一种水基气凝胶高效灭火剂及其制备方法与流程

本发明属于应急安防新材料领域，具体涉及一种水基气凝胶高效灭火剂，并进一步公开其制备方法。
背景技术：
：随着不断报道的触目惊心的火灾严重的威胁着人们的生命和财产安全，灭火剂的性能和作用更多的引起了人们的关注。灭火剂是指能够有效地破坏燃烧条件进而终止燃烧的物质，市场上传统的灭火产品所使用的灭火药剂主要包括水基型灭火剂、干粉灭火剂和洁净气体灭火剂。传统的灭火剂无论是基于何种剂型，通常从两个方面起到灭火的作用：其一是降温，比如用水使燃烧物温度降至燃点以下，泡沫析出的液体可对燃烧物表面进行冷却；其二是隔绝氧气，比如用泡沫或粉末，覆盖于燃烧物表面，使其隔绝空气(氧气)，采用二氧化碳的所谓“窒息”也属于这个原理。但是，传统灭火剂在使用过程中经常存在诸多缺陷，诸如：1、功能不兼容，传统灭火剂往往不能同时兼具“降温”和“隔绝”功能，因此需要根据不同的火源情况采用不同的灭火剂，增加了操作的复杂性；2、应用场景受限制，传统灭火剂在应用场景上有较大的限制，如泡沫灭火剂不宜扑救带电设备火灾、金属火灾和气体火灾，二氧化碳灭火剂不宜扑救化学品火灾、金属火灾和纤维物火灾，而水直接作用于油火、可燃粉尘则极易引起爆燃；3、效果不理想，传统灭火剂在火灾关键时刻往往显示出效能不足的缺陷；4、环保不达标，传统灭火剂还面临使用时易产生伤害和到期回收时易污染的环保压力，传统灭火剂也必须符合绿色环保的要求。因此，传统的灭火剂虽然还在市场上占据着产品销售主流并发挥着重要作用，但仍然需要面临换代升级的历史时刻，尤其是传统水系灭火剂不能兼顾一般火灾、油类火灾、食用油火灾和带电火灾的使用，以及灭火效率低下等使用缺陷，急需开发新一代的多用途高效灭火剂。技术实现要素：为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种水基气凝胶高效灭火剂，以解决现有技术中灭火对象适用范围窄、阻燃性能弱、灭火效率低的问题；本发明所要解决的第二个技术问题在于提供上述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法。为解决上述技术问题，本发明所述的一种水基气凝胶高效灭火剂，以所述灭火剂的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：具体的，所述无机气凝胶粉体包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、硅铝二元杂化、硅锆二元杂化等气凝胶粉体中的至少一种；优选的，所述无机气凝胶需要预先加工成粉末状，粉末颗粒的粒径10-100微米。具体的，所述模板剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基三甲基氯化铵中的至少一种。具体的，所述含磷阻燃剂包括磷酸二氢铵、三(2，3-二溴丙基)磷酸酯或硫代磷酸三异氰酸酯中的至少一种。具体的，所述含氮阻燃剂包括尿素、五硼酸铵(nh4b5o8·4h2o)、碳酸氢铵(nh4hco3)或氰尿酸三聚氰胺中的至少两种的混合物。具体的，所述亲水胶体稳定剂包括卡波姆、海藻酸盐或羧甲基纤维素中的至少一种。具体的，所述氢离子浓度缓冲剂包括磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、醋酸、醋酸钠、氨水、氯化铵中的至少两种的混合物。本发明还公开了一种制备所述水基气凝胶高效灭火剂的方法，包括如下步骤：(1)制备气凝胶溶胶：取选定量的气凝胶粉体于180-250℃下通入氮气进行表面改性热处理，并加入选定量的所述模板剂混匀并充分碾磨，随后加水充分搅拌，得到所需气凝胶溶胶，备用；(2)制备水性阻燃药剂：取选定量的所述含磷阻燃剂和含氮阻燃剂混合，并加水充分混匀，随后加入选定量的所述亲水胶体稳定剂混匀，得到所需水性阻燃药剂混合液，备用；(3)酸碱度调节：将得到的所述气凝胶溶胶和水性阻燃药剂混合液充分混匀，并加入所述氢离子浓度缓冲剂调节所得混合液的ph值至中性(6.5-7.5)；(4)熟化：将所得混合料液进行常温熟化处理，即得所需灭火剂。具体的，所述步骤(1)中：所述气凝胶粉体的表面改性热处理步骤的处理时间为至少3h；所述研磨步骤的处理时间为至少3h。具体的，所述步骤(4)中，所述熟化步骤的处理时间为8-9h。本发明所述水基气凝胶高效灭火剂，以无机气凝胶粉体、模板剂、含磷阻燃剂、含氮阻燃剂、亲水胶体稳定剂为原料，利用无机纳米多孔气凝胶的超低导热系数、超高吸附能力，将灭火剂的效率大幅提高；同时，含磷阻燃剂和含氮阻燃剂结合作为灭火药剂的相关功能成分，在水系阻燃剂中加入胶体稳定剂和离子缓冲剂，使得阻燃剂的均匀度和保质期增加，既具有高效的灭火功能，又具有良好的防火功能及阻燃功能，还具有较长的保质存储寿命，有效扩大了其灭火的种类、效率及适用范围。本发明所述水基气凝胶高效灭火剂，首次将无机纳米多孔气凝胶用于了灭火剂，所述无机纳米多孔气凝胶包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、硅铝二元杂化、硅锆二元杂化等气凝胶中的至少一种，且该气凝胶经预先加工成颗粒粒径10-100微米的粉末状形态后使用。气凝胶颗粒吸满灭火剂后，其丰富的孔洞导致其表面凹凸不平，表面积远大于同体积的液态颗粒(液滴)，因此其灭火剂的挥发速度也远大于同等条件下的液滴，通过灭火剂挥发带走热量的过程远快于纯粹的液体灭火剂，降温更加迅速，可直达火源中心。而且，吸满灭火剂的气凝胶颗粒在其表层灭火剂挥发完以后就形成一层气凝胶保温层，阻止了其中心部分灭火剂的过快挥发，使其可以穿过火焰直达火源中心，气凝胶颗粒吸附于燃烧物表面，其中心部分的灭火剂继续挥发降温，直接降低火源中心温度，有效克服了传统的纯粹液体灭火剂，在抵达火源中心时往往已经全部挥发掉了，在火势很大时，往往难以喷洒进火源中心的缺陷。另外，由于气凝胶颗粒不仅体积小、重量轻，而且表面积巨大，具有非常高的吸附(粘附)性，可以迅速吸附于燃烧物表面隔绝空气(氧气)，对于着火的油则可以迅速漂浮覆盖其表面隔绝空气(氧气)，从而起到快速灭火作用；气凝胶巨大的比表面积，还可以对各种有毒有害气体具有高效吸附作用，因此本药剂在喷洒灭火的同时即开始迅速吸附各种烟气，使浓黑的火灾烟气快速消失，有效保护生命。再者，气凝胶是当今国际上导热系数最低的材料，具有高效隔热作用，同时无机气凝胶也是极优异的防火阻燃材料，当其粘附覆盖于燃烧物表面后，不仅可以有效灭火，而且可以高效阻燃，防止复燃，对于森林、草场等大火，通过喷洒本灭火剂即可以迅速形成高效防火隔离带。综上，本发明水基气凝胶高效灭火剂有效解决了现有技术中灭火对象适用范围窄、阻燃性能弱、灭火效率低的问题，具有极高的应用价值。附图说明为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，图1为本发明所述水基气凝胶高效灭火剂的制备流程图。具体实施方式实施例1本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备气凝胶溶胶：首先对二氧化硅气凝胶粉体进行表面改性，在220℃通洁净氮气条件下进行热处理4小时；然后与选定量模板剂均匀混和并充分碾磨4小时；待碾磨混和均匀后加入适量去离子水搅拌2.5小时，所述去离子水用量不低于总量的25wt％，控制搅拌机的转速至120-150r/min，得到气凝胶溶胶，备用；(2)制备水性阻燃药剂：另取不低于总量15wt％的去离子水加入搅拌机中，然后加入选定量所述的含磷阻燃剂和含氮阻燃剂，调节搅拌机的转速至100-120r/min，搅拌1.5-1.8h，加入所述的亲水胶体稳定剂，继续搅拌1.0-1.2h，得到稳定的水性阻燃药剂混合液，备用；(3)酸碱度调节：将上述气凝胶溶胶和水性阻燃药剂混合液混合加入搅拌机中，调节搅拌机的转速至100-120r/min，常温下搅拌至少2h，搅拌时可补充添加去离子水至额定分数，充分搅拌得到均匀混合液；随后用所述氢离子浓度缓冲剂将所述的混合液ph值调节至中性(6.5-7.5)并维持；将调节并维持好ph值的所述混合液于常温熟化8-9h，即得所需灭火剂产品。实施例2本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备气凝胶溶胶：首先对二氧化硅气凝胶粉体进行表面改性，在250℃通洁净氮气条件下进行热处理3小时；然后与选定量模板剂均匀混和并充分碾磨4小时；待碾磨混和均匀后加入适量去离子水搅拌2.5小时，所述去离子水用量不低于总量的30wt％，控制搅拌机的转速至150-180r/min，得到气凝胶溶胶，备用；(2)制备水性阻燃药剂：另取不低于总量15wt％的去离子水加入搅拌机中，然后加入选定量所述的含磷阻燃剂和含氮阻燃剂，调节搅拌机的转速至100-120r/min，搅拌1.5-1.8h，加入所述的亲水胶体稳定剂，继续搅拌1.0-1.2h，得到稳定的水性阻燃药剂混合液，备用；(3)酸碱度调节：将上述气凝胶溶胶和水性阻燃药剂混合液混合加入搅拌机中，调节搅拌机的转速至120-150r/min，常温下搅拌至少2h，搅拌时可补充添加去离子水至额定分数，充分搅拌得到均匀混合液；随后用所述氢离子浓度缓冲剂将所述的混合液ph值调节至中性(6.5-7.5)并维持；将调节并维持好ph值的所述混合液于常温熟化8-9h，即得所需灭火剂产品。实施例3本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备气凝胶溶胶：首先对二氧化硅气凝胶粉体进行表面改性，在200℃通洁净氮气条件下进行热处理5小时；然后与选定量模板剂均匀混和并充分碾磨3小时；待碾磨混和均匀后加入适量去离子水搅拌2.5小时，所述去离子水用量不低于总量的25wt％，控制搅拌机的转速至120-150r/min，得到气凝胶溶胶，备用；(2)制备水性阻燃药剂：另取不低于总量15wt％的去离子水加入搅拌机中，然后加入选定量所述的含磷阻燃剂和含氮阻燃剂，调节搅拌机的转速至100-120r/min，搅拌1.5-1.8h，加入所述的亲水胶体稳定剂，继续搅拌1.0-1.2h，得到稳定的水性阻燃药剂混合液，备用；(3)酸碱度调节：将上述气凝胶溶胶和水性阻燃药剂混合液混合加入搅拌机中，调节搅拌机的转速至120-150r/min，常温下搅拌至少2h，搅拌时可补充添加去离子水至额定分数，充分搅拌得到均匀混合液；随后用所述氢离子浓度缓冲剂将所述的混合液ph值调节至中性(6.5-7.5)并维持；将调节并维持好ph值的所述混合液于常温熟化8-9h，即得所需灭火剂产品。实施例4本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备气凝胶溶胶：首先对二氧化硅气凝胶粉体进行表面改性，在220℃通洁净氮气条件下进行热处理3小时；然后与选定量模板剂均匀混和并充分碾磨3小时；待碾磨混和均匀后加入适量去离子水搅拌2小时，所述去离子水用量不低于总量的30wt％，控制搅拌机的转速至150-180r/min，得到气凝胶溶胶，备用；(2)制备水性阻燃药剂：另取不低于总量15wt％的去离子水加入搅拌机中，然后加入选定量所述的含磷阻燃剂和含氮阻燃剂，调节搅拌机的转速至100-120r/min，搅拌1.5-1.8h，加入所述的亲水胶体稳定剂，继续搅拌1.0-1.2h，得到稳定的水性阻燃药剂混合液，备用；(3)酸碱度调节：将上述气凝胶溶胶和水性阻燃药剂混合液混合加入搅拌机中，调节搅拌机的转速至150-180r/min，常温下搅拌至少4h，搅拌时可补充添加去离子水至额定分数，充分搅拌得到均匀混合液；随后用所述氢离子浓度缓冲剂将所述的混合液ph值调节至中性(6.5-7.5)并维持；将调节并维持好ph值的所述混合液于常温熟化8-9h，即得所需灭火剂产品。实施例5本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备气凝胶溶胶：首先对二氧化硅气凝胶粉体进行表面改性，在250℃通洁净氮气条件下进行热处理3小时；然后与选定量模板剂均匀混和并充分碾磨3小时；待碾磨混和均匀后加入适量去离子水搅拌2小时，所述去离子水用量不低于总量的25wt％，控制搅拌机的转速至150-180r/min，得到气凝胶溶胶，备用；(2)制备水性阻燃药剂：另取不低于总量15wt％的去离子水加入搅拌机中，然后加入选定量所述的含磷阻燃剂和含氮阻燃剂，调节搅拌机的转速至100-120r/min，搅拌1.5-1.8h，加入所述的亲水胶体稳定剂，继续搅拌1.0-1.2h，得到稳定的水性阻燃药剂混合液，备用；(3)酸碱度调节：将上述气凝胶溶胶和水性阻燃药剂混合液混合加入搅拌机中，调节搅拌机的转速至150-180r/min，常温下搅拌至少4h，搅拌时可补充添加去离子水至额定分数，充分搅拌得到均匀混合液；随后用所述氢离子浓度缓冲剂将所述的混合液ph值调节至中性(6.5-7.5)并维持；将调节并维持好ph值的所述混合液于常温熟化8-9h，即得所需灭火剂产品。实施例6本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备气凝胶溶胶：首先对二氧化硅气凝胶粉体进行表面改性，在250℃通洁净氮气条件下进行热处理3小时；然后与选定量模板剂均匀混和并充分碾磨3小时；待碾磨混和均匀后加入适量去离子水搅拌3小时，所述去离子水用量不低于总量的25wt％，控制搅拌机的转速至150-180r/min，得到气凝胶溶胶，备用；(2)制备水性阻燃药剂：另取不低于总量15wt％的去离子水加入搅拌机中，然后加入选定量所述的含磷阻燃剂和含氮阻燃剂，调节搅拌机的转速至100-120r/min，搅拌1.5-1.8h，加入所述的亲水胶体稳定剂，继续搅拌1.0-1.2h，得到稳定的水性阻燃药剂混合液，备用；(3)酸碱度调节：将上述气凝胶溶胶和水性阻燃药剂混合液混合加入搅拌机中，调节搅拌机的转速至150-180r/min，常温下搅拌至少4h，搅拌时可补充添加去离子水至额定分数，充分搅拌得到均匀混合液；随后用所述氢离子浓度缓冲剂将所述的混合液ph值调节至中性(6.5-7.5)并维持；将调节并维持好ph值的所述混合液于常温熟化8-9h，即得所需灭火剂产品。实施例7本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法同实施例1。实施例8本实施例水基气凝胶高效灭火剂，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：如图1所示的制备流程图，本实施例所述水基气凝胶高效灭火剂的制备方法同实施例1。对比例1-本对比例所述灭火剂的方案同实施例1，其区别仅在于，直接使用二氧化硅气凝胶粉体，但不进行表面改性处理，其余条件同实施例1。实验例消防灭火性能测试按照席雨沁公开发表论文(纳米sio2增黏改性后水雾灭火剂的流动特征及效应，《化工进展》2009年28卷增刊，119-202页)的测试条件，使用实施例1和对比例1的消防灭火药剂进行测试。分别测定浸渍实施例1和对比例1所述消防灭火药剂的木条在与火焰直接接触时的引燃时间(取5次平均值)和在灭火剂流量0.027kg/s和木材引燃时间60s时的灭火时间。结果参见表1，作为对比，表1还给出了用水做同样试验的结果。表1灭火性能测试结果试验引燃时间(s)灭火时间(s)实施例137215比较例129622水95110从表1可以看出，与对比例1方案相比，本发明实施例1的消防灭火药剂不仅灭火效率更高，而且防止引燃效果更好，也就是其阻燃效果也更好；与纯粹的水相比，实施例1与对比例1均具有良好的灭火与阻燃效果。将实施例1-8制备得到的灭火药剂进行灭火性能实验，并与水进行对比。选取1m×1m×1cm的木板进行灭火实验，将板材表面铺放约1cm厚的稻草作为引燃物，点燃30s之后进行灭火，其中控制时间为燃烧时间，灭火时间为每种灭火药剂灭火所需要的时间，实验数据如下表2所示。表2灭火剂性能测试结果从表2的数据中可以看出，实施例1-8的灭火时间均小于10秒，比纯粹的水灭火时间快很多，说明本发明制备得到的灭火药剂效率很高。上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页1 2 3 

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