PAM-SAP新型水系灭火剂的制备及灭火性能研究*

郭星宇，李舒雅，杨萍

(广东石油化工学院 化学工程学院，广东 茂名 525000)

火灾不仅给国家财产造成损失，而且严重威胁人的生命安全。如果要进行长期有效的防火控制，保护公民的生命与财产安全，那么研制出更智能、更高效的新型灭火剂很有必要。

高吸水性树脂不仅在医疗卫生、环境治理等领域有广泛的应用，近年来也作为一种新型的灭火材料而大量使用于灭火领域。王建[1]等以高吸水性树脂和聚丙烯酰胺为原料，制备了PAM-SA新型高分子水凝胶灭火剂，研究证明使用该灭火剂，可节约用水量达41.30%，且可大幅减少灭火所需时间。Takahashi[2]等研究发现水胶体灭火剂相较于纯水来说，对于塑料类火灾有显著的灭火效果，灭火所用剂量可以减少30%～50%。王玉国[3]等研究了如何用高分子水凝胶灭火剂来抑制煤矿自燃，发现水凝胶灭火剂不但可以大幅降低煤层的温度、堵住漏风通道，同时还有较强阻化作用，可以抑制大量水煤气的产生，安全系数较高。

本文以PAM和不同粒径SAP为原料，制备了新型的高分子凝胶水系灭火剂，探讨了不同粒径对灭火剂黏度、吸水倍率、保水率以及灭火性能的影响，同时检测了pH对所制备的灭火剂吸水倍率的影响。

1 SAP的吸水机理

高吸水性树脂是分子中含有极性基团并具有三维交联网络结构的功能高分子材料，分子中含有亲水基团和疏水基团，它的吸水既有物理吸附，又有化学吸附。当树脂在水中时，水分子可以通过氢键与高吸水性树脂中的亲水基团作用，离子型的亲水基团遇水开始解离，阴离子固定于高分子链上，阳离子可移动。随着亲水基团的解离，使得树脂网络扩张；同时为了维持电中性，阳离子不能向外部溶剂扩散，导致可移动阳离子在树脂网络内的浓度增大，网络内外的渗透压随之增加，水分子进一步渗入。随着吸水量的增大，网络内外的离子浓度相同。同时随着网络扩张达到吸水平衡[4-6]。

Flory考虑聚合物中固定离子对吸水能力的贡献，从聚合物凝胶内外离子浓度差产生的渗透压出发，导出了高吸水性树脂溶胀平衡时的最大吸水性公式：Q5/3≈[i/(2·VuS1/2)2+(1/2-X1)/V1]/(Ve/V0)。

式中：Q为吸水倍率；Ve/V0为交联密度；(1/2-X1)/V1为对水的亲和力；i/Vu为固定在树脂上的电荷密度；S为外部溶液中电解质的离子强度。

式中分子第一项表示渗透压，第二项表示对水的亲和力，这两项是增加吸水能力的部分。根据橡胶的弹性理论，分母的交联密度降低，吸水倍率就提高。因此，对于离子性树脂，i/Vu较大，则吸水倍率Q大；对于非离子性树脂，没有第一项，所以吸水倍率Q较小，吸水能力比离子性树脂的差。因此，高吸水性树脂必须具备以下条件：含有大量亲水基团；具有适当的交联度和适当的三维网络结构。水分子的运动将受到来自高吸水性树脂三维网络结构的限制，因此其具备超强的保水性能，即使在加压的条件下也不易失水。

吸水能力是衡量高分子吸水性树脂性能好坏的基础。国内外已经有研究显示不同粒径高吸水树脂之间吸水性能差异显著[7-9]，但关于高分子吸水性树脂的粒径对由其制备的灭火剂的灭火性能影响的相关研究较少。

2 实验

2.1 实验试剂

实验所需的化学药品：SAP(30～60目，200G)，SAP(60～100目，200G)，SAP(120～180目，200G)，SAP(200～400目，200G)，均为AR级，宜兴市某化工有限公司；PAM 250 G，(AR级，福晨(天津)化学试剂有限公司)；工业酒精(≥98%，2500 mL，新泰市百信胜消毒剂制品有限公司)。

2.2 实验设备

仪器及设备：电子天平(JJ224BC型，常熟市双杰测试仪器厂)；恒温磁力搅拌器(JCGM-15-39 HL202S，山东鄄城华鲁电热仪器有限公司)；便携式黏度计(LND-1型，浙江力辰仪器科技有限公司)。

2.3 不同类型灭火剂的制备

用电子天平分别称取10 g聚丙烯酰胺与6，12，18 g不同目数的SAP，混合后装入100 mL的烧杯中。用磁力搅拌器搅拌20 min，得到PAM-SAP水系灭火剂样品，将样品装袋。m(PAM)∶m(SAP)分别为1∶0.6，1∶1.2和1∶1.8。所得样品见表1。

表1 各类型灭火剂的配比

2.4 吸水性能测试

用自然过滤法测定水凝胶灭火剂的吸水性能，步骤如下：(1)用电子天平依次称量样品编号1～12的水凝胶灭火剂样品0.5 g；(2)取12个烧杯并编号，将称量好的样品放入对应编号的烧杯中；(3)缓慢向烧杯中加入去离子水，直到样品呈现饱和状态；(4)使用滤纸滤去多余水分；(5)称量吸水后饱和状态下的水凝胶灭火剂质量。

2.5 保水性能测试

实验步骤：(1)用电子天平依次称量样品编号1～12的水凝胶灭火剂样品0.5 g；(2)向其中加入质量为M1的去离子水直至树脂呈饱和状态，随后在0，3，7，13 min时用筛板过滤；(3)称量筛板的质量，滤出水的质量M2为两者之差。保水性能可通过保水率公式计算：保水率Y=(M1-M2)/M1×100%。

2.6 抗酸碱性能测试

为检测pH对所制备的灭火剂吸水倍率的影响，将吸水后的灭火剂通过加酸或碱来调整去离子水的pH，再测其吸水倍率，由此可探究出灭火剂的抗酸碱性能。实验步骤：(1)加入盐酸或氢氧化钠调节溶液pH为1～12；(2)取出样品，加入不同pH的溶液测定其吸水倍率。

2.7 黏度性能测试

测定黏度的实验步骤：(1)使用电子天平依次称量样品编号1～12的水凝胶灭火剂样品1.5 g；(2)取12个烧杯并编号，将称量好的样品倒入其中，加入去离子水至100 mL刻度线，等待15 min至灭火剂进入饱和状态；(3)将试液混合均匀后，用小胶塞堵住下孔，将试液倒入；(4)将胶塞拔出的同时开始计时；(5)直至试液完全流出时停止计时，记录流出时间为t，单位为s；(6)通过ISO2431标准中4#杯运动黏度公式计算运动黏度：u=1.37t-200/t。式中：μ为运动黏度，mm2/s；t为时间，s。

2.8 灭火性能测试

灭B类火实验采用正对喷洒的实验方法，即装有灭火剂的小瓶正对着火的吸酒精纸巾，施加过程中粉末均匀撒在着火面，灭火剂喷口与着火面的垂直距离为15 cm，引燃带酒精的纸巾，使其自由燃烧30 s后再开始灭火，实验步骤：(1)准备不锈钢铁盆，将其洗净烘干，取两张纸巾对折三次，取15 mL酒精，使纸巾完全浸湿，放至盆底；(2)将配好的药品倒入灭火器，称量，计为W1；(3)点燃火源，预燃30 s后开始喷粉，喷完后立即加入水，并记录灭火用水；(4)称量灭火瓶与剩余灭火剂的质量记作W2，则实际消耗的粉末质量为W=W1-W2；(5)重复以上步骤，灭火剂消耗量取平均值。

3 结果与讨论

3.1 吸水性能测试结果

吸水性能测试结果见表2。由表2可以看出，粒径越大的高分子吸水性树脂吸水倍率反而小于同配比状态下粒径小的高分子吸水性树脂，其中，200～400目吸水倍率最高，30～60目吸水倍率最低，这是由于粒径大的高吸水性树脂在吸水膨胀过程中一方面外界的水分还未扩散到高吸水性树脂的内核，其内部三维网络结构还未完全扩展开，而另一方面，高吸水性树脂分子外表面已经转变为凝胶，分散到溶剂中变成了溶液。

表2 不同样品的吸水倍率

3.2 保水性能测试结果

保水性能测试结果见表3。由表3可以看出，粒径越大的高吸水性树脂保水性能越好，但总体来说，在3 min时保水率介于96.5%～97.9%，7 min时，保水率介于91.2%～92.7%，13 min时保水率为89.0%～91.2%。不同粒径的高分子吸水性树脂对灭火剂保水率影响不大。

表3 不同样品不同时间下的保水率

3.3 抗酸碱测试结果

表4为不同样品的吸水倍率随pH的变化，由表4可知，当pH的范围为1～12时，吸水倍率会先升高后降低，当pH=7的时候，吸水倍率最高为78.9，当pH介于5～9时，灭火剂的吸水倍率变化不大，可以满足灭火剂的基本需求。而当pH<5.0或pH>9.0时吸水倍率变化明显，推测灭火剂由于酸碱性过大而引起高吸水性树脂内部结构被破坏，从而导致吸水能力降低。

表4 不同样品的吸水倍率随pH的变化

3.4 黏度测试结果

表5为不同样品的运动黏度。由表5可知，粒径越大的高吸水性树脂黏度值越小，并且当聚丙烯酰胺比例越大的时候，黏度也会越大。与聚丙烯酰胺比例比较，粒径大小对灭火剂的黏度影响比较小。

表5 不同样品的运动黏度

3.5 灭火性能测试结果

表6给出了12种灭火剂灭B类火的实验数据，其中纯水所需要用水量最大，为20 mL，粒径为30～60目，m(PAM)∶m(SAP)为1∶1.2时灭火剂灭火性能最好，用水量仅为10 mL。由于纯水灭火剂为蒸馏水，其作用仅仅是蒸发为水蒸气，靠着蒸发吸热对火焰进行冷却作用，没有其他化学组分的抑制作用帮助灭火，所以需要大量纯水才可以达到灭火目的。添加了SAP和PAM组分的灭火剂，PAM-SAP由于其组分本身灭火作用再加上凝胶可以附着在火源表面，冷却自由基的同时可以形成隔离层，把火源与空气相互隔离，充分发挥其灭火效能，再加上其粒径较大，较其他同类型灭火剂来说，更易附着在火源表面，故其使用量最少。普遍来说，粒径对于灭火效率有较明显的影响，尤其是用水量方面，随着粒径逐渐减小，用水量呈上升趋势，推测可能是由于粒径较大的吸水树脂更易附着在火源表面来隔绝空气，从而达到灭火的效果。

表6 各组灭火剂灭B类火所需水量

4 结论

本文主要以不同粒径的高分子吸水性树脂对PAM-SAP新型水系灭火剂的影响进行了研究，得出以下结论：

(1)粒径会影响灭火剂的吸水性能，其中，吸水倍率最高的是12号样品。在相同配比条件下：粒径越小，吸水倍率越好。(2)粒径会影响灭火剂的保水性能，其中，3 min时保水性能最好的是5号样品，7 min时保水性能最好的是1号样品，13 min时保水性能最好的是9号样品，在相同配比条件下，粒径越小，保水性能越差。(3)粒径会影响灭火剂的黏度值，其中，黏度值最大的是4号样品，在相同的配比条件下，粒径越小，黏度值会越大。(4)在抗酸抗碱测试中，灭火剂在不同pH下的吸水倍率随着pH增大先增大后减小。当pH=7时吸水倍率最高，为78.9。而当pH在5～9时吸水倍率为50.3～78.9，满足基本的灭火需求。当pH<5或pH>9时吸水倍率过低，不能满足基本的灭火需求。(5)在灭火性能测试中，灭火性能最好的是5号样品，相较纯水灭火来说可以节约50%的水。在相同配置比例下，粒径越小，所需水量就越多。