CN115970218A - 一种适用于高寒环境的干水粉体灭火材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高寒环境的干水粉体灭火材料及其制备方法，是通过多次冷却、多次搅拌的方法，以含无机盐和增稠剂的水构成含水内核、以疏水纳米粉末构成多层疏水性外壳。本发明的干水材料是在结冰液体外部形成多层疏水结构，从而保证制得的干水材料在高寒环境与常温中均能长时间保存，不结块且灭火性能不下降。
Description
技术领域
本发明属于公共安全领域，涉及一种耐高寒环境的干水粉体灭火材料及其制备方法。
背景技术
由于水的冷却效果好、环境友好、易获取，水基灭火介质能高效扑灭多类火灾，应用广泛。目前，为了在高寒环境中使水基灭火介质保持液体状态，往往需要为水基介质提供保温、加热等措施，导致灭火系统在使用和维护过程中存在能耗和成本较高、体积大、重量大等问题。大量发生在高原、冻土、极地等地点的火灾常常因水基灭火介质无法大规模使用而造成灾害扩大。
干水材料在1968年首次制成，是一种以疏水性粉体与水溶液在高速剪切力的作用下混合，形成的疏水性粉体包裹液体的核壳结构新型材料，外观呈粉末状，具有良好的流动性和分散性，在化妆品、催化剂、钻井液、水合物储气、灭火剂等方面有较大的潜在应用价值。若在高寒环境中，干水材料内部含水介质结冰的情况下，疏水外壳能紧密覆盖在干水颗粒外表面，则可令干水材料依然保持粉体状态，从而使水基灭火介质具备免保温、免加热的优点。
目前已获授权的相关专利存在以下问题：
2012年获授权的专利CN101309860B“干液体及其制备方法”公开了以疏水二氧化硅与水为材料，通过高速剪切作用制备干水材料的方法。但是此方法制备的材料中成分单一，灭火效果有待提升。并且此种材料保水性和耐压性较差，长期存放后效能下降明显。
2021年获授权的专利CN102058951B“一种灭火剂”公开了干水灭火剂的制备方法。此方法制备的干水中，溶液中主要添加了有助于灭火的盐类，用以提升干水材料的灭火效果。但是，按此专利所述方法制备的干水材料保水性、耐压、耐低温性能依然较差。主要原因是干水材料被长期储存时，水会缓慢蒸发，水分子会透过疏水外壳进入到储存器的气相中。气相中的水分子凝结后，会在存储器内形成液体，导致干水的壳结构内含水量降低、灭火效果变差。在高寒环境中，此种材料也会随着储存时间变长而发生结块的问题。
2022年获授权的专利CN112206457B“一种生物质凝胶基干水粉体灭火剂及其制备方法”提出向溶液中加入0.5-2wt％的胶凝剂，从而提升干水材料的保水性和耐压性。此专利所公开的制备方法虽然可大幅提升干水材料在常温中的稳定储存时间，但仍然无法避免高寒环境下干水材料结块。原因是水基溶液结冰后，其体积会随着温度下降而增大。当冰颗粒体积膨胀导致疏水外壳破裂时，相互临近的冰颗粒之间会发生结块现象。虽然溶液中的盐等溶质能在一定程度上降低溶液的凝固点，但在高寒环境下仍然无法避免水基介质凝固和结块。
2012年获授权的专利CN101905320B“一种提高水合物储气速率的铜粉干水及其制法和应用”公开了用于储气的干水材料制备方法。虽然说明书中提及此铜粉干水使用温度为-80～30℃、使用压力为0～100MPa，但是表2中的实验压力为6MPa、反应温度为273.15K、反应时间为1.5h。在此实验条件下，由于最低温度较高(273.15K)且反应时间短(1.5h)，不能明显地观察到干水材料在低温条件下的结构破坏。若此种制备方法制备的干水材料在高寒环境中保存数年，同样会发生因疏水外壳结构被破坏而结块的问题。
2012年获授权的专利CN101922609B“一种能快速可逆储气的凝胶干水及其制法和应用”公开了一种添加了凝胶成分的储气干水制备方法。说明书中提及所述凝胶干水是在0～100MPa、-80℃～40℃下使用，但是表2所示的实验压力为6MPa、反应温度为273.15K、反应时间为2h、循环次数为5。虽然添加凝胶成分后，此材料的保水和耐高温性能得到了提升。但此实验条件下，由于最低温度较高(273.15K)且反应时间短(2h)，不能明显地观察到干水材料在低温条件下的结构破坏。若此种制备方法制备的干水材料在高寒环境中保存数年，依然会发生因疏水外壳结构被破坏而结块的问题。虽然凝胶等增稠剂和盐类能改变水的结晶状态，一定程度上延缓高寒环境中干水颗粒的结构破坏过程，但是添加过量的增稠剂会降低干水在火焰中的蒸发速率，从而降低灭火效果。
综上所述，现有干水制备相关技术主要通过改变溶液成分和疏水颗粒成分来优化干水材料的耐压、保水、吸气、阻燃等特性，制备过程大多为单次高速搅拌固、液两相而获得干水材料。现有制备方式制得的材料在高寒环境中长期存放时容易因为含水介质膨胀而发生结构破坏，进而结块、失效。因此，本发明提出了一种适用于高寒环境的干水灭火材料及其制备方法，通过多次冷冻并高速搅拌的方法制备具有多层疏水外壳的干水材料，解决了现有干水材料在低温环境中长期保存易结块问题，从而为高寒地区提供了一种免加热、免保温的高效水基灭火介质，创新性和意义明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于高寒环境的干水灭火材料及其制备方法。经由本发明制得的耐高寒环境的干水粉体灭火剂，不仅可以在高寒环境长期储存，保持结构稳定，保水性强，而且本发明通过多层阻燃性疏水结构包覆有助于灭火的无机盐溶液，并添加增稠剂，改变了溶液结晶结构，制得的灭火粉体进入高寒环境火焰中，其阻燃性疏水结构可以有效中断链式反应，且无机盐溶液灭火性能不下降，能够高效灭火。
本发明为实现目的，采用如下技术方案：
本发明提供一种适用于高寒环境的干水粉体灭火材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按质量百分比称取如下原料组分并备用：第一疏水纳米粉末3-9wt％，第二疏水纳米粉末2-8wt％，无机盐0.1～2.5wt％，增稠剂0.1～1.5wt％，余量为水；
2)将水、无机盐和增稠剂混合慢速搅拌10-20min，直至混合液的粘度达到水的20-1000倍；
3)将混合液注入模具中进行冷冻，直至固体含水介质的温度达到冻室温度，冷冻温度低于应用环境中的最低温度(冷冻温度为-100℃至-10℃)；
4)将固体含水介质放入搅拌机中以15000-30000r/min的转速破碎10-60s；
5)重复步骤3)和步骤4)三至六个循环；
6)将破碎完成的固体含水介质与第一疏水纳米粉末加入搅拌机，以15000-20000r/min的转速搅拌10-30s，获得包含疏水性外壳和含水内核的核壳结构干水颗粒，其结构如图1所示。
7)按步骤3)的方法对步骤6)所得干水颗粒进行冷冻后，加入搅拌机中，并加入第二疏水纳米粉末，以500-5000r/min的转速搅拌30-120s，即获得包含双层疏水性外壳和含水内核的干水粉体灭火材料。如图2所示，将步骤6)所得核壳结构干水颗粒冷冻后，含水内核会发生膨胀，进而破坏外层疏水结构。将其与第二疏水纳米粉末再共同搅拌后，即可形成如图3所示的多层包裹结构。本发明通过多次冷却、多次搅拌可在结冰液体外部形成多层疏水结构，此材料在液体凝固点以下的温度条件下或者在环境温度在液体凝固点上下反复波动的条件下长期保存时，不出现干水结构破坏和结块的现象且灭火性能不下降。
进一步地，原料组分中所述无机盐为乙酸钾、硫酸钾、氯化钠和氢氧化亚铁中的一种或几种。溶液中盐类的作用是中断燃烧链式反应、调节溶液的冰点、改变溶液的结晶结构。
进一步地，原料组分中所述增稠剂为淀粉、果胶、琼脂、海藻酸、明胶、酪蛋白、聚丙烯酸钠、藻蛋白酸钠、藻蛋白酸丙二酯、羧甲基纤维素、阿拉伯树胶、厄瓜多尔胶和黄原胶中的一种或几种。增稠剂的添加可以改变水的结晶结构、防止水在存储过程中蒸发或渗透。
进一步地，原料组分中所述第一疏水纳米粉末和所述第二疏水纳米粉末各自独立的选自二氧化硅粒子、碳酸钙粒子、滑石粒子、氧化铝粒子、氢氧化铝粒子、硼酸锌粒子、氧化锌粒子、三氧化二铁粒子、二氧化钛粒子、蒙脱土粒子、水滑石粒子和粉煤灰粒子中的一种或几种。所选的颗粒是具有阻燃特性的疏水纳米材料，一方面可构成干水的疏水外壳，另一方面可中断燃烧链式反应。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明公开的一种适用于高寒环境的干水材料由于比表面积大、比热容大，具有快速吸热冷却的性能。并且，溶液中的无机盐和疏水外壳的成分可中断燃烧链式反应。因此，此材料具有优良的灭火性能。
(2)本发明添加的增稠剂可以大幅减缓水在存储过程中蒸发、渗透，使干水材料在常温下长时间储存时能保证含水量稳定、灭火性能不下降。
(3)本发明制备工艺中，溶液中的增稠剂和无机盐可改变水的结晶结构和冰点，从而控制高寒环境下干水内部含水内核的体积膨胀速度及形态变化，进而为多层疏水外壳的形成并保持完整性提供条件。组分的添加结合制备过程中的多次冷却、多次搅拌，使得本发明的干水材料是在结冰液体外部形成多层疏水结构，从而保证制得的干水材料在高寒环境与常温中均能长时间保存，不结块且灭火性能不下降。
(4)干水灭火介质的疏水外壳结构可令含水介质中的添加成分与储存罐及输送管道隔绝，从而避免溶质对金属管道或储存罐的腐蚀。
(5)由于干水颗粒小、流动性强，通过较低的驱动压力和简单的塑形喷头就能以充足的动量和流量作用于燃烧区域，使得喷射系统的制造和维护的成本和难度显著降低。
(6)此材料水渍损失极小且弥漫性好，可用于扑灭狭窄空间中书籍、电器设备、仓库等区域的火灾。
(7)在高原、冻土、极地等地点，高寒或冷热交替的环境情况使得水基灭火介质难以便捷、低成本地发挥高效灭火作用。大量发生在高寒地区的火灾常常因水基灭火介质无法大规模使用而造成灾害扩大，本发明将为此条件下的火灾防治提供重要技术支撑。
附图说明
图1为第一次搅拌制成的干水颗粒示意图，图中：1为疏水外壳，2为含水内核。
图2为冷冻后局部外壳破裂干水颗粒示意图，图中：3为冷冻后破裂的疏水外壳，4为冷冻后膨胀的含水内核。
图3为第二次搅拌制成的干水颗粒示意图，图中：5为第二次搅拌制成的疏水外壳。
具体实施方式
为进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的适用于高寒环境的干水材料进行描述。所描述的实施例不能限定为本发明的保护范围，本发明的实施方式不仅限于此。
本发明制得的适用于高寒环境的干水材料粒径为10-200微米，该干水材料为微细固体粉末，可用于一般干粉灭火剂的替代，使得灭火器可以在高寒环境长期保存并具有高效的灭火性能。
本发明制得的干水粉体灭火材料可用于喷粉灭火器，结构不限。一般手提式喷粉灭火器由筒体、瓶头阀、喷射软管等组成。干水材料充填至灭火器筒体储粉腔体内，加压气体(一般为二氧化碳或氮气)通入筒体储气腔体内，将喷射软管对准火焰，打开瓶头阀，驱动气体将干水材料喷射向火焰。
本发明制得的干水粉体灭火材料还可用于固定式喷粉系统，结构不限，可利用压缩氮气驱动干水材料通过固定式喷头喷射，适用狭窄遮挡空间灭火。一般固定式喷粉系统包括储粉罐、储气罐、多组喷头、管路等。干水材料置于储粉罐，加压气体(氮气)通入储气罐，打开阀门，驱动气体将干水材料经由多组喷头喷射到狭窄遮挡空间。干水材料为微细固体粉末，由喷头喷射，可以弥漫在空间中，可以作用到狭窄被遮挡空间，多组喷头联动可以覆盖整个电机机柜。
实施例1
1)按质量百分比称取如下原料组分并备用：疏水纳米二氧化硅5wt％，疏水纳米粉煤灰3wt％，氯化钠0.5wt％，明胶0.2wt％，琼脂0.3％，余量为水。
2)将水、氯化钠、明胶和琼脂混合慢速搅拌10min，直至混合液的粘度达到水的100倍。
3)将混合液注入模具中进行冷冻，直至固体含水介质的温度达到-50℃。
4)将固体含水介质放入搅拌机中以20000r/min的转速破碎30s。
5)重复步骤3)和步骤4)三个循环。
6)将破碎完成的固体含水介质与疏水纳米二氧化硅加入搅拌机，以15000r/min的转速搅拌30s，获得包含疏水性外壳和含水内核的核壳结构干水颗粒。
7)按步骤3)的方法对步骤6)所得干水颗粒进行冷冻后，加入搅拌机中，并加入疏水纳米粉煤灰，以1000r/min的转速搅拌60s，即获得包含双层疏水性外壳和含水内核的干水粉体灭火材料。
本实施例制成的干水材料在-35℃～25℃的密闭储存罐中保存1年，不发生结块、液体渗出的现象。在上述条件下保存1年后的干水材料，灭火时间不超过新制备干水材料的150％。在同等喷射强度条件下，所制备的材料的灭火效果优于纯水细水雾。
实施例2
1)按质量百分比称取如下原料组分并备用：疏水纳米二氧化硅5wt％，疏水纳米氧化铝4wt％，氯化钠0.2wt％，硫酸钾0.3wt％，聚丙烯酸钠0.2wt％，阿拉伯树胶0.3％，余量为水。
2)将水、氯化钠、硫酸钾、聚丙烯酸钠和阿拉伯树胶混合慢速搅拌15min，直至混合液的粘度达到水的100倍。
3)将混合液注入模具中进行冷冻，直至固体含水介质的温度达到-90℃。
4)将固体含水介质放入搅拌机中以20000r/min的转速破碎30s。
5)重复步骤3)和步骤4)三个循环。
6)将破碎完成的固体含水介质与疏水纳米二氧化硅加入搅拌机，以20000r/min的转速搅拌30s，获得包含疏水性外壳和含水内核的核壳结构干水颗粒。
7)按步骤3)的方法对步骤6)所得干水颗粒进行冷冻后，加入搅拌机中，并加入疏水纳米氧化铝，以1000r/min的转速搅拌40s，即获得包含双层疏水性外壳和含水内核的干水粉体灭火材料。
本实施例制成的干水材料在-95℃～25℃的密闭储存罐中保存1年，不发生结块、液体渗出的现象。在上述条件下保存1年后的干水材料，灭火时间不超过新制备干水材料的150％。在同等喷射强度条件下，所制备的材料的灭火效果优于纯水细水雾。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于高寒环境的干水粉体灭火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按质量百分比称取如下原料组分并备用：第一疏水纳米粉末3-9wt％，第二疏水纳米粉末2-8wt％，无机盐0.1～2.5wt％，增稠剂0.1～1.5wt％，余量为水；
2)将水、无机盐和增稠剂混合慢速搅拌10-20min，直至混合液的粘度达到水的20-1000倍；
3)将混合液注入模具中进行冷冻，直至固体含水介质的温度达到冻室温度，冷冻温度低于应用环境中的最低温度；
4)将固体含水介质放入搅拌机中以15000-30000r/min的转速破碎10-60s；
5)重复步骤3)和步骤4)三至六个循环；
6)将破碎完成的固体含水介质与第一疏水纳米粉末加入搅拌机，以15000-20000r/min的转速搅拌10-30s，获得包含疏水性外壳和含水内核的核壳结构干水颗粒；
7)按步骤3)的方法对步骤6)所得干水颗粒进行冷冻后，加入搅拌机中，并加入第二疏水纳米粉末，以500-5000r/min的转速搅拌30-120s，即获得包含双层疏水性外壳和含水内核的干水粉体灭火材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：原料组分中所述无机盐为乙酸钾、硫酸钾、氯化钠和氢氧化亚铁中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：原料组分中所述增稠剂为淀粉、果胶、琼脂、海藻酸、明胶、酪蛋白、聚丙烯酸钠、藻蛋白酸钠、藻蛋白酸丙二酯、羧甲基纤维素、阿拉伯树胶、厄瓜多尔胶和黄原胶中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：原料组分中所述第一疏水纳米粉末和所述第二疏水纳米粉末各自独立的选自二氧化硅粒子、碳酸钙粒子、滑石粒子、氧化铝粒子、氢氧化铝粒子、硼酸锌粒子、氧化锌粒子、三氧化二铁粒子、二氧化钛粒子、蒙脱土粒子、水滑石粒子和粉煤灰粒子中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述冷冻温度为-100℃至-10℃。
6.一种权利要求1～5中任意一项所述制备方法所制得的干水粉体灭火材料。
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