CN111803856A - 一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂及其制备方法 - Google Patents

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郭朝伟
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张子静
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郭亚萍
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Abstract

本发明公开了一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂及其制备方法，该阻燃剂包括外壳层和内核层，外壳层由以下重量比的组分制成：相变材料A 60～70％、阻燃材料20～30％、增强材料5～10％，内核层包括温控胶囊和阻燃剂混合溶液，温控胶囊包括外层囊壁以及包裹在外层囊壁内的水溶性胶囊，水溶性胶囊中填充有阻燃剂A粉末，外层囊壁由相变材料B制成，相变材料A的熔点高于相变材料B的熔点，阻燃剂混合溶液由阻燃剂B溶液和海藻酸钠溶液混合得到，阻燃剂A与阻燃剂B接触反应释放二氧化碳。本发明以相变材料包裹待反应阻燃剂粉末，在感应火灾热源时自动反应加压，完成喷射或爆裂溅射的释放功能，达到阻隔抑制火灾的目的。

Description

一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂及其制备方法
技术领域
本发明属于防灭火技术领域，涉及一种阻燃剂，具体涉及一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂及其制备方法，适用于野外森林、草原等易发火区域的火灾隔离带。
背景技术
野外防灭火是我国防灾减灾的重要组成部分，是国家公共应急体系建设的重要内容。野外火灾，不但严重危害我们的生存环境，而且灾后生态系统恢复的碳吸收和碳排放过程也影响陆地生态系统碳循环。野外火灾通过对大气和生态系统产生的影响，带来人类生存环境的改变，进而威胁到人类社会和经济的可持续发展。中国更是野外火灾多发的国家之一，每年平均发生森林火灾约1万多次，烧毁森林几十万至上百万公顷，约占全国森林面积的5～8‰。野外火灾的发火位置的不确定性为火灾形成早期的防灭火和监测带来困难。
由于野外环境的复杂性和水源的不确定性，野外火灾使用的灭火方法一般为干粉灭火器、高压空气、撒土、扑打和建立防火线等方法。在扑灭野外火灾的同时，火灾的火旋、一氧化碳、烟尘和热辐射伤害也同样提升了扑灭火灾的消防人员的危险性。
阻燃剂是能够使聚合物以及相关材料不易着火燃烧或能够减慢燃烧速度的一种助剂。阻燃剂的微胶囊技术是一种非常有效的方法，包覆的壳材料可以起屏蔽作用，使芯材料阻燃剂的性质不受外界环境和介质的影响，并且可根据需要控制释放。当制品一旦遇火受高热时，囊壁能立即熔融破裂，从而释放阻燃剂，达到阻燃的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，稳定性好，易储存，且其成分中不含毒性、强腐蚀性和不可降解的有机物，安全环保。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，包括外壳层和内核层，所述外壳层由以下重量比的组分制成：相变材料A 60～70％、阻燃材料20～30％、增强材料5～10％，所述内核层包括温控胶囊和阻燃剂混合溶液，所述温控胶囊包括外层囊壁以及包裹在外层囊壁内的水溶性胶囊，所述水溶性胶囊中填充有阻燃剂A粉末，所述外层囊壁由相变材料B制成，相变材料A的熔点高于相变材料B的熔点，所述阻燃剂混合溶液由阻燃剂B溶液和海藻酸钠溶液混合得到，阻燃剂A与阻燃剂B接触反应释放二氧化碳。
优选的，所述阻燃剂A为硫酸铝，所述阻燃剂B为碳酸钠，阻燃剂A与阻燃剂B的摩尔比为1:3。
优选的，所述阻燃剂A为碳酸钠，所述阻燃剂B为硫酸铝，阻燃剂A与阻燃剂B的摩尔比为3:1。
优选的，所述相变材料A由60型号石蜡和硬脂酸按质量比4:1组成，所述相变材料B由90～100wt％52型号石蜡和0～10wt％聚烯烃添加剂组成。
优选的，所述阻燃材料由氢氧化铝和3.5水硼酸锌按质量比1:1组成。
优选的，所述增强材料为直径不大于50微米的玻璃纤维。
本发明还提供上述防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制阻燃剂B和海藻酸钠的混合溶液，得到阻燃剂混合溶液；
(2)在水溶性胶囊中填充适量阻燃剂A粉末，装填完成后加入到60℃熔融的外层囊壁中，完全包裹后，冷却得到温控胶囊；
(3)将步骤(1)配制好的阻燃剂混合溶液和步骤(2)制备的温控胶囊一起放入涂有1％乳酸钙的模具中，待形成水凝膜后冷冻成小球；
(4)将相变材料A、阻燃材料、增强材料按比例混合后得到复合相变材料，将复合相变材料加热到75℃熔融状态，然后均匀喷涂到步骤(3)得到的冷冻小球表面，得到温控喷射释放阻燃剂。
优选的，所述温控喷射释放阻燃剂的直径为25mm，外壳层厚度为2mm。
所述温控喷射释放阻燃剂可用在森林、草原等易发火区域的火灾隔离带、防火线和防火沟，用于阻隔火灾，低位散撒布置阻隔草原、灌木等火灾，高位结网布置阻隔森林火灾的树冠火、火旋等；可用于灭火站中存储，在扑救野外火灾时远距离抛洒；可用于多枯木、病木、虫木等易发火区域的野外火灾早期防治。
本发明内核层中温控胶囊的外层囊壁采用较低熔点相变材料为防水材料，由于石蜡对温度的升高比较敏感，其熔点高于正常气温，因此，本发明采用的温敏材料能够在热源的一定范围内融化，从而使温控胶囊内的水溶性胶囊与阻燃剂混合溶液溶解，释放温控胶囊中填充的阻燃剂A粉末，待阻燃剂B溶液和阻燃剂A粉末接触反应，生成二氧化碳提高阻燃剂内腔压力。
本发明外壳层采用较高熔点相变材料为主体材质，其熔点高于温控胶囊外层囊壁的熔点，因此，本发明采用的外壳温敏材料能够在热源的一定范围内迟于温控胶囊外衣融化，外壳延迟融化的阶段存在内部阻燃剂B溶液和阻燃剂A粉末接触反应产生压力和距热源距离减少的因素影响，在一定程度时，内部阻燃剂突破外壳限制，向热源方向喷射或爆裂溅射阻燃剂。喷射或爆裂溅射的阻燃剂包含二氧化碳、水、氢氧化铝、钠离子等阻燃成分。由于该阻燃剂要撒入野外环境中，对外壳的强度有一定要求，保证在一定的落物压力条件下，该温控喷射释放阻燃剂不会破碎，因此，本发明通过在外壳层中加入增强材料来增加外壳层的强度；为了防止外壳层促进火灾发展，本发明通过在外壳层中加入阻燃材料，来提高外壳层的抑制火灾效果。
另外，本发明中的海藻酸钠一方面本身具有阻燃性能，另一方面能够和模具上的钙离子反应生成具有一定张力的液膜，更好地促进形成规则小球，易于喷涂外壳层材料。
与现有技术相比，本发明以相变材料包裹待反应阻燃剂粉末，即在保证运输、存储和加工过程中方便安全的情况下，在感应火灾热源时自动反应加压，完成喷射或爆裂溅射的释放功能，达到阻隔抑制火灾的目的，且成分中不含毒性、强腐蚀性和不可降解的有机物，对环境友好。
附图说明
图1为本发明制备的温控喷射释放阻燃剂的结构示意图；
图2为本发明实施例1制得的外壳层材料放大1000倍的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1制得的外壳层材料放大10000倍的扫描电镜图；
图1中，1-外壳层，2-温控胶囊，201-外层囊壁，202-水溶性胶囊，203-阻燃剂A粉末，3-阻燃剂混合溶液。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中所使用的原料，如无特殊说明，均为市售商品。以下实施例中各组分的含量均为重量百分比。
实施例1
Figure BDA0002594352880000041
其制备方法包括以下步骤：
(1)配制碳酸钠和海藻酸钠的混合溶液，得到阻燃剂混合溶液；
(2)在水溶性胶囊中填充适量硫酸铝粉末，装填完成后加入到60℃熔融的外层囊壁中，完全包裹后，冷却得到温控胶囊；
(3)按照碳酸钠与硫酸铝的摩尔比为3:1，将步骤(1)配制好的阻燃剂混合溶液和步骤(2)制备的温控胶囊一起放入涂有1％乳酸钙的模具中，待形成水凝膜后冷冻成小球；
(4)将60型号石蜡、硬脂酸、氢氧化铝、3.5水硼酸锌、玻璃纤维按比例混合后得到复合相变材料，将复合相变材料加热到75℃熔融状态，均匀喷涂到步骤(3)得到的冷冻小球表面，得到温控喷射释放阻燃剂，其结构示意图如图1所示。
由图2、图3的扫描电镜图可以看出，增强材料玻璃纤维和相变材料结合良好，有效提高了外壳层材料的抗压强度。
外壳层强度测试：外壳试样进行压力测试，样品试样的尺寸是:Φ55*35的圆柱体，单位:mm，实验仪器:CSS-88020电子万能试验机，选定的水平基座尺寸:Φ50*35，单位:mm，试验速度:5mm/min。
测试结果为：可承受最大应力4.75MPa，此时应变为0.16。制得阻燃剂为直径25mm、壁厚2mm的球体，可承受最大压力25.6N。
阻燃剂加压释放反应原理：当碳酸钠溶液和硫酸铝粉末接触反应，生成了二氧化碳，提高阻燃剂内腔压力。
3Na2CO3+Al2(SO4)3+3H2O＝3Na2SO4+2Al(OH)3↓+3CO2↑
实施例2
Figure BDA0002594352880000051
其制备方法包括以下步骤：
(1)配制硫酸铝和海藻酸钠的混合溶液，得到阻燃剂混合溶液；
(2)在水溶性胶囊中填充适量碳酸钠粉末，装填完成后加入到60℃熔融的外层囊壁中，完全包裹后，冷却得到温控胶囊；
(3)按照硫酸铝与碳酸钠的摩尔比为1:3，将步骤(1)配制好的阻燃剂混合溶液和步骤(2)制备的温控胶囊一起放入涂有1％乳酸钙的模具中，待形成水凝膜后冷冻成小球；
(4)将60型号石蜡、硬脂酸、氢氧化铝、3.5水硼酸锌、玻璃纤维按比例混合后得到复合相变材料，将复合相变材料加热到75℃熔融状态，均匀喷涂到步骤(3)得到的冷冻小球表面，得到温控喷射释放阻燃剂，其结构示意图如图1所示。
外壳层强度测试：外壳试样进行压力测试，样品试样的尺寸是:Φ55*35的圆柱体，单位:mm，实验仪器:CSS-88020电子万能试验机，选定的水平基座尺寸:Φ50*35，单位:mm，试验速度:5mm/min。
测试结果为：可承受最大应力4.42MPa，此时应变为0.12。制得阻燃剂为直径25mm、壁厚2mm的球体，可承受最大压力23.8N。
阻燃剂加压释放反应原理：当硫酸铝溶液和碳酸钠粉末接触反应，生成了二氧化碳，提高阻燃剂内腔压力。
3Na2CO3+Al2(SO4)3+3H2O＝3Na2SO4+2Al(OH)3↓+3CO2↑
实施例3
Figure BDA0002594352880000061
其制备方法包括以下步骤：
(1)配制硫酸铝和海藻酸钠的混合溶液，得到阻燃剂混合溶液；
(2)在水溶性胶囊中填充适量碳酸钠粉末，装填完成后加入到60℃熔融的52型号石蜡中，完全包裹后，冷却得到温控胶囊；
(3)按照硫酸铝与碳酸钠的摩尔比为1:3，将步骤(1)配制好的阻燃剂混合溶液和步骤(2)制备的温控胶囊一起放入涂有1％乳酸钙的模具中，待形成水凝膜后冷冻成小球；
(4)将60型号石蜡、硬脂酸、氢氧化铝、3.5水硼酸锌、玻璃纤维按比例混合后得到复合相变材料，将复合相变材料加热到75℃熔融状态，均匀喷涂到步骤(3)得到的冷冻小球表面，得到温控喷射释放阻燃剂，其结构示意图如图1所示。
外壳层强度测试：外壳试样进行压力测试，样品试样的尺寸是:Φ55*35的圆柱体，单位:mm，实验仪器:CSS-88020电子万能试验机，选定的水平基座尺寸:Φ50*35，单位:mm，试验速度:5mm/min。
测试结果为：可承受最大应力4.19MPa，此时应变为0.10。制得阻燃剂为直径25mm、壁厚2mm的球体，可承受最大压力24.2N。
阻燃剂加压释放反应原理：当硫酸铝溶液和碳酸钠粉末接触反应，生成了二氧化碳，提高阻燃剂内腔压力。
3Na2CO3+Al2(SO4)3+3H2O＝3Na2SO4+2Al(OH)3↓+3CO2↑

Claims (8)

1.一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，其特征在于，包括外壳层和内核层，所述外壳层由以下重量比的组分制成：相变材料A 60～70％、阻燃材料20～30％、增强材料5～10％，所述内核层包括温控胶囊和阻燃剂混合溶液，所述温控胶囊包括外层囊壁以及包裹在外层囊壁内的水溶性胶囊，所述水溶性胶囊中填充有阻燃剂A粉末，所述外层囊壁由相变材料B制成，相变材料A的熔点高于相变材料B的熔点，所述阻燃剂混合溶液由阻燃剂B溶液和海藻酸钠溶液混合得到，阻燃剂A与阻燃剂B接触反应释放二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，其特征在于，所述阻燃剂A为硫酸铝，所述阻燃剂B为碳酸钠，阻燃剂A与阻燃剂B的摩尔比为1:3。
3.根据权利要求1所述的一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，其特征在于，所述阻燃剂A为碳酸钠，所述阻燃剂B为硫酸铝，阻燃剂A与阻燃剂B的摩尔比为3:1。
4.根据权利要求1所述的一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，其特征在于，所述相变材料A由60型号石蜡和硬脂酸按质量比4:1组成，所述相变材料B由90～100wt％52型号石蜡和0～10wt％聚烯烃添加剂组成。
5.根据权利要求1所述的一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，其特征在于，所述阻燃材料由氢氧化铝和3.5水硼酸锌按质量比1:1组成。
6.根据权利要求1所述的一种防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂，其特征在于，所述增强材料为直径不大于50微米的玻璃纤维。
7.一种权利要求1至6任一项所述的防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配制阻燃剂B和海藻酸钠的混合溶液，得到阻燃剂混合溶液；
(2)在水溶性胶囊中填充适量阻燃剂A粉末，装填完成后加入到60℃熔融的外层囊壁中，完全包裹后，冷却得到温控胶囊；
(3)将步骤(1)配制好的阻燃剂混合溶液和步骤(2)制备的温控胶囊一起放入涂有1％乳酸钙的模具中，待形成水凝膜后冷冻成小球；
(4)将相变材料A、阻燃材料、增强材料按比例混合后得到复合相变材料，将复合相变材料加热到75℃熔融状态，然后均匀喷涂到步骤(3)得到的冷冻小球表面，得到温控喷射释放阻燃剂。
8.根据权利要求7所述的防治野外火灾的温控喷射释放阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述温控喷射释放阻燃剂的直径为25mm，外壳层厚度为2mm。
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