CN110478845A - 一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂及其制备方法与应用，属于水凝胶灭火剂生产技术领域，由以下重量份数的原料组分制备而成：A.纤维素类材料1份、B.聚合物单体1份、C.交联剂2份、D.引发剂1份、E.催化剂1份、F.溶剂50‑100份。本发明制备方式简单，材料来源广泛，应用于水凝胶隔热垫及水凝胶颗粒灭火剂，具有高度保水性能，绿色环保，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于水凝胶灭火剂生产技术领域，具体涉及一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂及其制备方法与应用。
背景技术
火灾是突发的，灭火过程是复杂的，造成的后果是严重的，对人民生命财产安全，经济发展和社会稳定构成了较高的威胁。采用高效、合适的灭火产品对于及时扑灭火灾，挽救人员生命财产损失具有战略意义。
水具有最高的比热容，因此水以及相应的水基灭火材料仍然是是当前最主要的灭火材料之一。但由于自然水的表面张力大、流动性过好也造成了水在固体物质上的附着力差等问题，因此，在传统的水系灭火剂的生产制备中会加入一定比例的阻燃剂、抗冻剂、表面活性剂、耦合剂等物质，在使用中再按一定比例和水进行预混使用，或直接灌装使用，然而在实际灭火过程中没有起到预期的效果。因此，开发了许多新型的灭火添加剂，其中高分子灭火添加剂能够在微量的情况下与大量的水形成的水凝胶体，且具有一定的粘附性和机械性能，有望被用于新型灭火剂材料中。
与水相比，水凝胶吸水量大，保水能力强，致密性很好，即使在受热的条件下保水性、成膜性、附壁性都很好，将它喷入火中，会因脱水而消耗大量的热，使火场温度急剧下降。同时凝胶体会在物体表面自然分布，隔绝空气，即使高温也不会失水或失水可再生，防止火苗蔓延，达到灭火目的。水凝胶是一种在水中能够溶胀不能并保持大量水分而又不溶解于水的亲水***联聚合物，通过共价键、氢键或范德华力等作用相互交联构成三维网状结构，具有良好的生物相容性，多数水凝胶网络中可容纳本身重量的数倍至数百倍的水，是一种集吸水、保水、缓释与一体的高分子材料。大部分的水凝胶吸水与消溶胀过程是可逆的，当吸水到一定程度后，由于本身结构中交联骨架对水的系数一开始亲水就会使更多的水进入，就像惯性一样进入，后来慢慢的共价键就会把多余的水挤压出来达到饱和状态。
目前，国内许多公司外均已针对水凝胶灭火剂开展了产品研发和转化工作，主要用于森林、草原、建筑、矿井等多领域。将水与水溶性高分子混合制得的水凝胶类产品(申请公布号为CN107427707A、CN108421194、CN108421195A等)在灭火材料领域具有广阔的应用价值及市场开发前景，正在引起国际范围内的广泛关注。当前典型的水凝胶灭火产品主要为聚丙烯酸、聚丙烯酰胺类高分子吸水树脂(申请公布号为CN102166399A、CN107497088、CN107456695A、CN107773897A、CN103483752A等)。
相比于市面上广泛使用的化学试剂灭火剂材料(包括干粉灭火器、二氧化碳灭火器、泡沫灭火器、1211灭火器、卤代烷灭火器等)，水凝胶灭火剂具有自身独特的优势例如：
(1)清洁环保。使用此类灭火材料对人畜无毒、不腐蚀、对环境不污染，可生物降解，不会对生态环境构成威胁，此外，灭火残留物可通过简单的水处理便可以解决。
(2)效率更高。水凝胶可以有效的附着在燃烧物体表面，使可燃物快速隔绝氧气，阻止火势的蔓延，从而实现灭火。
(3)成本更低。制备原材料均来自工业级原料，制备方式简单，来源广泛，且制备工艺简单，相比于其他化学灭火剂材料成本更低。
然而，即便引入高分子添加剂能够有效提高灭火的效率，但是目前现有的水凝胶灭火剂依然存在不足，例如保水时间相对较短，水的流失必会造成灭火效果不佳，同时还有可能会造成局部复燃的行为。此外，对于水凝胶隔热灭火垫(毯)来讲，高的保水性至关重要，因为隔热灭火垫(毯)的水含量一旦低于原始含量的50％时，水凝胶隔热灭火垫(毯)的隔热性将大大降低，并且材质将会***，在实际火灾中将可能丧失其防护作用。因此，有效提高水凝胶材料的保水性对于改善材料的隔热、灭火性能有较大的帮助，对进一步增强防灾减灾救灾能力、保护人民生命财产安全有实际意义，尤其在水资源急剧匮乏的地区，高度节水的灭火材料的开发格外重要。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂及其制备方法与应用，制备方式简单，材料来源广泛，应用于水凝胶隔热垫及水凝胶颗粒灭火剂，具有高度保水性能，绿色环保，适用范围广。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，由以下重量份数的原料组分制备而成：A.纤维素类材料1份、B.聚合物单体1份、C.交联剂2份、D.引发剂1份、E.催化剂1份、F.溶剂50-100份。
优选的，所述纤维素类材料为羧甲基纤维素、羧丙基甲基纤维素、纤维素黄原酸盐中的任意一种或多种。
优选的，所述聚合物单体为丙烯酰胺、丙烯酸中的任意一种或两种。
优选的，所述交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺中的任意一种或多种。
优选的，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的任意一种或多种。
优选的，所述催化剂为四甲基乙二胺、N，N-二甲基-1，3-丙二胺中的任意一种或多种。
优选的，所述溶剂为去离子水、自来水、雨水、地下水、河水、湖水、海水、浓度为25％的NaOH溶液或者碳酸钠溶液中的任意一种。
本发明还提供一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1份A组分加入至50-100份溶剂中，充分搅拌后获得溶液I；
(2)将1份B组分加入上述溶液I中，充分搅拌后获得溶液II；(B组分中的丙烯酸需在25％的NaOH溶液或者碳酸钠溶液反应至中和度达到60-90％，反应时间30-50min，反应温度35-50℃，得到中和液)；
(3)分别将2份C组分、1份D组分和1份E组分加入到上述溶液II中，获得溶液III；
(4)将所得溶液III在50-70℃下进行聚合、交联反应1-2h得到灭火剂。
本发明还包括一种水凝胶隔热灭火垫，制备方法为：将上述步骤(4)得到的灭火剂在80-100℃下干燥3-8h。
本发明还包括一种水凝胶颗粒灭火剂，制备方法为：将上述步骤(4)得到的灭火剂在80-100℃下干燥24-48h，(或在130W的微波功率下微波辐射300s；或在紫外灯下固化1-2h)；然后将烘干的凝胶片剪切成直径为10-20mm的块状，将所得的凝胶块在100-150℃下干燥并过筛，得到粒径为50-100目的颗粒。
本发明的有益技术效果为：
(1)成本更低。本发明中使用的材料均为工业级原料，制备方式简单，来源广泛，相比于同类水凝胶灭火材料成本更低；且所述水凝胶颗粒灭火剂及灭火垫中用水选自去离子水、自来水、雨水、河水、湖水、海水，各类水质对灭火效果影响较小；
(2)易于存储。本发明开发的水凝胶隔热垫化学温度性好，保水性好，因此仅需简单密封保存即可；本发明开发的水凝胶颗粒灭火剂，其体积占比相对较小，且无需真空隔氧等较为复杂的存储方式，仅需存储至干燥，密闭条件下即可；
(3)保水性更高。通过纤维素与丙烯酰胺、丙烯酸(钠)的接枝共聚，获得聚合物水凝胶具有更高的吸水能力以及保水性；通过利用纤维素与丙烯酰胺、丙烯酸的接枝共聚，丰富了分子链上含有强亲水性基团，构成了具有三维空间网络结构的高聚物，网络结构很好地限制了水分子的运动，故吸收的水在加压下不被挤出，显示良好的保水性能；通过吸水率测试发现单位质量的水凝胶灭火颗粒吸水率可达1g/1000g(1g材料吸1000g水)；此外，通过将水凝胶隔热垫在酒精灯下炙烤25min，发现水凝胶垫仍然能够维持较高的水分，并且垫的背面的温度维持在人体可承受温度以下，这为消防人员的救援提供了宝贵的时间；
(4)操作简单。由于水凝胶灭火颗粒在水中可快速的溶解(将1g水凝胶颗粒加入至1000mL水中，在3-10min内即可实现完全溶解)，以免错失灭火最佳时机；水凝胶隔热垫可直接裹附在人体表面，保护被困人员不受火焰侵袭，也可直接用于局部火灾的扑救；
(5)适用范围广。相比于现有非发泡水凝胶灭火剂，本发明制备的新型水凝胶颗粒灭火剂具有高度保水性能，且凝胶能够紧密的贴实在燃烧物体表面，大幅度提升灭火剂效率，且降低了火灾复燃的可能性；
(6)绿色环保。所用原料无毒、对人畜无毒、不腐蚀、对环境不污染，可生物降解，不会对生态环境构成威胁。
附图说明
图1为35℃下水凝胶隔热灭火垫的保水性能测试图；
图2为60℃下水凝胶隔热灭火垫的保水性能测试图；
图3为酒精灯烘烤下水凝胶隔热灭火垫的保水性能及表面温度测试图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，由以下重量份数的原料组分制备而成：A.纤维素类材料1份、B.聚合物单体1份、C.交联剂2份、D.引发剂1份、E.催化剂1份、F.溶剂50-100份。
所述纤维素类材料为纤维素黄原酸盐。所述聚合物单体为丙烯酰胺。所述交联剂为N，N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺。所述引发剂为过硫酸钠。所述催化剂为四甲基乙二胺。所述溶剂为去自来水。
上述一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1份A组分加入至50-100份溶剂中，充分搅拌后获得溶液I；
(2)将1份B组分加入上述溶液I中，充分搅拌后获得溶液II；
(3)分别将2份C组分、1份D组分和1份E组分加入到上述溶液II中，获得溶液III；
(4)将所得溶液III在50-70℃下进行聚合、交联反应1-2h得到灭火剂。
实施例2
一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，由以下重量份数的原料组分制备而成：A.纤维素类材料1份、B.聚合物单体1份、C.交联剂2份、D.引发剂1份、E.催化剂1份、F.溶剂50-100份。
所述纤维素类材料为羧甲基纤维素。所述聚合物单体为丙烯酸。所述交联剂为N，N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺。所述引发剂为过硫酸铵。所述催化剂为四甲基乙二胺。所述溶剂为地下水。
上述一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1份A组分加入至50-100份溶剂中，充分搅拌后获得溶液I；
(2)将1份B组分加入上述溶液I中，充分搅拌后获得溶液II；(B组分中的丙烯酸需在25％的NaOH溶液或者碳酸钠溶液反应至中和度达到60-90％，反应时间30-50min，反应温度35-50℃，得到中和液)；
(3)分别将2份C组分、1份D组分和1份E组分加入到上述溶液II中，获得溶液III；
(4)将所得溶液III在50-70℃下进行聚合、交联反应1-2h得到灭火剂。
实施例3
一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，由以下重量份数的原料组分制备而成：A.纤维素类材料1份、B.聚合物单体1份、C.交联剂2份、D.引发剂1份、E.催化剂1份、F.溶剂50-100份。
所述纤维素类材料为羧甲基纤维素。所述聚合物单体为丙烯酰胺。所述交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺。所述引发剂为过硫酸铵。所述催化剂为四甲基乙二胺。所述溶剂为去离子水。
上述一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1份A组分加入至50-100份溶剂中，充分搅拌后获得溶液I；
(2)将1份B组分加入上述溶液I中，充分搅拌后获得溶液II；
(3)分别将2份C组分、1份D组分和1份E组分加入到上述溶液II中，获得溶液III；
(4)将所得溶液III在50-70℃下进行聚合、交联反应1-2h得到灭火剂。
一种水凝胶颗粒灭火剂，制备方法为：将所述步骤(4)得到的灭火剂在80-100℃下干燥24-48h，(或在130W的微波功率下微波辐射300s；或在紫外灯下固化1-2h)；然后将烘干的凝胶片剪切成直径为10-20mm的块状，将所得的凝胶块在100-150℃下干燥并过筛，得到粒径为50-100目的颗粒。
将上述制备好的水凝胶灭火颗粒1g加入至1000mL水中，对其吸水性进行测试，表1为具有不同比例的CMC与AM共聚物对不同溶液的吸水倍率。
表1
由表1可知：当CMC、AM的配比分别占到在3％，7％时，水凝胶颗粒灭火剂具有最高的吸去离子水倍率，在630g/g，同时吸自来水的倍率在362g/g，说明此类水凝胶材料具有较好的吸水能力，有望被用于实际灭火材料中。此外，此类水凝胶也能够表现出较好的吸盐水的能力，有望被开发用于海上灭火，或能够利用吸收海水进行灭火。
实施例4
一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，由以下重量份数的原料组分制备而成：A.纤维素类材料1份、B.聚合物单体1份、C.交联剂2份、D.引发剂1份、E.催化剂1份、F.溶剂50-100份。
所述纤维素类材料为羧丙基甲基纤维素。所述聚合物单体为丙烯酸。所述交联剂为N，N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺。所述引发剂为过硫酸钾。所述催化剂为N，N-二甲基-1，3-丙二胺。所述溶剂为浓度为25％的NaOH溶液。
上述一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1份A组分加入至50-100份溶剂中，充分搅拌后获得溶液I；
(2)将1份B组分加入上述溶液I中，充分搅拌后获得溶液II；(B组分中的丙烯酸需在25％的Na0H溶液或者碳酸钠溶液反应至中和度达到60-90％，反应时间30-50min，反应温度35-50℃，得到中和液)；
(3)分别将2份C组分、1份D组分和1份E组分加入到上述溶液II中，获得溶液III；
(4)将所得溶液III在50-70℃下进行聚合、交联反应1-2h得到灭火剂。
一种水凝胶隔热灭火垫，制备方法为：将所述步骤(4)得到的灭火剂在80-100℃下干燥3-8h。
将上述获得的水凝胶隔热灭火垫保水及隔热性能进行测试，测试结果如图1-3所示，由图1-3可知：此类水凝胶隔热垫在受热情况下具有较好的保水性。在接近室温的35℃下，水凝胶隔热垫在放置5小时的情况下，其水含量仍然能够维持在90％左右。在60℃下，水凝胶隔热垫5小时内仍然能够维持60％以上的水含量。通过利用酒精灯对水凝胶隔热垫进行烘烤对水凝胶隔热保水性能测试发现，水凝胶隔热垫在烘烤25min后，仍然能够维持70以上的水含量，此外，水凝胶背部的温度在45℃左右，低于人体可承受最高温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，其特征在于，由以下重量份数的原料组分制备而成：A.纤维素类材料1份、B.聚合物单体1份、C.交联剂2份、D.引发剂1份、E.催化剂1份、F.溶剂50-100份。
2.根据权利要求1所述的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，其特征在于，所述纤维素类材料为羧甲基纤维素、羧丙基甲基纤维素、纤维素黄原酸盐中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，其特征在于，所述聚合物单体为丙烯酰胺、丙烯酸中的任意一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，其特征在于，所述交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺中的任意一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，其特征在于，所述催化剂为四甲基乙二胺、N，N-二甲基-1，3-丙二胺中的任意一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂，其特征在于，所述溶剂为去离子水、自来水、雨水、地下水、河水、湖水、海水、浓度为25％的NaOH溶液或者碳酸钠溶液中的任意一种。
8.权利要求1-7任意一项所述的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将1份A组分加入至50-100份溶剂中，充分搅拌后获得溶液I；
(2)将1份B组分加入上述溶液I中，充分搅拌后获得溶液II；(B组分中的丙烯酸需在25％的NaOH溶液或者碳酸钠溶液反应至中和度达到60-90％，反应时间30-50min，反应温度35-50℃，得到中和液)；
(3)分别将2份C组分、1份D组分和1份E组分加入到上述溶液II中，获得溶液III；
(4)将所得溶液III在50-70℃下进行聚合、交联反应1-2h得到灭火剂。
9.一种水凝胶隔热灭火垫，其特征在于，采用权利要求8制得的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂制备而成，制备方法为：将所述步骤(4)得到的灭火剂在80-100℃下干燥3-8h。
10.一种水凝胶颗粒灭火剂，其特征在于，采用权利要求8制得的一种具有高度保水性的纤维素基水凝胶灭火剂制备而成，制备方法为：将所述步骤(4)得到的灭火剂在80-100℃下干燥24-48h，(或在130W的微波功率下微波辐射300s；或在紫外灯下固化1-2h)；然后将烘干的凝胶片剪切成直径为10-20mm的块状，将所得的凝胶块在100-150℃下干燥并过筛，得到粒径为50-100目的颗粒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191122 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |