CN111111084B - 一种生物基复合水凝胶灭火材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物基复合水凝胶灭火材料及其制备方法，该凝胶材料按照质量分数由以下组分组成：水50％～95％；生物基凝胶前驱体0.01％～5％；交联剂0.05％～10％；发泡剂0.5％～10％；增强剂0.01％～5％。本发明凝胶材料主要面向棉花、粮食等物资储备库火灾扑救，通过喷射附着在燃烧物的表面，不易流散，显著降低火源温度、热辐射，不会出现复燃现象。该灭火凝胶具有安全环保，无毒无害，附着性强，阻化性能强等优点，有效解决传统水基灭火剂以及化学品灭火剂在灭火过程中对储备物资造成的破坏。

Description

一种生物基复合水凝胶灭火材料及其制备方法

技术领域

本发明属于防灭火材料技术领域，具体涉及一种生物基复合水凝胶灭火材料及其制备方法。

背景技术

粮食和棉花是人民群众不可或缺的基本生活资料，对于人口数量占全球1/4之多的我国，更是关乎国家稳定与安全的重要战略物资。粮食和棉花的储备数量和质量保障，是我国一项长期的重要国策。当前，我国各类粮食储备总量已达6亿吨，棉麻储备也近千万吨量级，且存储量呈逐年递增趋势。此外，粮食和棉花储备库的单库储量也不断增大，如多地粮食单库储量已由5000吨增至30000吨。如此庞大的粮食和棉花储量，使其防灾保质的难度和重要性进一步提高，一旦发生火灾，往往经济损失巨大且造成负面的社会效益。如，2013年发生的中储粮林甸直属库火灾和中储棉山西侯马代储库火灾，所造成经济损失均以数亿计。

粮食和棉花储备库一旦发生大火，及时有效的扑救可以有效挽回经济损失，保证人员安全。目前对于粮食和棉花储备库的火灾扑救方法主要是常规采用水柱喷射进行灭火，但是水基灭火剂存在极易流淌，灭火效率低下的问题，与此同时，水分在流淌过程中直接导致粮食和棉花储备库下层物资受潮，品质下降。而常规ABC类灭火剂中含有磷酸铵盐、活性白土、疏水二氧化硅、甲基硅油、云母粉、滑石粉等化学成分，如采用ABC类灭火剂对粮食和棉花储备库进行火灾扑救，会导致库内物资污染，无法继续使用。

因此，为了保证我国的粮食和棉花等物资安全，需要尽快研发高效环保的灭火材料。凝胶作为一种新型灭火材料，在火灾防治中发挥重要作用。专利CN201610102098.0报道一种矿用灭火凝胶，主要成分为硫铝酸盐水泥熟料、石灰、水玻璃、水等，上述矿用灭火凝胶具有良好的灭火效果。专利CN201410113510.X报道一种防治煤炭自燃的智能凝胶材料，主要成分为高吸水温敏胶体、可膨胀石墨和碳酸盐类，该智能凝胶材料具有极高的温度敏感性，在高温条件下实现二次膨胀，起到良好的堵漏风效果。但是，目前常规灭火凝胶中的化学药剂成分毒性较高，在使用过程中势必造成粮食和棉花储备库中物资的污染，影响后续使用。因此，为了快速高效扑救粮食和棉花等物资储备库火灾，保证我国粮食和棉花等战略物资的安全，迫切需要研发满足粮食和棉花等物资储备库使用的新型防灭火材料。

发明内容

本发明针对传统水基灭火剂和化学品灭火剂存在的缺点和不足，旨在提供一种生物基复合水凝胶灭火材料，该凝胶材料主要面向粮食和棉花等物资储备库火灾扑救，可以有效附着于燃烧物的表面，显著降低其火源温度、热辐射，灭火稳定，不会出现复燃现象。该灭火凝胶具有环保无毒，附着性强，阻化性能强等优点，有效解决传统水基灭火剂以及化学品灭火剂在灭火过程中对粮食和棉花等物资品质造成的破坏。

本发明的另一目的在于提供一种生物基复合水凝胶灭火材料的制备方法，该方法工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，生产成本低，可大规模工业化生产。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明生物基复合水凝胶灭火材料，按质量百分比由以下各组分加工获得：

所述水为去离子水、自来水、地下水、河水、湖水中的任意一种或多种组合。

所述生物基凝胶前驱体为明胶、卡拉胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、壳聚糖中的一种或者多种组合。

所述交联剂为柠檬酸铝、柠檬酸钙、柠檬酸锌、葡萄糖酸铝、葡萄糖酸钙、葡萄糖酸锌中的一种或多种组合。

所述发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢氨中的一种或多种组合。

所述增强剂为蒙脱土、蛭石、层状双氢氧化物、海泡石、高岭土中的一种或多种组合。

本发明生物基复合水凝胶灭火材料的制备方法，包括以下步骤：

将生物基凝胶前驱体、增强剂、发泡剂与水在0～45℃条件下以1000～5000r/min进行搅拌混合30s～30min，得到第一混合液；将交联剂与水在0～45℃条件下以1000～5000r/min进行搅拌混合30s～30min，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液在0～45℃条件下以1000～5000r/min进行搅拌混合30s～30min，即可得到生物基复合水凝胶材料。

所述第一混合液中，生物基凝胶前驱体在水中的质量分数为0.015％～10％；发泡剂在水中的质量分数为0.6％～20％；增强剂在水中的质量分数为0.015％～10％。

所述第二混合液中，交联剂在水中的质量分数为0.06％～20％。

本发明生物基复合水凝胶主要用于棉花、粮食等物资储备库火灾扑救，以生物基复合水凝胶全部覆盖着火物为宜。

本发明涉及一种生物基复合水凝胶灭火材料，其主要成分为生物基凝胶前驱体、水、交联剂、发泡剂、增强剂。上述生物基前驱体与交联剂经过适度交联形成三维网络结构，增强剂与发泡剂填充于三维网络中。在火灾扑救过程中，凝胶材料通过喷射铺展于着火物资表面，形成致密阻隔层，有效阻隔外界氧气；凝胶中的水分子在强热作用下释放大量水蒸气，可以有效稀释燃烧区域可燃性气体的浓度，抑制燃烧；同时，水蒸气汽化过程吸收大量热量，从而有效降低燃烧区域的温度；碳酸氢盐发泡剂在高温下释放大量二氧化碳不燃性气体，进一步抑制燃烧；增强剂采用一些无机层状化合物，在高温下具有很强的热稳定性和阻隔效果。与此同时，该高温凝胶具有良好的成膜性，形成的薄膜致密不透氧，提高灭火凝胶的附着性，有效提高凝胶的灭火效率。因此，该凝胶材料是一种新型防火、阻燃以及热防护材料，对于火灾扑救特别是粮食和棉花等物资储备库火灾扑救具有极大的应用价值。

上述技术方案中，该生物基复合水凝胶具有安全环保、无毒害、附着性强、阻化性能强、灭火能力佳等优点，灭火效果显著，且主要作用于物资着火面，不会出现渗流，对于着火面下层物资品质几乎无影响，可以有效解决传统水基灭火剂以及化学品灭火剂在灭火过程中对物资品质造成的破坏。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)相比于传统水基灭火剂，其主要作用于燃烧物资表面，不会出现渗流，对下层物资品质无影响；

(2)该凝胶中所有成分皆安全环保，无毒无害，相比于其他传统灭火凝胶材料，对物资品质不会造成负面影响。

(3)该凝胶中除了传统凝胶材料前驱体，还含有增强剂，高温下形成稳定的无机阻隔层，可有效阻隔氧气和热量交换，提高凝胶的灭火效率。

(4)该凝胶成分中含有发泡剂，其在高温条件下释放二氧化碳不燃性气体，可以有效稀释燃烧区域可燃性气体浓度，有效提高灭火效率。

(5)该凝胶原料价廉易得，制备方法简单，具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例5与对比例5对棉包灭火效果的数码照片。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1-5中的原材料及测试为国家重点研发计划项目“国家棉麻、粮食物资储备库安全保障技术与装备研发”(2017YFC0805900)资助。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

将1.5份羧甲基纤维素，1.5份蒙脱土，2.5份碳酸氢钠，2.5份碳酸氢钾与80份自来水在20℃条件下以3000r/min进行搅拌混合3min，得到第一混合液；将0.5份柠檬酸铝与11.5份自来水在20℃条件下以3000r/min进行搅拌混合3min，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液在20℃条件下以3000r/min进行搅拌混合3min，制备成凝胶浆液。

启动注浆泵输送凝胶浆液，将10kg凝胶浆液喷洒在燃烧的稻谷堆上(水稻样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始水含率9.5％)。凝胶浆液迅速在稻谷堆表层形成凝胶，成胶后凝胶覆盖在高温稻谷堆表面，明火在9.8s熄灭，谷堆内火源温度112s下降至80℃，未出现复燃现象。采用该凝胶灭火过程中无渗流，谷堆中下层稻谷干燥，经测试下层水稻含水率9.5％，状态良好。

对比例1：

启动注浆泵泵送水，将10kg水喷洒在燃烧的稻谷堆(水稻样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始水含率9.5％)上。明火在喷水后15.3s熄灭，谷堆内火源在130s下降至80℃，喷水后17.5s开始出现水滴渗流，未出现复燃。采用喷水灭火作业方式后，谷堆下方有大量水渗流，谷堆中下层稻谷潮湿，经测试下层水稻含水率29.7％，无法进行保存，需进行烘干处理。

数据结果见表1：

表1实施例1与对比例1的灭火性能对比

实施例2：

将1.5份明胶，1.5份蛭石，3份碳酸氢钾，3份碳酸氢铵与85份蒸馏水在30℃条件下以1000r/min进行搅拌混合30min，得到第一混合液；将0.25份柠檬酸铝，0.35份葡萄糖酸铝与5.4份蒸馏水在30℃条件下以1000r/min进行搅拌混合30min，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液在30℃条件下以1000r/min进行搅拌混合30min，制备成凝胶浆液。

启动注浆泵泵送凝胶浆液，将10kg凝胶浆液喷洒在燃烧的小麦堆上(小麦样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始水含率7.9％)。凝胶浆液迅速在小麦堆表层形成凝胶，成胶后凝胶覆盖在高温小麦堆表面，明火在9.4s熄灭，谷堆内火源温度97s下降至80℃，未出现复燃现象。采用该凝胶灭火过程中无渗流，谷堆中下层小麦干燥，经测试下层水稻含水率7.9％，状态良好。

对比例2：

启动注浆泵泵送水，将10kg水喷洒在燃烧的稻谷堆(小麦样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始含水率7.9％)上。明火在喷水后12.1s熄灭，谷堆内火源在145s下降至80℃，喷水后14.7s开始出现水滴渗流，未出现复燃。采用喷水灭火作业方式后，谷堆下方有大量水渗流，谷堆中下层稻谷潮湿，经测试下层小麦含水率25.9％，无法进行保存，需进行烘干处理。

数据结果见表2：

表2实施例2与对比例2的灭火性能对比

实施例3：

将2份海藻酸钠，1.5份层状双氢氧化物，3份碳酸氢钠，3份碳酸氢钾与83份自来水在37℃条件下以5000r/min进行搅拌混合30s，得到第一混合液；将0.5份葡萄糖酸铝与7份自来水在37℃条件下以5000r/min进行搅拌混合30s，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液以5000r/min进行搅拌混合30s，形成凝胶浆液。

启动注浆泵泵送凝胶浆液，将10kg凝胶浆液喷洒在燃烧的稻谷堆上(水稻样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始含水率9.5％)。凝胶浆液迅速在稻谷堆表层形成凝胶，成胶后凝胶覆盖在高温稻谷堆表面，明火在7.5s熄灭，谷堆内火源温度105s下降至80℃，未出现复燃现象。采用该凝胶灭火过程中无渗流，谷堆中下层稻谷干燥，经测试下层水稻含水率9.5％，状态良好。

对比例3：

将10kg ABC类干粉灭火剂(主要成分磷酸铵盐、活性白土、疏水二氧化硅、甲基硅油、云母粉、滑石粉等)喷洒在燃烧的稻谷堆(水稻样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始含水率9.5％)上。明火在喷洒ABC类干粉灭火剂37.3s后熄灭，谷堆内火源在304s下降至80℃。采用喷洒干粉灭火剂作业方式后，谷堆中下层稻谷干燥，经测试下层水稻水含量9.5％，但谷堆中分散大量白色粉末(灭火剂成分)，谷物中因含有化学品，整堆谷物质量不合格。

数据结果见表3：

表3实施例3与对比例3的灭火性能对比

实施例4：

将2份羟乙基纤维素，2份高岭土，4份碳酸氢钠，2份碳酸氢铵与80份自来水在20℃条件下以3000r/min进行搅拌混合3min，得到第一混合液；将0.25份柠檬酸钙，0.35份葡萄糖酸铝与9.4份自来水在20℃条件下以3000r/min进行搅拌混合3min，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液以3000r/min进行搅拌混合3min，形成凝胶浆液。

启动注浆泵泵送凝胶浆液，将10kg凝胶浆液喷洒在燃烧的小麦堆上(小麦样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始含水率7.9％)。凝胶浆液迅速在小麦堆表层形成凝胶，成胶后凝胶覆盖在高温稻谷堆表面，明火在6.2s熄灭，谷堆内火源温度78s下降至80℃，未出现复燃现象。采用该凝胶灭火过程中无渗流，谷堆中下层稻谷干燥，经测试下层水稻含水率7.9％，状态良好。

对比例4：

将10kg ABC类干粉灭火剂(主要成分磷酸铵盐、活性白土、疏水二氧化硅、甲基硅油、云母粉、滑石粉等)喷洒在燃烧的小麦堆(小麦样品来自于国家粮食和物资储备局科学研究院，初始水含率7.9％)上。明火在喷洒ABC类干粉灭火剂后43.8s熄灭，谷堆内火源在369s下降至80℃。采用喷洒干粉灭火剂作业方式后，谷堆中下层小麦干燥，经测试下层小麦水含量7.9％，但谷堆中分散大量白色粉末(灭火剂成分)，谷物中因含有化学品，整堆谷物质量不合格。

数据结果见表4：

表4实施例4与对比例4的灭火性能对比

实施例5：

将2份羧甲基纤维素，2份海泡石，4份碳酸氢钠，2份碳酸氢铵与80份自来水在25℃条件下以2800r/min进行搅拌混合5min，得到第一混合液；将0.25份柠檬酸钙，0.35份葡萄糖酸铝与9.4份自来水在25℃条件下以2800r/min进行搅拌混合5min，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液以2800r/min进行搅拌混合5min，形成凝胶浆液。

启动注浆泵泵送凝胶浆液，将10kg凝胶浆液喷洒在燃烧的棉包上(棉包样品来自于中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所，棉包尺寸：50cm×20cm×20cm，密度：～450kg/m³)。凝胶浆液迅速在棉包表层形成凝胶，成胶后凝胶覆盖在高温棉包表面，明火在15s熄灭，未出现复燃现象。

对比例5：

将10kg自来水喷洒在燃烧的棉包上(棉包样品来自于中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所，棉包尺寸：50cm×20cm×20cm，密度：～450kg/m³)。明火在喷洒自来水后23s熄灭，但是3min后出现复燃。

图1是实施例5与对比例5对棉包灭火效果的数码照片。扑救棉包火灾中，消防给水灭火后仅3分钟发生复燃，1天后完全燃烧殆尽；而凝胶灭火技术能够完全覆盖棉包表面，不会发生复燃。因此，该复合凝胶具有绿色环保、窒息灭火、不复燃等优点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种生物基复合水凝胶灭火材料的应用，其特征在于：

所述生物基复合水凝胶灭火材料用于棉花、粮食物资储备库的火灾扑救；

所述生物基复合水凝胶灭火材料按质量百分比由以下各组分加工获得：

水 50% ~ 95%；

生物基凝胶前驱体 0.01% ~ 5%；

交联剂 0.05% ~ 10%；

发泡剂 0.5% ~ 10%；

增强剂 0.01% ~ 5%；

所述生物基复合水凝胶灭火材料的各组分的质量百分比之和为100%；

所述生物基凝胶前驱体为明胶、卡拉胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、壳聚糖中的一种或者多种组合；

所述交联剂为柠檬酸铝、柠檬酸钙、柠檬酸锌、葡萄糖酸铝、葡萄糖酸钙、葡萄糖酸锌中的一种或多种组合；

所述发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢氨中的一种或多种组合；

所述增强剂为蒙脱土、蛭石、层状双氢氧化物、海泡石、高岭土中的一种或多种组合；

所述生物基复合水凝胶灭火材料是通过包括如下步骤的方法制备获得：

将生物基凝胶前驱体、增强剂、发泡剂与水在0~45℃条件下以1000~5000 r/min进行搅拌混合30s~30min，得到第一混合液；将交联剂与水在0~45℃条件下以1000~5000 r/min进行搅拌混合30 s~30 min，得到第二混合液；将第一混合液与第二混合液在0~45℃条件下以1000 ~ 5000 r/min进行搅拌混合30 s ~ 30 min，即可得到生物基复合水凝胶材料；

所述第一混合液中，生物基凝胶前驱体在水中的质量分数为0.015%~10%；发泡剂在水中的质量分数为0.6% ~ 20%；增强剂在水中的质量分数为0.015% ~ 10%；

所述第二混合液中，交联剂在水中的质量分数为0.06% ~ 20%。

2.根据权利要求1所述的生物基复合水凝胶灭火材料的应用，其特征在于：

所述水为去离子水、自来水、地下水、河水、湖水中的任意一种或多种组合。

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