CN114353870A - 阻燃泡沫特征参数综合测评装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了阻燃泡沫特征参数综合测评装备，涉及阻燃泡沫材料应用研究技术领域，能够解决不同阻燃泡沫材料应用性能的综合评定问题。测评装备包括泡沫发生模块、泡沫检测模块和数据处理模块。螺旋加热器表面为米粒状凹槽，可实现快速加热到所需温度；泡沫制备器根据需要灵活调整发泡成分，制造阻燃泡沫；阻燃泡沫通过旋转式多孔泡沫喷射体均匀注入可视化容器，防止因堆积不均导致消泡速率差异大；不同泡沫性能检测装置可以单独或共同测量泡沫特征参数；测量信号传输到数据处理装置，电子计算机显示阻燃泡沫的各项性能；测量完成后由外部负压泵将泡沫液析出，喷射体喷洒清水清洗仪器。本发明适用于各种阻燃泡沫材料应用性能测试及研究分析实验。

Description

阻燃泡沫特征参数综合测评装备

技术领域

本发明涉及阻燃泡沫材料应用研究技术领域，尤其涉及阻燃 泡沫特征参数综合测评装备。

背景技术

能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对 国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。注浆、注氮 是我们国家首推的防灭火技术，但也存在很多的问题。注浆不适用于 高位发火区域，水分的蒸发会与煤体表面作用放热，水分蒸发后煤体 表面会形成新的漏风通道，加速煤的氧化自燃；注氮难以在防治区域 滞留，灭火时间长，有向采面或邻近采空区泄漏的可能性，浓度较高 时对人体有害。防治煤自燃亟需新的高效的防灭火技术。

阻燃泡沫材料具有包覆性强、保水性高、堆积能力佳以及阻燃 效率优良的特性，被广泛用于矿井防灭火。其在地面消防也经常应用， 可以扑灭油罐，室外甲、乙、丙类液体流淌火灾等。但是不同的泡沫 稳定剂材料也会影响阻燃泡沫材料的阻燃特性。目前，没有一套可供 参考的综合测评阻燃泡沫材料应用性能的测试装置，可以适用于对不 同阻燃泡沫材料的应用性能的综合测评，从而根据性能测评结果来指 导优化阻燃泡沫材料性能的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明对不同阻燃泡沫在不同温度下的保水性、稳 定性、粘性及发泡性能提供了阻燃泡沫特征参数综合测评装备，一定 程度上，能够克服现有阻燃泡沫性能测试技术在测评方面的不足。

为实现上述目的，本发明提出阻燃泡沫特征参数综合测评装 备，包括泡沫制备器、泡沫喷射体、可视化容器、恒温箱、螺旋加热 装置、磁化搅拌器、泡沫粘度与消泡测试装置、光电式超声波测液仪、 高速摄影仪、360°旋转热像仪、阀门、外部负压泵、无线通信模块、 数据处理装置、电子计算机。

进一步地，所述泡沫制备器包括稳定材料、发泡剂的注入通道 和阻燃泡沫合成容器，泡沫稳定材料包括钙化材料、高分子材料、纳 米材料、粉煤灰和胶凝剂等；生成的阻燃泡沫包括钙化泡沫、高分子 泡沫、纳米泡沫、三相泡沫和凝胶泡沫等；不同物态的稳定材料和发 泡剂分别由液态物添加通道，固态物添加通道添加。

进一步地，所述泡沫喷射体位于可视化容器内的上部位置，包 括旋转式喷头及喷射器；旋转式喷头表面均匀分布圆孔，旋转喷射泡 沫液，实现泡沫带有一定初速度的均匀喷撒到喷射器上；喷射器的喷 射孔环形排列，从下至上孔径增大，孔隙减小，实现泡沫在所述可视 化容器内的均匀分布，抑制因重力产生的喷射器不同高度位置流量分 布不均现象，防止因可视化容器内泡沫分布不均，导致消泡速度差异 大。

进一步地，所述可视化容器为透明防火玻璃制作，玻璃厚度为 6mm，所述恒温箱为中空防火玻璃，单片玻璃厚度为4mm，玻璃间 空气层为6mm；所述可视化容器和所述恒温箱为均为圆柱体结构， 壳体高度与直径之比为3～5，长期耐高温700℃以上，瞬时可达 1000℃；防火玻璃安全性高，玻璃破碎时呈现微小颗粒状，对人体伤 害小，中空防火玻璃具有较强的保温性。

进一步地，所述螺旋加热装置螺旋布置在所述恒温箱内侧，螺 旋上升倾角为15-20°，距离可视化容器有5-10cm,加热温度控制 范围为50-200℃，精度±1％，螺旋管表面有若干凹槽，呈米粒状， 为高导热材料，实现环境温度快速上升至所需温度，并为保持恒温提供热源。

进一步地，所述磁化搅拌装置位于所述恒温箱内底部，呈平面 螺旋管状，利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座的两端 极性来推动磁性搅拌子转动，通过磁性搅拌子的转动带动泡沫液旋转， 对泡沫液进行无接触的混合，使泡沫液受热均匀。

进一步地，所述泡沫粘度与消泡测试装置设置在所述可视化容 器中部，所述泡沫粘度与消泡测试装置包括伸缩管，热电偶、压力感 受板和转子粘度测试装置，伸缩管由4个直径不同的圆管组成，相邻 两个圆管的直径之比为0.90-0.95，伸缩后长度可达原长度的3-4倍； 压力感受板和热电偶紧靠伸缩杆前后两侧，压力感受板与伸缩杆长度 一致，可以测量泡沫液实时高度及发泡倍数，热电偶均匀分布在伸缩 杆轴上，可以测量泡沫液温度，伸缩管左右两侧对称布置两个滑槽， 转子粘度测试装置可沿滑槽上下滑动，也可以左右伸缩，测量不同位 置的泡沫液粘度。

进一步地，所述光电式超声波测液仪设置在可视化容器外底 部，由超声波发射与接收装置组成，可通过超生波发射与接收到的时 间和可视化容器底部壁厚计算泡沫析液高度和析液速度。

进一步地，所述可视化容器外部设有高速摄影仪和360°旋转 热像仪，安装于具有升降功能的平台上，可通过绕恒温箱旋转以及竖 向同步位移，做到全方位观测，高速摄影仪用于观测泡沫材料动态消 泡过程，360°旋转热像仪用于采集可视化容器内的温度分布图像。

进一步地，所述数据处理包括：所述数据处理装置与所述高速 摄影仪、所述360°旋转热像仪通过数据线传输数据，与所述泡沫粘度 与消泡测试装置、所述光电式超声波测液仪通过无线通信模块传输数 据；所述数据处理装置将数据传输至所述电子计算机，电子计算机根 据采集到的泡沫液粘度、温度、初始高度、实时高度、消泡过程的动 态形态变化等参数判断泡沫在不同温度条件下的发泡倍数、析液速度、 消泡速度、粘度变化规律，综合衡量泡沫的保水性、稳定性、粘性以 及发泡性能。

本发明提供了阻燃泡沫特征参数综合测评装备，包含泡沫发 生模块、泡沫检测模块和数据处理模块，在制备阻燃泡沫时，可以根 据需要灵活调整发泡成分；在测量阻燃泡沫特性时，各个测量装置可 以同时工作，无需分开多次测量，即可完成阻燃泡沫特性数据的测量， 也可各个测量装置单独测量泡沫的某一特性，只针对泡沫某一特性进 行研究，整套装备操作简单，由电子计算机操控任务进程；容易清洗， 测量任务结束后喷射体喷洒清水，通过角度的调节做到360°无死角清 洗；测量数据经数据处理装置处理后传送到电子计算机，可以得到阻 燃泡沫特征参数之间的关系，快速选出性能优越的阻燃泡沫复配比例。

附图说明

以下将结合附图对本发明的具体结构及产生的技术效果作进 一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得 其它的附图。

图1为本发明阻燃泡沫特征参数综合测评装备模块示意图；

图2为本发明阻燃泡沫特征参数综合测评流程图；

图3为本发明泡沫检测装置组成示意图；

图4为本发明阻燃泡沫特征参数综合测评装备结构图；

图5为本发明泡沫喷射体结构图；

图6为本发明螺旋加热装置示意图；

图7为本发明泡沫粘度与消泡测试装置结构图；

具体实施方式

为了使上述测评装备更加易懂，下面通过实施例详细描述本 发明公开的阻燃泡沫特征参数综合测评装备。应当明确，所描述的实 施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本发明阻燃泡沫特征参数综合测评装备模块示意图， 装备包括泡沫发生模块、泡沫检测模块、数据处理模块，作用如下：

在泡沫发生模块中，启动螺旋加热装置使可视化容器升至所 需温度，可视化容器内上部设置有泡沫喷射体，泡沫喷射体通过管道 与外部泡沫制备器连接，泡沫制备器用于添加泡沫稳定材料、发泡剂 和制造泡沫，恒温箱内底部设置有磁化搅拌器用于实现泡沫液的均匀 受热。

在泡沫检测模块中，可视化容器中部设置有泡沫粘度与消泡 测试装置，用于记录不同温度下泡沫液粘度、泡沫高度以及温度等实 时数据；可视化容器与磁化搅拌器之间设置有光电式超声波测液仪， 实现对泡沫液高度的实时监测；恒温箱外部设置有高速摄影仪与360° 旋转热像仪，高速摄影仪用于观测泡沫材料动态消泡过程，360°旋转 热像仪用于采集可视化容器内的温度分布图像。

在数据处理模块中，数据处理装置与泡沫粘度与消泡测试装 置、超声波测液仪、高速摄影仪和360°旋转热像仪连接，数据处理装 置用于采集泡沫液粘度、温度、实时高度、发泡倍数、消泡过程的动 态变化等数据，将采集数据发送至电子计算机，电子计算机对数据进 行处理，综合测评阻燃泡沫材料的性能。

图2为本发明阻燃泡沫特征参数综合测评流程图，该流程包 括：

101螺旋加热装置加热，使可视化容器升至所需温度，磁化搅 拌装置启动，使受热均匀。

102泡沫制备器启动，添加稳定材料和发泡剂，生成阻燃泡沫。

103螺旋加热装置加热到所需温度且阻燃泡沫生成后，打开阀 门，泡沫喷射体启动，旋转喷射泡沫，使其均匀分布于可视化容器中。

104泡沫检测装置启动，泡沫粘度与消泡测试装置、光电式超 声波测液仪、高速摄影仪、360°旋转热像仪测量泡沫液的粘度、高度、 温度、消泡过程等数据。

105泡沫数据处理装置与泡沫检测装置连接，将泡沫检测装置 检测到的泡沫液粘度、高度、温度、消泡过程等数据发送至电子计算 机，电子计算机对所述数据进行处理，综合测评阻燃泡沫材料的性能。

106实验结束后，可视化容器底部排液阀门打开，负压泵启动， 排出泡沫液；喷射体喷洒清水，通过角度的调节做到360°无死角清洗。

图3为本发明泡沫检测装置组成示意图，泡沫检测装置包括 光电式超声波测液仪、泡沫粘度与消泡测试装置、高速摄影仪、360° 旋转热像仪。

光电式超声波测液仪由超声波发射装置和接收装置组成，紧 贴在可视化容器底部，超声波发射装置每隔时间t₁向可视化容器内发 射速度为v的超声波，当超声波到达泡沫液界面时会向下发生反射， 透过可视化容器底部壁面，由超声波接收装置接收到超声波信号。假 设从超声波发射到接收到的时间差为t₂，可视化容器底部壁面壁厚为 d,可用公式计算泡沫析液高度l_析液：

泡沫析液速度v_析液也可计算为：

泡沫粘度与消泡测试装置由伸缩管、热电偶、压力感受板和转 子粘度测试装置组成；伸缩管由4个直径不同的圆管组成，相邻两个 圆管的直径之比为0.90-0.95，伸缩长度约为原长度的3-4倍，压力 感受板和热电偶附着于伸缩杆前后两侧，压力感受板与伸缩杆长度一 致，热电偶均匀分布在伸缩杆轴上，压力感受板可以测量泡沫的初始 高度，及其高度随时间的变化，实现对发泡倍数和泡沫稳定性的量化 测评，热电偶可以测量可视化容器内不同高度位置温度，伸缩管左右 两侧对称布置两个滑槽，转子粘度测试装置可沿滑槽上下滑动，也可 以左右伸缩，测试三个位置泡沫液粘度，计算其平均值作为泡沫液在 该温度下的粘度。

高速摄影仪由高速摄影仪和升降功能平台组成，通过绕恒温 箱旋转以及竖向同步位移，做到全方位观测，高速摄影仪能够清晰的 观察到泡沫初始尺度以及消泡过程中泡沫形态的动态变化，从而可准 确评估阻燃泡沫材料的稳定特性，也可以通过高速摄影仪观测到析液 量，从而便于进行粘度测试。

360°旋转热像仪由360°旋转热像仪和升降功能平台组成，通过 绕恒温箱旋转以及竖向同步位移，做到全方位观测，360°旋转热像仪 用可用于采集可视化容器内的温度分布图像。

泡沫检测装置检测的参数包括光电式超声波测液仪、泡沫粘 度与消泡测试装置、高速摄影仪、360°旋转热像仪测量的泡沫液的粘 度、高度、温度、消泡过程等，可以衡量泡沫在不同温度下的保水性、 稳定性、粘性以及发泡性，若泡沫材料析液速率慢则确定对应的泡沫 材料的保水性能更优越；若泡沫材料消泡速率慢则确定对应的泡沫材 料稳定性更优越；若泡沫材料粘度大则确定对应的泡沫材料润湿性能 更优越；若泡沫材料初始高度较高则确定对应的泡沫材料发泡性能更 优越。

图4为本发明阻燃泡沫特征参数综合测评装备结构图，其中 包括：1-泡沫制备器；2-液态物添加通道；3-固态物添加通道；4-喷射 阀门；5-恒温箱；6-可视化容器；7-泡沫喷射体；8-泡沫粘度与消泡测 试装置；9-螺旋加热装置；10-无线通信模块；11-光电式超声波测液 仪；12-磁化搅拌装置；13-360°旋转热像仪；14-高速摄影仪；15-竖向 支杆；16-圆环支架；17-数据处理装置；18-电子计算机；19-排液阀门； 20-负压泵。

在可视化容器6内上部设置有泡沫喷射体7，泡沫喷射体7通 过管道与容器外部泡沫制备器1连接，泡沫喷射体7与泡沫制备器1 之间设有喷射阀门3，泡沫制备器1通过固/液态物添加通道2/3添加 泡沫稳定材料、发泡剂制造泡沫，在可视化容器6中部设置有泡沫粘度与消泡测试装置8，在恒温箱5内底部设置有磁化搅拌器12，在可 视化容器与磁化搅拌器之间设置有光电式超声波测液仪11，在可视 化容器底部一侧设置排液阀门19，排液阀门通过管道与外部负压泵 20连接，在可视化容器外部设置有恒温箱5，在恒温箱5内部设置有螺旋加热装置9，恒温箱5外部设置有高速摄影仪14与360°旋转热 像仪13，数据处理装置17与泡沫粘度与消泡测试装置8、光电式超 声波测液仪11通过无线通信模块10传输数据，与高速摄影仪14、 360°旋转热像仪13通过数据线传输数据。

图5本发明泡沫喷射体结构图，泡沫喷射体位于可视化容器 内的上部位置，包括旋转式喷头及喷射器；旋转式喷头表面均匀分布 圆孔，旋转喷射泡沫液，实现泡沫带有一定初速度的均匀喷撒到喷射 器上；喷射器的喷射孔环形排列，从下至上孔径增大，孔隙减小，实 现泡沫在所述可视化容器内的均匀分布，抑制因重力产生的喷射器不 同高度位置流量分布不均现象，防止因可视化容器内泡沫分布不均， 导致消泡速度差异大。

图6为本发明螺旋加热装置示意图，螺旋加热装置缠绕布置 在恒温箱内侧，螺旋上升倾角为15-20°，距离可视化容器有5-10 cm，加热温度控制范围为50-200℃，精度±1％，螺旋管表面有 若干凹槽，呈米粒状，为高导热材料，通过对加热装置米粒状凹槽 以及螺旋缠绕的设计，增加了加热面的表面积，从而实现环境温度 快速上升至所需温度，并为保持恒温提供热源，螺旋加热装置内部 沿装置本身结构布置加热装置，实现热量均匀分布，凹槽形状呈抛 物线，设单个凹槽深度为2h，长为h，根据长度积分，单个凹槽的 加热长度为4.2h，而直线加热长度仅为h，本实施例采取这种螺旋 式米粒凹槽加热装置至少将效率提升了4.2倍。

图7为本发明泡沫粘度与消泡测试装置结构图，泡沫粘度与 消泡测试装置由伸缩管、热电偶、压力感受板和转子粘度测试装置组 成；伸缩管由4个直径不同的圆管组成，相邻两个圆管的直径之比为 0.90-0.95，伸缩长度约为原长度的3-4倍，压力感受板和热电偶附 着于伸缩杆前后两侧，压力感受板与伸缩杆长度一致，热电偶均匀分 布在伸缩杆轴向上，压力感受板确定泡沫初始高度，及泡沫高度随时 间的变化，实现对发泡倍数和泡沫稳定性的量化测评，热电偶测量所 述可视化容器内不同高度位置温度，伸缩管左右两侧对称布置两个滑 槽，转子粘度测试装置可沿滑槽上下滑动，也可以左右伸缩，测量不 同位置的泡沫液粘度，测试三个位置泡沫液粘度，计算平均值作为泡 沫液在该温度下的粘度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员，可以根据上述说明加 以修改、替换、改进，所有这些修改、替换、改进都应涵盖在本申请 的保护范围之内。

Claims (10)

1.阻燃泡沫特征参数综合测评装备，其特征在于，包括：泡沫制备器、泡沫喷射体、可视化容器、恒温箱、螺旋加热装置、磁化搅拌器、泡沫粘度与消泡测试装置、光电式超声波测液仪、高速摄影仪、360°旋转热像仪、无线通信模块、阀门、负压泵、数据处理装置、电子计算机；

可视化容器内上部设置有泡沫喷射体，泡沫喷射体通过管道与可视化容器外部的泡沫制备器连接，泡沫制备器用于添加泡沫稳定材料、发泡剂制造泡沫，可视化容器中部设置有泡沫粘度与消泡测试装置，恒温箱内底部设置有磁化搅拌器，可视化容器与磁化搅拌器之间设置有光电式超声波测液仪，可视化容器底部一侧设置排液阀门，排液阀门通过管道与外部负压泵连接，可视化容器外部设置有恒温箱，恒温箱内部设置有螺旋加热装置，恒温箱外部设置有高速摄影仪与360°旋转热像仪，数据处理装置与泡沫粘度与消泡测试装置、光电式超声波测液仪、高速摄影仪和360°旋转热像仪连接，并与电子计算机连接。

2.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述泡沫制备器包括稳定材料、发泡剂注入通道和阻燃泡沫合成容器，可实现灵活调整发泡成分；合成的阻燃泡沫包括钙化泡沫、高分子泡沫、纳米泡沫、三相泡沫和凝胶泡沫等。

3.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述泡沫喷射体包括旋转式喷头及喷射器；旋转式喷头表面均匀分布圆孔，旋转喷射泡沫液到喷射器内；喷射器的喷射孔环形排列，从下至上孔径增大，孔隙减小，可实现可视化容器内泡沫均匀分布。

4.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述可视化容器为透明防火玻璃制作，玻璃厚度为6mm，所述恒温箱为中空防火玻璃，单片玻璃厚度为4mm，玻璃间空气层为6mm；所述可视化容器和所述恒温箱为均为圆柱体结构，壳体高度与直径之比为3～5，长期耐高温700℃以上，瞬时可达1000℃。

5.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述螺旋加热装置缠绕在所述恒温箱内侧,螺旋上升倾角为15-20°，距离所述可视化容器5-10cm,螺旋管表面有若干金属高导热材料的凹槽，呈米粒状，可实现快速加热到所需温度，加热温度控制范围为50-200℃，精度±1％。

6.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述泡沫粘度与消泡测试装置包括伸缩管、热电偶、压力感受板和转子粘度测试装置，可测量泡沫液粘度、温度、实时高度及发泡倍数；伸缩管由4个直径不同的圆管组成，相邻两个圆管的直径之比为0.90-0.95，伸缩长度约为原长度的3-4倍，热电偶与压力感受板紧贴伸缩杆，分别位于伸缩杆的前后方向，伸缩杆左右方向安装有滑槽，转子粘度测试装置紧靠滑槽，可以沿滑槽上下移动，也可以左右伸缩。

7.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述光电式超声波测液仪设置在所述可视化容器外底部，由超声波发射与接收装置组成，可测量泡沫析液高度和析液速度。

8.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述高速摄影仪与所述360°旋转热像仪设置在所述恒温箱外侧的一个圆环支架上，可以在圆环上绕所述恒温箱旋转，观测多方位的泡沫液高度及消泡过程；竖直方向有一个可以升降的支杆，高速摄影仪与360°旋转热像仪可以沿支杆竖向同步位移。

9.根据权利要求1所述测评装备，其特征在于，所述数据处理装置与所述高速摄影仪、所述360°旋转热像仪通过数据线传输数据，与所述泡沫粘度与消泡测试装置、所述光电式超声波测液仪通过无线通信模块传输数据；所述数据处理装置将数据传输至所述电子计算机。

10.阻燃泡沫特征参数综合测评方法，利用上述阻燃泡沫特征参数综合测评装备进行，其特征在于，该测评方法包括以下步骤：

1)启动所述螺旋加热装置待所述可视化容器温度上升到所需温度，启动所述磁化搅拌器使均匀受热，向所述泡沫制备器添加稳定材料和发泡剂进行发泡，合成阻燃泡沫，通过所述泡沫喷射体将泡沫注入到所述可视化容器中，所述可视化容器在所述螺旋加热装置的作用下维持在固定温度；

2)泡沫均匀喷射后，启动所述泡沫检测装置，所述泡沫粘度与消泡测试装置记录所述可视化容器中不同温度不同位置的泡沫液粘度、温度、实时高度及发泡倍数，所述光电式超声波测液仪测量泡沫液高度随时间的变化，所述高速摄影仪采集泡沫在消泡过程的动态形态变化，所述360°旋转热像仪采集所述可视化容器内的温度分布图像；

3)所述泡沫粘度与消泡测试装置、光电式超声波测液仪、高速摄影仪和360°旋转热像仪通过所述数据采集装置将析液高度、泡沫液高度、泡沫液粘度、动态消泡过程和温度分布图像等数据信息传入所述电子计算机；所述电子计算机处理数据信息，并根据处理结果对泡沫综合性能进行测评，所述泡沫综合性能包括：泡沫在不同温度下的保水性、稳定性、粘性以及发泡性能，若泡沫材料析液速率慢则确定对应的泡沫材料的保水性能更优越，若泡沫材料消泡速率慢则确定对应的泡沫材料稳定性更优越，若泡沫材料粘度大则确定对应的泡沫材料润湿性能更优越，若泡沫材料初始高度较高则确定对应的泡沫发泡性能更优越。

4)测量完成后打开排液阀门，由所述外部负压泵将泡沫液排出，所述泡沫喷射体喷洒清水，通过角度的调节做到360°无死角清洗。

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