一种反相泡沫灭火材料的制备及性能研究

卞建峰，贺拥军，牟国栋

(1.陕西省消防总队，陕西 西安 710018；2.西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710054)

一种反相泡沫灭火材料的制备及性能研究

卞建峰1，贺拥军2，牟国栋3

(1.陕西省消防总队，陕西 西安 710018；2.西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710054)

制备出一种反相泡沫灭火材料，测试了其流动性、稳定性和灭火性能，探讨了灭火机理。结果表明：反相泡沫灭火材料具有固包水型结构，在71 ℃环境中20天和-18 ℃环境中30天粒径和流动性没有变化，扑灭50 cm油盘火和小型木垛火的用量与超细干粉相当。反相泡沫灭火材料能够同时发挥水的冷却、窒息作用，以及干粉的化学抑制作用，具有一定的应用前景。

反相泡沫；灭火；机理

近年来，随着我国经济社会的高速发展以及城市化水平的提高，火灾造成的生命财产损失不断上升，急需高效、清洁、绿色的灭火材料[1]。2010年，我国依据《蒙特利尔议定书》全面停止卤代烷类灭火剂(哈龙)的生产和使用，面临着研究开发哈龙替代产品的迫切任务。目前，国内外哈龙替代物主要包括惰性气体、二氧化碳、超细干粉、细水雾以及热气溶胶等。

惰性气体灭火剂主要通过窒息、降温等物理作用进行灭火[2-3]。惰性气体来源于大自然，灭火过程洁净，喷放后不会引起防护区内温度急剧下降，对精密设备和其它珍贵财物无伤害，但惰性气体灭火剂尚存在灭火浓度高和装备庞大等缺点[2]。二氧化碳的灭火机理主要是稀释和窒息作用，同时还有一定的冷却效果，有全淹没和局部应用两种形式。二氧化碳易于制造、来源广泛、价格低廉，但二氧化碳灭火剂用量大，灭火浓度高，还存在一定的毒性危害[4]；同时，二氧化碳虽然不破坏臭氧层，但会产生温室效应。超细干粉灭火剂的粒径小、流动性好，有较好的弥散性和电绝缘性，其灭火机理是以化学灭火为主，通过化学、物理双重机能扑灭火焰，既能应用于相对封闭空间的全淹没灭火，也可用于开放场所的局部保护灭火[5-6]。细水雾是通过高压或气流使流过特殊喷嘴的水形成极细水滴，既能以局部应用形式使用，也能以全淹没形式应用[7]。但细水雾的灭火能力受空间、喷射角度、喷射动能、环境通风、火灾热烟气等诸多因素的影响[8]，必须根据应用场所的特点进行具体设计才能保证灭火效果。热气溶胶灭火剂是近年来发展起来的一种新型灭火剂，由氧化剂、还原剂、燃速调节剂、黏合剂等组成。热气溶胶灭火剂具有灭火效能高、不破坏臭氧层、无毒、固体储存、安装维护简单等优点[9]，但由于气溶胶中的微粒对光的吸收和散射作用，可使现场的能见度降低，不能用于人员密集的场所[10]。同时，气溶胶中悬浮的固体微粒经过一段时间之后会发生沉降，因此在一些有超净要求的场所也不能使用[11]。

综上所述，现有各种灭火材料各具优点，但也各自存在一定不足之处。因此，为应对我国严峻的火灾形势，开发灭火性能良好、环境友好和具有成本竞争优势的新型灭火材料仍是一个重要的课题。

本文对一种反相泡沫灭火材料进行研究，该材料是以固体材料为壁材，以磷酸二氢铵、碳酸氢钠、碳酸铵等具有灭火性能盐类的水溶液为芯材的核壳材料，并对材料的灭火性能进行了测试。

1 反相泡沫灭火材料的制备

将15 g磷酸二氢铵、3 g氯化钠加入100 mL水中，搅拌得到澄清溶液。给此溶液中加入0.5 g十六烷基三甲基溴化铵、0.2 g十二烷基硫酸钠和其它助剂，在45 ℃条件下进行搅拌反应60 min，然后在反应混合物中加入氧化铝、碳酸钙和其它分散助剂，升温至55 ℃搅拌30 min，冷却至室温，制备出反相泡沫灭火材料。

2 反相泡沫灭火材料的性能

2.1 流动性

根据《表面活性剂 粉体和颗粒休止角的测定》(GB 11986-89)，测量反相泡沫材料的休止角和流出速度。反相泡沫材料的平均休止角为29.39°，流出速度为11.6 mL·s-1，具有较好的流动性。

2.2 稳定性

反相泡沫灭火材料具有固包水型结构，其含水量超过60%，但外观仍为粉末状，具有较好的流散性。图1为反相泡沫灭火材料照片，图2为其显微照片。

图1 反相泡沫灭火材料

图2 反相泡沫灭火材料的显微照片

将反相泡沫灭火材料放入20 mL试管中，用橡胶塞封口放入71 ℃烘箱中。一定时间后取出灭火材料，测定其粒径变化，结果表明灭火材料在71 ℃环境中20天粒径没有显著变化。用沙钟测试表明，灭火材料的流动性没有变化。

将反相泡沫灭火材料放入塑料袋中密封，置入-18 ℃的冰箱冷冻箱中。一定时间后取出，测定粒径变化，结果表明灭火材料在-18 ℃环境中30天粒径没有显著变化。用沙钟测试表明，灭火材料的流动性没有变化。

这证明反相泡沫灭火材料对环境温度变化具有一定的抵抗能力。这可能是因为随着环境温度变化，反相泡沫灭火材料的水核发生轻微膨胀或者收缩，其固体壳层也发生了相应形变，能够保持原有的结构。

2.3 灭火性能

2.3.1 灭B类火

用50 cm油盘测试反相泡沫灭火材料扑灭B类火性能。每次加水35 L，加汽油800 mL。给1 000 g扁球形固定式灭火器中加入灭火材料，充压至1.2 MPa。灭火器喷口距油面1.5 m，用小药包启动灭火器。拍摄视频记录灭火过程和灭火时间。若油盘火扑灭，则减少灭火材料的装入量，测出扑灭油盘火的最小灭火剂用量。用上述同样方法进行某品牌超细干粉的灭火性能测试。

当反相泡沫灭火材料的用量为150 g、130 g、110 g、100 g时，均能扑灭油盘火。而当灭火材料用量为90 g时，扑灭油盘火的概率为50%，因而可以确定反相泡沫灭火材料扑灭50 cm油盘火的最小用量为100 g。这与某品牌超细干粉的用量相当。灭火过程如图3所示。

2.3.2 灭A类火

用3 cm×3 cm×40 cm松木棒钉成小型木垛。

图3 反相泡沫材料扑灭油盘火过程

木垛每层有4个松木棒，共8层。用盛有300 mL汽油和500 mL水、边长20 cm的油盘引燃木垛2 min，然后让木垛自燃2 min。用手提式灭火器灭火，火焰扑灭后15 min不复燃为灭火成功。用上述同样方法进行某品牌超细干粉的灭火性能测试。

当反相泡沫灭火材料的用量为800 g、750 g、700 g、650 g时，均能扑灭木垛火。而当用量为600 g时，扑灭木垛火的概率小于50%，因而可以确定反相泡沫灭火材料扑灭该木垛火的最小用量为650 g，也接近某品牌超细干粉的用量。灭火过程如图4所示。

2.3.3 灭火机理

反相泡沫灭火材料是一种外层为固体、内层为水溶液的核壳材料。当反相泡沫灭火材料与火焰接触时，其壳层受热破裂，核层的水溶液迅速蒸发，水溶液中的磷酸二氢铵等盐类析出形成细小晶粒。水蒸发对火焰具有冷却和窒息作用，而磷酸二氢铵等盐类小晶粒对火焰具有化学抑制作用。因此，反相泡沫灭火材料扑灭火焰结合了干粉的化学作用和水的物理作用。

与干粉灭火剂相比，反相泡沫灭火材料除了具有化学灭火作用外，冷却作用更强。与水相比，反相泡沫灭火材料把水束缚在固体壳体内，有效限制了水的自由流动，具有一定的堆积性，扩大了应用范围，降低灭火时水造成的二次灾害。反相泡沫灭火材料同时具有干粉灭火剂和水灭火的优点，而在一定程度上克服了两者的缺点。

图4 反相泡沫材料扑灭木垛火过程

3 结束语

反相泡沫灭火材料为一种固包水的核壳结构，同时具有水的冷却、窒息作用，以及干粉的化学抑制作用；反相泡沫灭火材料的灭火性能与超细干粉相当。反相泡沫灭火材料具有一定的应用前景，但其灭火机理的细节还需要深入研究。

[1] 2008-2013年全国火灾情况分析[EB/OL].http://www.119.gov.cn/xiaofang/nbnj/20476.htm.

[2] 刘海生,张鑫磊,宋丽霞.基于统计数据的全国火灾形势综合评价与预测[J].中国安全科学学报,2011,21(6):73-77.

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(责任编辑 陈 华)

A Study on the Preparation and Performance of a Reversed-phase Foam Fire Suppressant

BIAN Jian-feng1, HE Yong-jun2, MOU Guo-dong3

(1.FireCropsofShanxiProvince,Xi’an710018,China; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,ShanxiProvince710054,China; 3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,ShanxiProvince710054,China)

A reversed-phase foam fire suppressant was prepared. The fluidity, stability and fire extinguishing performance of the new fire suppressant were investigated, and the fire extinguishing mechanism was discussed. The results showed that the new fire suppressant had a water-in-solid structure. The particle size and fluidity of the new fire suppressant did not change at 71 ℃ for 20 days and at -18 ℃ for 30 days. The amount of the new fire suppressant for extinguishing a 50 cm oil pan fire was comparative to that of super fine powders. The new fire suppressant had the cooling effect of water as well as the chemical inhibition of dry powders, and had a promising application in the future.

reversed-phase foam; fire extinguishing; mechanism

2014-11-25

卞建峰(1962— )，男，陕西西安人，高级工程师； 贺拥军(1967— )，男，陕西西安人，教授； 牟国栋(1957— )，男，陕西西安人，教授。

TQ569

A

1008-2077(2015)04-0041-04