CN111184975A

CN111184975A - 一种木质素型高分子水凝胶灭火剂及其制备方法

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Publication number: CN111184975A
Application number: CN202010123808.4A
Authority: CN
Inventors: 许东华; 赵志刚; 李双双; 杨雪; 付志磊; 刘芳; 石彤非; 李思佳; 汤华清
Original assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: CN111184975B

Abstract

本发明提供了一种木质素型高分子水凝胶灭火剂及其制备方法。本发明提供的木质素型高分子水凝胶灭火剂，以质量百分比计，包括以下组分：高吸水树脂0.10％～0.50％；木质素类物质0.05％～0.25％；水余量；所述高吸水树脂为聚丙烯酸类高吸水树脂；所述木质素类物质为木质素和/或木质素衍生物。本发明将木质素类物质与高吸水树脂以一定比例结合，木质素类物质的存在能够提升高吸水树脂水凝胶粒子间的稳定性，提高水凝胶对物体表面的附着能力，进而显著提升高分子水凝胶灭火剂的灭火效果。同时，木质素来源广泛、价格低廉，能够降低灭火剂的成本。

Description

一种木质素型高分子水凝胶灭火剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及灭火剂技术领域，特别涉及一种木质素型高分子水凝胶灭火剂及其制备方法。

背景技术

在当今社会生活中，火灾早已成为威胁公共安全、人民群众生命财产的一种多发性灾害。由于水廉价易得、来源广泛且比热容大，对燃烧物质具有显著地冷却作用，所以水成为了最早也是最常用的灭火剂；但水由于流动性很强、附着能力差、持续时间短、利用率低等特点揭示了其在灭火方面的短板。为弥补这一不足，越来越多的人开始关注并研发高效水系灭火剂以提高灭火效率，降低人民生命财产损失。

高吸水性树脂是一种功能高分子材料，它是一种具有三维空间网络结构的强亲水性高聚物，既不溶于水，也不溶于一般的有机溶剂。它能够迅速吸收相当于自身质量几百倍甚至几千倍的水而成为水凝胶，加压仍具有保水性，并在干燥的空气中缓慢释放，是一种高保水剂。

目前，基于聚丙烯酸类高吸水性树脂的高分子水凝胶已经被广泛应用于灭火领域。但是，基于聚丙烯酸类高吸水性树脂的灭火水凝胶也存在着一些缺点：在已经着火的表面，特别是竖直的墙面、含有不锈钢的表面(如油罐车表面)时，由于水在高温下汽化，基于聚丙烯酸类的高吸水性树脂很难在其表面附着，从而不能有效的覆盖、冷却和降温，灭火效果较差。专利CN103483752B公开了一种通过加入硅烷偶联剂的水性附着力促进剂来改善高分子灭火水凝胶与表面附着力差的方法，但是硅烷偶联剂价格昂贵，提高了灭火剂的生产成本。因此，如何开发高效且低成本的灭火剂成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种木质素型高分子水凝胶灭火剂及其制备方法。本发明提供的木质素型高分子水凝胶灭火剂能够有效提高灭火效果，且降低灭火剂成本。

本发明提供了一种木质素型高分子水凝胶灭火剂，包括以下组分：

高吸水树脂 0.10％～0.50％；

木质素类物质 0.05％～0.25％；

水余量；

所述高吸水树脂为聚丙烯酸类高吸水树脂；

所述木质素类物质为木质素和/或木质素衍生物。

优选的，所述聚丙烯酸类高吸水树脂选自巴斯夫90S、触媒CAW101、

和LG802中的一种或几种。

优选的，所述木质素类物质选自碱木素、有机溶剂型木质素、木质素磺酸钠和玉米秸秆酶解木质素中的一种或几种。

优选的，所述碱木素的长度为0.1～0.5mm；

所述有机溶剂型木质素的长度为0.05～0.1mm；

所述木质素磺酸钠的长度为0.05～0.1mm；

所述玉米秸秆酶解木质素的长度为0.1～1mm。

优选的，所述有机溶剂型木质素的含量为0.05％～0.10％；

所述木质素磺酸钠的含量为0.05％～0.15％。

优选的，形成所述有机溶剂型木质素采用的溶剂为苯-乙醇混合溶剂，木质素原料为稻壳。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的木质素型高分子水凝胶灭火剂的制备方法，包括：

将高吸水树脂、木质素类物质和水混合，得到木质素型高分子水凝胶灭火剂。

优选的，所述混合的顺序为：

先将高吸水树脂和木质素类物质混合，再与水混合。

优选的，所述混合的温度为0℃以上。

优选的，所述混合的时间为1～2.5min。

本发明将木质素类物质与高吸水树脂以一定比例结合，木质素类物质的存在能够提升高吸水树脂水凝胶粒子间的稳定性，提高水凝胶对物体表面的附着能力，进而显著提升高分子水凝胶灭火剂的灭火效果。同时，木质素来源广泛、价格低廉，能够降低灭火剂的成本。

试验结果表明：①流变试验中，添加木质素类物质后，水凝胶的储能模量明显增加，表明形成了强度更高的水凝胶；②水凝胶灭火剂在竖直基板上的附着厚度明显提高，在竖直喷涂过程中灭火剂不易滴落；③灭火效果明显提升，完全灭1A火，所需时间不超过2min，完全灭55B火，所需时间不超过5min，灭火效率较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的水凝胶灭火剂的粒子间的结构示意图；

图2为实施例6中流变试验的测试图；

图3为实施例2的高分子水凝胶灭火剂喷涂在竖直木板的效果图；

图4为实施例3的高分子水凝胶灭火剂喷涂在垂直铁板的效果图；

图5为比较例1的高分子水凝胶灭火剂喷涂在竖直木板的效果图。

具体实施方式

本发明提供了一种木质素型高分子水凝胶灭火剂，以质量百分比计，包括以下组分：

高吸水树脂 0.10％～0.50％；

木质素类物质 0.05％～0.25％；

水余量；

所述高吸水树脂为聚丙烯酸类高吸水树脂；

所述木质素类物质为木质素和/或木质素衍生物。

本发明将木质素类物质与高吸水树脂以一定比例结合，木质素类物质的存在能够提升高吸水树脂水凝胶粒子间的稳定性，提高水凝胶对物体表面的附着能力，进而显著提升高分子水凝胶灭火剂的灭火效果。同时，木质素来源广泛、价格低廉，能够降低灭火剂的成本。本发明提供的水凝胶灭火剂的微观结构如图1所示，图1为本发明提供的水凝胶灭火剂的粒子间的结构示意图。

本发明中，所述高吸水树脂为聚丙烯酸类高吸水树脂。所述聚丙烯酸类高吸水树脂优选为巴斯夫90S、触媒CAW101、

和LG802中的一种或几种。采用上述种类的聚丙烯酸类树脂能够快速形成凝胶，且吸水和保水效率高，同时能够与木质素较好的结合，在保证凝胶性的同时提高强度。本发明对所述聚丙烯酸类高吸水树脂的来源没有特殊限制，为一般市售品即可，如巴斯夫90S可购自德国巴斯夫股份公司(BASF SE)，触媒CAW101可购自日本触媒公司，LG802可购自韩国LG集团，

和

可购自郯城一诺商贸有限公司。

本发明中，所述高吸水树脂的含量为0.10％～0.50％，在上述用量下才能形成凝胶并达到高效的灭火效果，若含量低于0.10％，则无法形成凝胶、流动性较大，无法达到预期灭火效果，若含量高于0.50％，则物料粘度过大而不易喷出，且与木质素类物质结合增强效果较差，影响使用效率。在本发明的一些实施例中，高吸水树脂的含量为0.20％或0.30％。

本发明中，所述木质素类物质为木质素和/或木质素衍生物。木质素是一类复杂的有机聚合物，属于可再生、可生物降解的天然高分子聚合物，来源于植物体中，在自然界中存在的数量非常庞大，其衍生物的种类也非常多。本发明中，所述木质素类物质优选为碱木素、有机溶剂型木质素、木质素磺酸钠和玉米秸秆酶解木质素中的一种或几种。上述种类的木质素类物质，含有特定的极性基团，能够有效吸附在极性的聚丙烯酸类高吸水树脂粒子表面，木质素分子黏附在聚丙烯酸类高吸水树脂粒子表面，能够降低吸水树脂粒子间的相对滑动，提高水凝胶在竖直表面的附着厚度，且能够增强水凝胶，改善其黏附效果，进而显著提高灭火效果。

其中，碱木素俗称木糖粉，外观为棕(黄)褐色粉末。本发明中，所述有机溶剂型木质素是指有机溶剂法提取的木质素，利用有机溶剂对木质素原料抽提得到。本发明中，形成所述有机溶剂型木质素采用的溶剂为苯-乙醇混合溶剂，木质素原料为稻壳(市购)；其中，所述溶剂中苯与乙醇的体积比优选为(30～40)：(60～70)；所述木质素原料与溶剂的用量比没有特殊限制，能够将木质素原料完全浸没在溶剂中即可。在上述溶剂提取后，还进行萃取，所述萃取所采用的试剂优选为丙酮与水的混合液，丙酮与水的体积比优选为(70～80)：(20～30)；萃取时的固液比优选为8％～15％。

本发明中，所述玉米秸秆酶解木质素是指从微生物酶解玉米秸秆制备能源酒精的残渣中提取得到的木质素，具有特定结构。在本发明的一些实施例中，木质素为碱木素和玉米秸秆酶解木质素；在本发明的另一些实施例中，木质素为木质素磺酸钠和有机溶剂型木质素；在本发明的另一些实施例中，木质素为有机溶剂型木质素和玉米秸秆酶解木质素；在本发明的另一些实施例中，木质素为有机溶剂型木质素和碱木素；在本发明的另一些实施例中，木质素为木质素磺酸钠、玉米秸秆酶解木质素和有机溶剂型木质素。

本发明中，所述木质素类物质的含量为0.05％～0.25％；在上述含量下才能与上述聚丙烯酸类高吸水树脂较好的结合，明显增强凝胶特性，若低于0.05％或高于0.25％，均对水凝胶增强效果不理想，降低灭火效果。其中，木质素类物质为碱木素或玉米秸秆酶解木质素时，含量控制在0.05％～0.20％；木质素类物质为有机溶剂型木质素时，其含量优选为0.05％～0.10％；木质素类物质为木质素磺酸钠时，其含量优选为0.05％～0.15％。在本发明的一些实施例中，木质素类物质的含量为0.15％、0.18％或0.25％。具体的，在本发明的一些实施例中，木质素类物质为碱木素0.05％和玉米秸秆酶解木质素0.1％；在本发明的另一些实施例中，木质素类物质为木质素磺酸钠0.08％和有机溶剂型木质素0.1％；在本发明的另一些实施例中，木质素类物质为有机溶剂型木质素0.1％和玉米秸秆酶解木质素0.15％；在本发明的另一些实施例中，木质素类物质为有机溶剂型木质素0.1％和碱木素0.05％；在本发明的另一些实施例中，木质素类物质为木质素磺酸钠0.05％、玉米秸秆酶解木质素0.03％和有机溶剂型木质素0.1％。

本发明中，对木质素类物质的尺寸有一定要求，具体如下：所述碱木素的长度为0.1～0.5mm；所述有机溶剂型木质素的长度为0.05～0.1mm；所述木质素磺酸钠的长度为0.05～0.1mm；所述玉米秸秆酶解木质素的长度为0.1～1mm。在上述尺寸下能够与聚丙烯酸类高吸水树脂达到良好的配合效果，若尺寸过小，则比表面积大、吸附空气过多，在水中易团聚、不易分散，若尺寸过大，吸附在吸水树脂粒子表面时增大了粒子间距，难以固定粒子间滑动，则难以与吸水树脂有效配合来提高凝胶的附着厚度。

本发明中，溶剂为水，含量为余量。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的木质素型高分子水凝胶灭火剂的制备方法，包括：将高吸水树脂、木质素类物质和水混合，得到木质素型高分子水凝胶灭火剂。

其中，高吸水树脂、木质素类物质和水的种类、用量及来源等均与上述技术方案中所述一致，在此不再一一赘述。

本发明中，所述混合的温度为室温即可，具体在0℃以上，优选为为22～27℃。所述混合的时间优选为1～2.5min。所述混合的顺序优选为先将将高吸水树脂和木质素类物质混合，再与水混合。经混合均匀后，得到水凝胶灭火剂。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

以下实施例中，所用聚丙烯酸类高吸水树脂为市售品，其中，

购自于郯城一诺商贸有限公司，巴斯夫90S购于德国巴斯夫股份公司(BASF SE))、触媒CAW101购于日本触媒公司、LG802购自韩国LG集团。木质素类物质为市售或自制，尺寸与上文中所述一致；其中，有机溶剂型木质素的制备过程如下：将稻壳粉研磨过60目筛，加入苯-乙醇混合溶剂(苯与乙醇的体积比为35∶65)抽提6h，真空干燥后加入丙酮-水混溶剂(丙酮与水的体积比为75∶25，固液比为10％)，在高温(155℃～175℃)、高压(100MPa～130MPa)条件下搅拌3h萃取木质素；然后通过沉淀法将木质素分离出来，真空干燥后得到所需有机溶剂型木质素。

实施例1

1.1原料：

1.2制备：

在室温下，将高吸水树脂和木质素类物质混合并放入容器内，再加水混合2min，得到水凝胶灭火剂。

实施例2

1.1原料：

1.2制备：

实施例3

1.1原料：

1.2制备：

在室温下，将高吸水树脂和木质素类物质混合并放入容器内，再加水混合2.5min，得到水凝胶灭火剂。

实施例4

1.1原料：

1.2制备：

实施例5

1.1原料：

1.2制备：

在室温下，将高吸水树脂和木质素类物质混合并放入容器内，再加水混合1.5min，得到水凝胶灭火剂。

比较例1

1.1原料：

聚丙烯酸类高吸水树脂德国巴斯夫90S 0.3wt％；

水余量。

1.2制备：

在室温下，将高吸水树脂和水混合2min，得到水凝胶灭火剂。

比较例2

1.1原料：

聚丙烯酸类高吸水树脂日本触媒CAW101 0.3wt％；

水余量。

1.2制备：

在室温下，将高吸水树脂和水混合2min，得到水凝胶灭火剂。

比较例3

按照实施例1的原料及制备进行，不同的是，原料配方中，组分的含量进行了调整，具体如下：

比较例4

按照实施例2的原料及制备进行，不同的是，原料配方中，组分的含量进行了调整，具体如下：

比较例5

采用其它木质素，原料如下：

聚丙烯酸类高吸水树德国巴斯夫90S 0.3wt％；

木质素磺酸钙 0.2wt％；

水余量。

制备过程与实施例3相同。

实施例6

对实施例1～5和比较例1～5分别进行以下试验检测：

1.1流变试验

分别对实施例5和比较例2进行流变试验，结果如图2所示，图2为实施例6中流变试验的测试图。可以看出，与比较例2相比，实施例5所得水凝胶灭火剂的储能模量明显提升，证明，实施例5提高了水凝胶强度。

对其余实施例和比较例进行相同测试，结果类似，与比较例相比，实施例的储能模量均明显提升，证明，本发明提供的水凝胶灭火剂提高了水凝胶强度。

1.2附着性试验

使用喷枪将灭火剂均匀的喷涂在不同材质的竖直基板正面(基板规格均为长15cm×宽15cm×厚0.5cm)，当灭火剂刚刚有滑动趋势时或者因喷枪冲劲过大会将样品吹落无法继续喷涂时，停止喷涂，测试灭火剂在基板上的附着厚度。测试结果参见表1。

表1附着性测试结果

其中，实施例2-3及比较例1的水凝胶灭火剂的喷涂效果分别如图3、图4和图5所示，其中，图3为实施例2的高分子水凝胶灭火剂喷涂在竖直木板的效果图，图4为实施例3的高分子水凝胶灭火剂喷涂在垂直铁板的效果图，图5为比较例1的高分子水凝胶灭火剂喷涂在竖直木板的效果图。可以看出，实施例的高分子水凝胶灭火剂在竖直基板上附着较为紧密完整，而比较例的高分子水凝胶灭火剂在竖直基板上附着稀松、较为薄透。

由表1测试结果可以看出，与比较例1-5相比，实施例1-5所得水凝胶灭火剂的附着厚度明显提升，在竖直木板和钢板上的附着厚度分别在10.9mm以上和5.4mm以上，且灭火剂在竖直喷涂的情况下不易滴落，证明，实施例1-5提高了水凝胶的附着性，具有很好的黏附能力。实际应用中，本发明提供的灭火剂可以较好的喷涂在竖直的木制材料表面以及不锈钢的表面(如油罐车表面)等，较好的发挥覆盖、灭火和冷却的作用。

其中，由比较例1-2与实施例的效果对比说明，添加木质素类物质后，能够有效提升水凝胶附着性。由比较例3-4与实施例的效果对比说明，本发明在添加木质素类物质时，木质素类物质与聚丙烯酸类高吸水树脂在本发明限定的配比下才能有效提高水凝胶的附着性。由比较例5与实施例的效果对比说明，本发明添加特定种类的木质素类物质才能有效提高水凝胶的附着性。

1.3灭火试验

参照标准GB17835-2008《水系灭火剂》进行灭火测试，测试结果参见表2。

表2灭火测试结果

由表2测试结果可以看出，与比较例1-5相比，实施例1-5所得水凝胶灭火剂的灭火效果明显提升，完全灭1A火所需时间更短，不超过82s，完全灭55B火所需时间也更短，不超过270s，灭火效率明显提升。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种木质素型高分子水凝胶灭火剂，其特征在于，以质量百分比计，包括以下组分：

高吸水树脂 0.10％～0.50％；

木质素类物质 0.05％～0.25％；

水余量；

所述高吸水树脂为聚丙烯酸类高吸水树脂；

所述木质素类物质为木质素和/或木质素衍生物。

2.根据权利要求1所述的灭火剂，其特征在于，所述聚丙烯酸类高吸水树脂选自巴斯夫90S、触媒CAW101、

-Pac·SAP1、

-Pac·SAP2、

-Pac·SAP3和LG802中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的灭火剂，其特征在于，所述木质素类物质选自碱木素、有机溶剂型木质素、木质素磺酸钠和玉米秸秆酶解木质素中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的灭火剂，其特征在于，所述碱木素的长度为0.1～0.5mm；

所述有机溶剂型木质素的长度为0.05～0.1mm；

所述木质素磺酸钠的长度为0.05～0.1mm；

所述玉米秸秆酶解木质素的长度为0.1～1mm。

5.根据权利要求3所述的灭火剂，其特征在于，所述有机溶剂型木质素的含量为0.05％～0.10％；

所述木质素磺酸钠的含量为0.05％～0.15％。

6.根据权利要求3所述的灭火剂，其特征在于，形成所述有机溶剂型木质素采用的溶剂为苯-乙醇混合溶剂，木质素原料为稻壳。

7.一种权利要求1～6中任一项所述的木质素型高分子水凝胶灭火剂的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合的顺序为：

先将高吸水树脂和木质素类物质混合，再与水混合。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合的温度为0℃以上。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合的时间为1～2.5min。