CN107376182A - 一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工产品及灭火剂领域，尤其涉及一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。本发明灭火剂是以植物浸提液、草木灰、石墨烯、阻燃剂和水为原料制备而成的；其中的植物浸提液是由玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮浸提得到的。经测试，本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂具有优异的阻燃灭火性能，能够适应多种不同环境的灭火需求，且本发明灭火剂以天然成分为原料，绿色环保，无污染物排放，使用过程中不会对大气、水质、土壤造成损害，有利于火场生态的恢复，也不会对人类、动物生存和农林牧渔业生产产生不利影响。

Description

一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂

技术领域

本发明涉及化工产品及灭火剂领域，尤其涉及一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。

背景技术

目前，国内外广泛应用的传统灭火剂，如：水、泡沫、干粉、二氧化碳、卤代烷等，在灭火过程中，都是利用自身的不燃性、吸热性、稀释性等性质，通过隔热隔氧、终止物质燃烧链式反应等作用达到灭火的目的。为了提高灭火性能，传统灭火剂会进一步加强吸热性、抗烧性、成膜性、扩散性等性质，但上述手段对灭火性能的提高程度往往很有限，当面对油库大火等长时间燃烧的状况，燃烧中心温度高达3000℃以上，燃烧液面温度大于400℃时，传统灭火剂都无能为力。

20世纪80年代初，研究人员开始了植物型复合阻燃灭火剂的研究，当时的研究目标单纯针对汽车油箱的阻燃灭火，然而初期的试验结果不够理想，直至80年代末，一种全新的植物型复合阻燃灭火剂，在我国率先研制成功并取得了发明专利，赵广生等在“植物液体复合阻燃剂”(CN88104118.1)中公开了一种由黄蒿、黑蒿、榆根皮、艾、卷心菜、蛇藤、矢车菊等植物和草木灰的水浸取液为主要阻燃成分，添加阴离子型、非离子型或两性离子型表面活性剂和三乙醇胺、氯化钙等助剂复配制成的液体复合阻燃剂，其阻燃熄火速度快、应用面广，特别适用于扑救可燃液体、油脂等引起的火灾。植物型复合阻燃灭火剂不同于传统灭火剂，是利用其组成成分的生物化学和物理化学性质，使燃烧物质的燃烧性质发生转变，使其从易燃性转变为难燃性或不燃性，从而达到灭火的目的，实践证明，其阻燃灭火效果较为理想。另外，与化学灭火剂相比，植物灭火剂不会对大气、水质、土壤等环境造成明显损害，有利于火场生态的恢复，也不会对人类、动物生存和农林牧渔业生产产生不利影响。

为了进一步提高植物型复合阻燃灭火剂的灭火性能，扩大其适用范围，我们在上述现有植物型灭火剂的基础上，对灭火剂配方成分进行了广泛的筛选和大量的对比试验。我们发现，向植物型灭火剂配方中加入一定量的石墨烯之后，其灭火性能得到了显著提升。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一层或多层原子厚度的准二维材料。石墨烯由于具有十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理、材料、电子信息、计算机、航空航天等领域得到了广泛应用。在灭火剂领域，也有研究人员尝试利用石墨烯制备灭火剂并取得了一定的进展，如发明专利申请“一种石墨烯超微材料灭火剂”(CN201610768182.6)公开了一种石墨烯灭火剂，是以水为载体，添加了经过改性的石墨烯、表面活性剂、抗冻剂、阻燃剂、增稠剂、防腐剂制成。

然而，由于石墨烯在灭火剂领域的应用尚处于探索阶段，另外，考虑到植物型复合阻燃灭火剂组成成分的特殊性和自身生产工艺的限制，目前，尚未见到将石墨烯用于生产植物型复合阻燃灭火剂的相关研究及报道，也没有类似的产品面世。

发明内容

本发明旨在提供一种以水和天然植物为主要原料，以石墨烯等物质为助剂制成的多功能、多用途植物复合型阻燃灭火剂，在发挥高效阻燃灭火作用的同时实现保护环境的目标。

本发明在广泛检索、筛选的基础上，经过反复的对比试验，研制出了一种效果显著、安全性好的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂配方。本配方以水、植物和草木灰为主要原料；还包括以下助剂：增效剂(石墨烯、椰壳粉)、阻燃剂(氢氧化铝、氢氧化镁、赤磷、多聚磷酸铵、硼酸锌、三氧化二锑等)。

本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂的阻燃灭火机理如下：

1.改变物质的燃烧性质

由于本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂组成成分中含有一定量的阻燃活性物质，这些物质自身具有很强的改变物质燃烧性质的能力，当这些物质与燃烧物质相体接触时，可迅速对燃烧物质相体产生强烈的亲和性相体渗透并同步迅速进行相体乳化，并在渗透、乳化的同时，将阻燃活性物质溶含在被乳化的相体中，由此改变了原物质的燃烧性质，使其由易燃、可燃物转化为难燃、不燃物质，达到从根本上改变物质燃烧性质的目的，从而迫使燃烧终止；

2.吸热降温

水是本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂的主要成份，水在蒸发气化时会吸收大量的热量，体积迅速膨胀，当水蒸气占据燃烧空间体积的30％以上或水蒸气降温至燃烧物质的燃点以下时，燃烧自行停止；

3.稀释阻燃

本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂不仅自身是阻燃性物质，而且极易溶于水，因此对于水溶性的易燃、可燃物质，它还能同时起到稀释、阻燃双重作用，当灭火剂供给强度使燃烧物质的可燃浓度或燃烧强度下降到维持燃烧极限值以下时，火焰可自行熄灭；

4.结膜封闭

由于本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂中所含的活性物质和结膜物质对温度敏感性很强，且易聚结成膜，并能在燃烧物质种类、燃烧温度以及物质界面张力变化的条件下，形成不同的结膜(如：泡膜、胶膜、焦膜、复合膜等)覆盖在燃烧物质表面上，起到隔氧隔热作用，从而封闭了可燃气化物，切断了燃烧热传递，最终迫使燃烧停止。

本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其特征在于它是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液26-30，草木灰10-12，石墨烯3.5-4.5，阻燃剂6-8，余量为水；

其中，所述植物浸提液是由下述重量份的原料制成的：

玉米须20-30，破布子8-10，山药15-20，榆树皮10-15，柚子皮10-15；

所述植物浸提液经过以下步骤制得：

将玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮混合、干燥、粉碎后加入10-12倍量水，浸泡2小时后蒸煮2小时，过滤，滤液备用，然后再向滤渣中加入10倍量水，超声提取1小时，过滤，合并滤液即得到植物浸提液。

优选地，上述各原料的重量份为：

植物浸提液26，草木灰10，石墨烯3.5，阻燃剂6，余量为水。

优选地，上述各原料的重量份为：

植物浸提液28，草木灰11，石墨烯4.0，阻燃剂7，余量为水。

优选地，上述各原料的重量份为：

植物浸提液30，草木灰12，石墨烯4.5，阻燃剂8，余量为水。

进一步地，制得所述石墨烯植物复合型阻燃灭火剂的原料还包括下述重量份的：椰壳粉3.0-3.5。

优选地，所述石墨烯植物复合型阻燃灭火剂是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液26，草木灰10，石墨烯3.5，阻燃剂6，椰壳粉3.0，余量为水。

还优选地，所述石墨烯植物复合型阻燃灭火剂是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液30，草木灰12，石墨烯4.5，阻燃剂8，椰壳粉3.5，余量为水。

进一步地，制得上述石墨烯植物复合型阻燃灭火剂的原料中的阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、赤磷、多聚磷酸铵、硼酸锌、三氧化二锑中的一种或几种的组合物。

进一步地，本发明还涉及上述石墨烯植物复合型阻燃灭火剂在制备下述灭火产品中的应用：软膏、凝胶、泡沫剂、干粉剂、溶液剂。

此外，本发明还提供了上述石墨烯植物复合型阻燃灭火剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)向干燥草木灰中加入15倍量水，浸泡1小时后，煎煮1小时，过滤，滤液备用，在相同条件下将滤渣重复提取1次，合并滤液得到草木灰浸提液；

(2)将植物浸提液与上述草木灰浸提液混合，然后加入石墨烯和阻燃剂，充分混匀后超声30分钟，过滤后所得滤液即为石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。

经测试，本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂具有优异的阻燃灭火性能，能够适应多种不同环境的灭火需求，且本发明灭火剂采用天然成分作为原料，绿色环保，无污染物排放，使用过程中不会对大气、水质、土壤造成损害，有利于火场生态的恢复，也不会对人类、动物生存和农林牧渔业生产产生不利影响。且本发明灭火剂组方简单、成本低廉、生产工艺简便易行，非常适合目前的市场需求。

附图说明

图1应用性井喷灭火实验中的井喷阻燃装置图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

实施例1

一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液26，草木灰10，石墨烯3.5，氢氧化铝6，余量为水。

制备方法如下：

(1)称取下述重量份的植物原料：

玉米须20，破布子8，山药15，榆树皮10，柚子皮10；

将玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮混合、干燥、粉碎后加入12倍量水，浸泡2小时后蒸煮2小时，过滤，滤液备用，然后再向滤渣中加入10倍量水，超声提取1小时，过滤，合并滤液即得到植物浸提液；

(2)向干燥草木灰中加入15倍量水，浸泡1小时后，煎煮1小时，过滤，滤液备用，在相同条件下将滤渣重复提取1次，合并滤液得到草木灰浸提液；

(3)将上述植物浸提液与草木灰浸提液混合，然后加入石墨烯和氢氧化铝，充分混匀后超声30分钟，过滤后所得滤液即为石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。

实施例2

一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液30，草木灰12，石墨烯4.5，氢氧化铝4，氢氧化镁4，余量为水。

制备方法如下：

(1)称取下述重量份的植物原料：

玉米须30，破布子10，山药20，榆树皮15，柚子皮15；

将玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮混合、干燥、粉碎后加入10倍量水，浸泡2小时后蒸煮2小时，过滤，滤液备用，然后再向滤渣中加入10倍量水，超声提取1小时，过滤，合并滤液即得到植物浸提液；

(2)向干燥草木灰中加入15倍量水，浸泡1小时后，煎煮1小时，过滤，滤液备用，在相同条件下将滤渣重复提取1次，合并滤液得到草木灰浸提液；

(3)将上述植物浸提液与草木灰浸提液混合，然后加入石墨烯、氢氧化铝和氢氧化镁，充分混匀后超声30分钟，过滤后所得滤液即为石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。

实施例3

一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液26，草木灰10，石墨烯3.5，氢氧化铝6，椰壳粉3.0，余量为水。

制备方法如下：

(1)称取下述重量份的植物原料：

玉米须20，破布子8，山药15，榆树皮10，柚子皮10；

将玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮混合、干燥、粉碎后加入12倍量水，浸泡2小时后蒸煮2小时，过滤，滤液备用，然后再向滤渣中加入10倍量水，超声提取1小时，过滤，合并滤液即得到植物浸提液；

(2)向干燥草木灰中加入15倍量水，浸泡1小时后，煎煮1小时，过滤，滤液备用，在相同条件下将滤渣重复提取1次，合并滤液得到草木灰浸提液；

(3)将上述植物浸提液与草木灰浸提液混合，然后加入石墨烯、氢氧化铝和椰壳粉，充分混匀后超声30分钟，过滤后所得滤液即为石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。

实施例4

一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液30，草木灰12，石墨烯4.5，氢氧化铝4，氢氧化镁4，椰壳粉3.5，余量为水。

制备方法如下：

(1)称取下述重量份的植物原料：

玉米须30，破布子10，山药20，榆树皮15，柚子皮15；

将玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮混合、干燥、粉碎后加入10倍量水，浸泡2小时后蒸煮2小时，过滤，滤液备用，然后再向滤渣中加入10倍量水，超声提取1小时，过滤，合并滤液即得到植物浸提液；

(2)向干燥草木灰中加入15倍量水，浸泡1小时后，煎煮1小时，过滤，滤液备用，在相同条件下将滤渣重复提取1次，合并滤液得到草木灰浸提液；

(3)将上述植物浸提液与草木灰浸提液混合，然后加入石墨烯、氢氧化铝、氢氧化镁和椰壳粉，充分混匀后超声30分钟，过滤后所得滤液即为石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。

对比例1

一种植物复合型阻燃灭火剂，是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液30，草木灰12，氢氧化铝4，氢氧化镁4，余量为水。

制备方法如下：

(1)称取下述重量份的植物原料：

玉米须30，破布子10，山药20，榆树皮15，柚子皮15；

将玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮混合、干燥、粉碎后加入10倍量水，浸泡2小时后蒸煮2小时，过滤，滤液备用，然后再向滤渣中加入10倍量水，超声提取1小时，过滤，合并滤液即得到植物浸提液；

(2)向干燥草木灰中加入15倍量水，浸泡1小时后，煎煮1小时，过滤，滤液备用，在相同条件下将滤渣重复提取1次，合并滤液得到草木灰浸提液；

(3)将上述植物浸提液与草木灰浸提液混合，然后加入氢氧化铝和氢氧化镁，充分混匀后超声30分钟，过滤后所得滤液即为植物复合型阻燃灭火剂。

对比例2

一种植物复合型阻燃灭火剂，是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液100，十二烷基聚氧乙烯硫酸钠50，三乙醇胺1，亚硝酸钠10，苯并三氮唑4，六次甲基四胺0.3，氯化钙15，余量为水。

制备方法如下：

(1)称取下述重量份的原料：

黄蒿10，黑蒿10，艾叶10，榆根皮5，草木灰40，吐温-80 20，水400；

将黄蒿、黑蒿、艾叶、榆根皮晒干、粉碎后与草木灰、吐温-80和水混合，常温浸泡2小时后，蒸煮2小时，冷却过滤，滤液即为植物浸提液；

(2)向干燥草木灰中加入20倍量水，浸泡2小时后，煎煮2小时，冷却过滤，滤液即为草木灰浸提液；

(3)将上述植物浸提液放入搅拌容器中，升温至40℃，在搅拌条件下依次加入十二烷基聚氧乙烯硫酸钠、苯并三氮唑、亚硝酸钠、氯化钙、三乙醇胺、六次甲基四胺，投料完成后继续搅拌1小时，混合均匀得到复合阻燃剂；

(4)将上述复合阻燃剂按照8％的浓度用上述草木灰浸提液进行稀释即得到植物复合型阻燃灭火剂。

阻燃灭火实验

1.应用性井喷灭火实验

实验救护对象：以科威特日产5000t原油油井为例进行井喷灭火模拟实验。

本实验采用的井喷阻燃灭火装置如附图1所示，由耐压油罐1、输油管2、阻燃混合器3、井喷管4、阻燃灭火剂贮罐5、输液管6、空气压缩机7、输气管8、供油开关9、供液开关10构成。

实验方法：先将定量燃油注入地下耐压油罐1中，再将阻燃灭火剂混合液注入阻燃灭火剂贮罐5中，然后启动空气压缩机7，使气压达到额定要求，经复查符合实验物理参数(见表1)后，打开供油开关9，迅速点燃燃油，待达到正常井喷燃烧状态后，立即打开供液开关10进行井喷灭火，同时计时测定，灭火效果如表2所示。

表1实验物理参数

表2灭火效果参数

混合液类别	喷口速度(M/s)	灭火时间(s)
			实施例1	19.75	12
实施例2	19.87	11
			实施例3	19.82	9
实施例4	19.77	8
			对比例1	19.84	19
对比例2	19.80	17

为了进一步验证阻燃效果(改性能力)，用200mm火球点燃落地物30秒钟(改性后的油液)，各实施例组落地物均不燃烧，由此证明该易燃物完全失去了易燃性，变为不燃物。而对比例组仍有少量落地物发生复燃，说明对比例组混合液对燃油的改性并不完全，阻燃效果较差。

2.应用性船舶灭火实验

实验救护对象：以船舶机舱为例进行综合灭火实验。

本实验在丹麦艾司比亚消防学校金属试验室固定灭火***中进行，由高压油泵、油箱、高压油管、喷油嘴、油盘、油槽、掩体油池等组成燃烧***，由供水泵、供水开关、供水带、供水管、喷头、灭火剂贮罐、灭火剂开关、比例混合器等组成灭火***，并与配套实验的主机、副机、阻障物、溢液管等构成一个完整的实验整体。

实验方法：先将阻燃灭火剂定量注入灭火剂贮罐中，再将煤油分别注入油箱、油槽、掩体油池中，最后将定量的庚烷注入油盘中，经复查符合实验物理参数(见表3)后，启动高压油泵至工作压力，待喷油嘴呈气雾状喷射时，点燃各部燃油，使其同时全部燃烧，经60秒钟预燃时间，同时打开供水开关和灭火剂开关，同时计时灭火所用时间，灭火效果如表4所示。

表3实验物理参数

表4灭火效果参数

3.毒性实验

为确保消防人员在灭火救援时的人身安全，对灭火剂进行毒性实验。

实验标准：GB 15193.3-2014食品安全国家标准急性经口毒性试验。

实验条件：

a)动物：昆明种小鼠，体重18-22g，雌雄各20只，随机分组。

b)灭火剂剂量选择：共分四组，分别为2150、4640、10000、21500mg/kg。

c)样品处理：采用蒸馏水稀释，达到各组所需浓度。

实验方法：Horn氏法，灌胃量每10g体重0.2ml，小鼠灌胃后观察七天，未出现死亡及其他中毒症状。

实验结论：小鼠半数致死量(LD₅₀)大于10000mg/kg，属于实际无毒物质。

通过上述实验可以看出，本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂具有以下特点：

1.本发明石墨烯植物复合型阻燃灭火剂通过对油品实施亲和、渗透、乳化、改性，能从根本上改变燃烧物的性质，使其从易燃可燃物转变为不燃性物质，从而达到灭火的目的，其灭火效果十分显著。

2.本发明阻燃灭火剂还具有吸热降温、结膜、隔热、隔氧和封闭可燃气体、阻止可燃气体蒸发传播的作用，上述性能相互协调作用，展现出良好的综合灭火效能。

3.本发明阻燃灭火剂的组成原料系来自大自然的绿色植物，因此对人体和救护对象以及救护环境不会造成二次污染，环保性能卓越。

以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其特征在于它是由下述重量份的原料制成的：

植物浸提液26-30，草木灰10-12，石墨烯3.5-4.5，阻燃剂6-8，余量为水；

其中，所述植物浸提液是由下述重量份的原料制成的：

玉米须20-30，破布子8-10，山药15-20，榆树皮10-15，柚子皮10-15；

所述植物浸提液经过以下步骤制得：

将玉米须、破布子、山药、榆树皮和柚子皮混合、干燥、粉碎后加入10-12倍量水，浸泡2小时后蒸煮2小时，过滤，滤液备用，然后再向滤渣中加入10倍量水，超声提取1小时，过滤，合并滤液即得到植物浸提液。

2.如权利要求1所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其中各原料的重量份是：

植物浸提液26，草木灰10，石墨烯3.5，阻燃剂6，余量为水。

3.如权利要求1所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其中各原料的重量份是：

植物浸提液28，草木灰11，石墨烯4.0，阻燃剂7，余量为水。

4.如权利要求1所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其中各原料的重量份是：

植物浸提液30，草木灰12，石墨烯4.5，阻燃剂8，余量为水。

5.如权利要求1所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，制得所述石墨烯植物复合型阻燃灭火剂的原料还包括下述重量份的：椰壳粉3.0-3.5。

6.如权利要求5所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其中各原料的重量份是：

植物浸提液26，草木灰10，石墨烯3.5，阻燃剂6，椰壳粉3.0，余量为水。

7.如权利要求5所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其中各原料的重量份是：

植物浸提液30，草木灰12，石墨烯4.5，阻燃剂8，椰壳粉3.5，余量为水。

8.如权利要求1-7任一项所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂，其特征在于：

所述阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、赤磷、多聚磷酸铵、硼酸锌、三氧化二锑中的一种或几种的组合物。

9.如权利要求1-7任一项所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂在制备下述灭火产品中的应用：软膏、凝胶、泡沫剂、干粉剂、溶液剂。

10.如权利要求1所述的石墨烯植物复合型阻燃灭火剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)向干燥草木灰中加入15倍量水，浸泡1小时后，煎煮1小时，过滤，滤液备用，在相同条件下将滤渣重复提取1次，合并滤液得到草木灰浸提液；

(2)将植物浸提液与上述草木灰浸提液混合，然后加入石墨烯和阻燃剂，充分混匀后超声30分钟，过滤后所得滤液即为石墨烯植物复合型阻燃灭火剂。