，将可燃物与空气隔离，阻止树木和植被燃烧和熄灭火焰，经测定，其灭火效率比单一喷洒清水提高6倍。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是覆盖本发明灭火剂的木条在灼烧过程中没有被点燃的演示图。

图2是覆盖本发明灭火剂的木条在灼烧后的立即测量木条表面温度不到60℃的测量图。

图3是未覆盖本发明灭火剂的木条在灼烧下马上被烧焦并产生旺盛的火苗演示图。

图4是未覆盖本发明灭火剂的木条在灼烧后的立即测量木条表面温度迅速超过300多度的测量图。

图5是喷洒本发明的灭火剂与喷洒清水的木头在燃烧时阻燃的效果对比图。

图6是本发明灭火剂的阻燃效果对比图。

具体实施方式

本发明用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂的粉剂，包括高分子吸水树脂、流动性促进剂和着色剂，重量份数如下：高分子吸水树脂80～120份，流动性促进剂4～20份，着色剂0.1～1.0份。

所述的高分子吸水树脂为聚丙烯酸钠类高吸水树脂，其粒径为160～200目。

所述的流动性促进剂为玻璃微珠和氰脲酸三聚氰胺中的一种或者两者的混合物，所述的玻璃微珠平均粒径为5～20μm、密度为0.7～1.0g/cm³，所述的氰脲酸三聚氰胺的平均粒径为3～10μm。

所述的着色剂为氧化铁红纳米粉剂。

本发明用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂，所述的灭火剂是由前述的粉剂和水生成的水凝胶，其中，粉剂占水的质量的0.2％～0.6％，即本发明的环保型水系灭火剂，包括粉剂和水，该粉剂占水的质量的0.2％～0.6％，所述的粉剂由高分子吸水树脂、流动性促进剂和着色剂形成的组合物，重量份数如下：高分子吸水树脂80～120份，流动性促进剂4～20份，着色剂0.1～1.0份，将组合物粉剂由压缩氮气或惰性气体驱动输入两栖飞机的水箱中时，该水箱装载有上述配比的水，组合物粉剂生成环保型的水凝胶状的水系灭火剂。

本发明用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂的制备方法，步骤如下：

(1)将高分子吸水树脂与流动性促进剂混合搅拌4～8min，保持粉剂的温升不超过10℃；再加入着色剂，混合搅拌4～8min，混合均匀制得组合物粉剂；其中高吸水树脂80～120份，流动性促进剂4～20份，着色剂0.1～1.0份。

(2)由压缩氮气或惰性气体驱动经管道输送以喷射方式将组合物粉剂射入水中，气体射流进入水中后形成大量氮气或惰性气体的微小气泡，气泡促使粉剂粒子在水中快速分散，使高分子吸水树脂以单个粒子形态悬浮在水中充分与水接触，吸收大量水分子快速生成水凝胶灭火剂。将组合物粉剂喷射入水中的氮气或惰性气体的压力为1.2～1.6MPa。

在用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂的制备方法中，将组合物粉剂加入储粉罐中，向储粉罐中注入1.2～1.4Mpa的压缩氮气或惰性气体，储粉罐通过输粉管道与多孔喷头连接，将具有很好流动性的组合物粉剂通过管道及多孔喷头喷射入森林灭火飞机的水箱中，压缩氮气或惰性气体充满组合物粉剂微小颗粒的间隙，当组合物粉剂射入水中时在压差作用下与水撞击，粉粒间的压缩氮气或惰性气体膨胀生成大量微小气泡，促使粉剂在水中快速分散开来，组合粉剂粒子与水均匀混合，粒子以分散状态悬浮于水中，与水大面积接触，克服了粉体粒子遇水容易团聚结块的问题，亲水的高分子吸水树脂粒子吸收大量水分子，其吸水率达自身体积的400～500倍，生成水凝胶灭火剂，氧化铁红纳米微粉均匀分布在水凝胶灭火剂中，使水凝胶显示赤红色。

本发明所述的高分子吸水树脂的粒径为160～200目。选用聚丙烯酸钠类高分子吸水树脂(市购产品)，其密度接近于1g/cm³，具有吸水速度快的特点。

为克服高分子吸水树脂粉体的流动性差的问题，本发明利用流动性促进剂对其进行改性处理。所述的流动性促进剂为玻璃微珠和氰脲酸三聚氰胺(MCA)，所述的玻璃微珠的粒径为5～20μm、密度为0.7～1.0g/cm³。所述的氰脲酸三聚氰胺粉剂有很好的润滑性，其平均粒径为3～10μm。两者可选用其一，也可混合使用。

高分子吸水树脂对含盐水质敏感，含盐水质可明显降低其吸水倍率。本发明选用的流动性促进剂、着色剂均不溶解于水，且无毒无味，对森林生态环境没有损害。本发明组合物粉剂中的高分子吸水树脂大量吸水后生成环保型水系灭火剂。经飞机喷洒后，水凝胶灭火剂粘附在树木枝叶、树干和林下植被上，形成膜状覆盖层，阻隔可燃物与空气的接触，快速熄灭大火并阻止其复燃。当环境温度升高至150℃时，在水凝胶网状结构中保水率仍达50％，产生出远高于喷洒清水的阻燃和灭火效果。

下面结合实施例和对比试验例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂，该灭火剂包括组合物粉剂和水，组合物粉剂在自来水中的添加比例为0.4％，组合物粉剂在载有5 000L水的消防车水箱中的射入量为20kg。

制备及应用：取160目高分子吸水树脂100kg，取平均粒径为5μm，密度为0.8g/cm³的玻璃微珠2kg，取平均粒径为10μm的氰脲酸三聚氰胺粉剂2kg，加入搅拌机中进行4min的混合搅拌，使三种粉体均匀混合，保持粉体温度升高值不超过10℃。再加入纳米级氧化铁红0.1kg，进行5min的搅拌，生成具有良好流动性的粉红色组合物粉剂。

取组合物粉剂22kg充装入喷射装置的金属罐体中，向金属罐体内充入1.4MPa压缩氮气。将喷射装置的喷管插入消防车的水箱中，打开阀门，压缩氮气将金属罐体中的组合物粉剂通过输粉管道和喷管射入消防车水箱的水中。通常每kg组合物粉剂需要14～16L氮气驱动喷射，存储在组合物粉剂颗粒间隙中的压缩氮气进入水中生成大量微小氮气泡，气泡促使高分子吸水树脂粒子在水中快速分散开来，悬浮于水中。大量氮气泡从水中逸出时带动水箱中的水产生对流，高分子吸水树脂粒子吸收大量水分子生成水凝胶灭火剂，纳米级氧化铁红使水凝胶灭火剂呈现赤红色。经反复试验，这种将组合物粉剂由压缩氮气驱动射入消防车水箱中的加注方法，可在50s内生成水凝胶灭火剂，缩短了消防车快速反应的准备时间。流动性促进剂

实施例2

本发明用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂，该灭火剂包括组合物粉剂和水，组合物粉剂在吸入水箱的湖水中的添加比例为0.5％，我国购进的消防直升机机腹下的水箱一次可从水面汲取4500L的水，组合物粉剂在消防直升机的水箱中的射入量为23kg。

制备及应用：取200目高分子吸水树脂120kg，平均粒径为5μm，密度为0.8g/cm³的玻璃微珠9kg，加入搅拌机中使两种粉体均匀混合，保持粉体温度升高值不超过10℃，进行6min的搅拌。再加入纳米级氧化铁红0.6kg进行5分钟搅拌，生成具有良好流动性的粉红色组合物粉剂。

取组合物粉剂95kg加注入安装在消防直升机舱内的4个金属罐体中，向金属罐体内充入1.4MPa压缩氩气。消防直升机悬停在湖面上，机腹下的水箱一次可从水面汲取4500L的水。在直升机离开水面时按下组合粉剂的喷射按钮，将其中一个罐中的组合物粉剂按照实施例1的方法射入直升机机腹下水箱的水中，水箱中的水转变为赤红色的水凝胶灭火剂。当直升机飞抵森林火区火头地带时打开泄水舱门，赤红色的水凝胶灭火剂从水箱中倾泄而下。当机腹下的水箱中水凝胶灭火剂倾泄完毕后，直升机关闭泄水舱门，飞回湖面上进行下一次汲水作业。

实施例3

本发明用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂，该灭火剂包括组合物粉剂和水，组合物粉剂在吸入水箱的湖水中的添加比例为0.6％，我国购进的消防直升机机腹下的水箱一次可从水面汲取5000L的水，组合物粉剂在消防直升机的水箱中的射入量为30kg。

制备及应用：取200目高分子吸水树脂80kg，平均粒径为5μm，密度为0.8g/cm³的氰脲酸三聚氰胺20kg，加入搅拌机中使两种粉体均匀混合，保持粉体温度升高值不超过10℃，进行8min的搅拌。再加入纳米级氧化铁红1.0kg进行8分钟搅拌，生成具有良好流动性的粉红色组合物粉剂。

取组合物粉剂105kg加注入安装在消防直升机舱内的4个金属罐体中，向金属罐体内充入1.4MPa压缩氩气。消防直升机悬停在湖面上，机腹下的水箱一次可从水面汲取5000L的水。在直升机离开水面时按下组合粉剂的喷射按钮，将其中一个罐中的组合物粉剂按照实施例1的方法射入直升机机腹下水箱的水中，水箱中的水转变为赤红色的水凝胶灭火剂。当直升机飞抵森林火区火头地带时打开泄水舱门，赤红色的水凝胶灭火剂从水箱中倾泄而下。当机腹下的水箱中水凝胶灭火剂倾泄完毕后，直升机关闭泄水舱门，飞回湖面上进行下一次汲水作业。

对比试验例1

为测试高分子吸水树脂的流动性，在容积为8L的手提式灭火器中充装入4kg粒径为160目的高分子吸水树脂粉剂，在手提式灭火器喷射管上换装多孔喷头，手提式灭火器中充入1.4Mpa压缩氮气。将手提式灭火器喷射管及多孔喷头插入盛有1m³水的水箱的水中，打开手提式灭火器喷射阀门，向水中喷射高分子吸水树脂粉剂。在喷射的头3s中水面出现翻滚现象，有大量气泡冒出，但水面翻滚现象迅速减弱，直至消逝，喷射中断。观察手提式灭火器上的压力表，指示灭火器内尚有0.9Mpa压力。泄压后拆卸检查，灭火器内尚余高分子吸水树脂粉剂2.8kg，喷射管及多孔喷头被粉剂堵死。分析认为，高分子吸水树脂粉剂的流动性差，粉体在喷射管内的流动阻力大，当灭火器内压缩氮气压力下降时，粉剂流量减小，直至喷射停止。粉剂喷射停止时，多孔喷头处的亲水粉粒迅速吸入水分，将喷头彻底堵死。

为测定高分子吸水树脂粉剂的流动性值，依照国家标准GB4066.2-2004及其附录B中规定的粉体流动性测试方法及流动性测试仪和休止角测试仪，对组合物粉剂与高分子吸水树脂粉剂的流动性值进行了对比测定，见表1。

表1.组合物粉剂与高分子吸水树脂粉剂的流动性测定

注：表中代号：A-160目高分子吸水树脂；B-5μm玻璃微珠；

C-10μm氰脲酸三聚氰胺；D-纳米氧化铁红

对比试验例2

将含有15％的磷酸二氢铵和5％的活性黏土制备的水系化学灭火剂取100L。将占质量比0.4％的高分子吸水树脂制备的水凝胶灭火剂取100L。将水系化学灭火剂和水凝胶灭火剂分别灌装入推车式灭火器的罐体内，充入1.4MPa压缩氮气。午后，经测量地面大气温度为30℃，选择两棵大小和外形相似的构树，分别对其树冠喷射水系化学灭火剂和水凝胶灭火剂，在树叶上形成液膜状覆盖层。一周后观察树叶的形态，发现喷射过水系化学灭火剂的构树，其叶子表面出现大量黄色斑点，叶子下垂，有部分叶子脱落；喷射过水凝胶灭火剂的树叶颜色未变，生机盎然，阳光下叶面上可见有干燥后的高分子吸水树脂微小颗粒。

对比试验例3

阻燃性能试验。选用长宽高各为1m的木垜，其中纵向木条与横向木条交替堆放，木条长度为100cm，横截面边长各为4cm，木垜放置在金属支架上，金属支架下方有引燃油盘。

下午，大气温度27℃，无风。用喷枪分别向各自的木垜上均匀喷洒400L清水和400L水凝胶灭火剂，使清水和水凝胶灭火剂浸渍各根木条。向引燃油盘内注入4cm厚的清水，再倒入10L的82号汽油，放入金属支架下方，同时点燃两个引燃油盘中的汽油，汽油大火快速燃起。当10L汽油燃尽时，喷洒水凝胶灭火剂的木垜下层的木条有小火苗，但很快自行熄灭；喷洒清水的木垜己燃起大火，效果图如图5所示。

对比实验例4

为了验证本发明的阻燃和灭火效果，将一根木条涂覆和喷洒了本发明环保型水系灭火剂，在点燃的液化气灼烧该木条，虽然温度为325℃，但是并没有被点燃，如图1和图2所示。该覆盖本发明灭火剂的木条在灼烧后的立即测量木条表面温度还不到60℃，降温效果显著，如图2所示。对同一根木条没有涂覆本发明环保型水系灭火剂的部位进行灼烧，木条瞬间被点燃和烧焦，并迅速产生旺盛的火苗，如图3所示。并对该未覆盖本发明灭火剂的木条在灼烧后的立即测量木条表面温度迅速超过300℃，如图4所示。

另外，为了试验本发明保型水系灭火剂的阻燃效果，还进行了一项试验，就是将一部分枯树枝喷洒了本发明的保型水系灭火剂，另一部分没有喷洒，两部分连在一起，先点燃没有喷洒本发明的保型水系灭火剂的枯树枝，枯树枝迅速被点燃并燃烧很旺盛，如图6的(a)所示，但是燃烧到喷洒本发明的保型水系灭火剂的枯树枝时，火势顿时减弱，如图6的(b)所示，尽管没有喷洒的部分已经烧成灰烬，另一部分也没有烧起来，如图6的(c)所示。从上述实验可知，本发明的保型水系灭火剂阻燃效果非常显著，可以灭掉大火。

Claims (2)

1.一种用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂的制备方法，其特征在于步骤如下：

（1）将高分子吸水树脂与流动性促进剂混合搅拌，保持温升不超过10℃；再加入着色剂混合搅拌，制备出流动性好的粉剂；

（2）由压缩氮气或惰性气体驱动采用管道输送和多孔喷头喷射方式将粉剂射入水中，粉剂射流进入水中后，存贮在粉剂颗粒间隙中的氮气或惰性气体快速膨胀形成大量微小气泡，气泡促使粉剂粒子在水中快速分散，以单个粒子形态悬浮在水中充分与水接触，吸收大量水分子生成水凝胶灭火剂；

高分子吸水树脂与流动性促进剂混合搅拌时间为4～8min；

将粉剂喷射入水中的氮气或惰性气体的压力为1.2～1.6MPa；

所述的粉剂包括高分子吸水树脂、流动性促进剂和着色剂，重量份数如下：高分子吸水树脂 80～120份，流动性促进剂 4～20份，着色剂0.1～1.0份；

所述的流动性促进剂为玻璃微珠和氰脲酸三聚氰胺中的一种或者两者的混合物，所述的玻璃微珠平均粒径为5～20µm、密度为0.7～1.0g/cm³，所述的氰脲酸三聚氰胺的平均粒径为3～10µm；

所述的高分子吸水树脂为聚丙烯酸钠类高吸水树脂，其粒径为160～200目，所述的着色剂为氧化铁红纳米粉剂。

2.根据权利要求1所述的用于森林灭火飞机的环保型水系灭火剂的制备方法，其特征在于，粉剂占水的质量的0.2％～0.6％。

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