CN113546361B - 一种基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于森林灭火技术领域，提供了一种基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂，包括以下按重量份剂的组分：100份聚磷酸铵、0.1～5份处理剂、10～30份可膨胀石墨，20‑100份超细干粉灭火剂，其中处理剂为γ‑氯丙基三乙氧基硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷、γ‑氨丙基三甲氧基硅烷、γ‑氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种或几种；聚磷酸铵为水溶性低聚磷酸铵，磷含量≥20％，氮含量≥24％，五氧化二磷含量≥45％，聚合度≤20；可膨胀石墨粒度为50‑100目，膨胀率为150‑350倍；超细干粉灭火剂为通用型ABC超细干粉灭火剂，90％粒径≤20μm。

Description

一种基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂及其制备方法和 应用

技术领域

本发明总体地涉及森林消防灭火技术领域，具体地涉及一种基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂及其制备方法和应用。

背景技术

森林火灾是一种频繁发生的自然灾害现象，突发性强、破坏性大。森林火灾的发生不仅会给国家森林资源和人民群众的生命财产造成巨大损失，也使得生态环境遭到严重破坏，大火过后的恢复期需要十年甚至上百年。为了控制和扑灭森林火灾，世界各国都在不断研发和改进火灾扑救技术。

在实际灭火中，对正在燃烧的可燃物进行大颗水滴喷洒，是扑灭森林火灾的有效途径，也是林区常用的森林消防策略。在扑灭森林火灾时，扑灭单位面积上可燃物的火焰通常需要1～2.5倍的水量才可以达到最佳的灭火效果。

在很多地形复杂、地势起伏的丘陵、山地和高原，一旦发生森林火灾，森林消防队员很难及时到达火场，有时甚至无法抵达。空中灭火飞机具有速度快、不受地形限制等空中优势，可直接飞临火场实施载水灭火。以水灭火在应对沟塘火、灌丛火、草原火和树冠火时效果很好，但是在应对林内地表火时，由于树冠阻挡，灭火的效果不理想。目前，森林化学灭火剂一般由主剂、助剂、黏稠剂、湿润剂、防腐剂、着色剂等成分组成，含有大量的水，以物理灭火为主，灭火效力有限。

现常用的灭火剂按灭火机理可分为两大类：化学灭火和物理灭火。化学灭火采用化学物质与火焰相遇时的化学抑制作用，扑获燃烧自由基，阻断燃烧链式反应，使火焰熄灭，因而灭火速度快、效率高。物理灭火采用窒息灭火，使火得不到具备燃烧的氧而熄灭，因而灭火速度慢、效率低。但物理灭火方式对于熄灭可燃固体的无焰燃烧(阴燃)及防止可燃液体的复燃有独到的效果。

美国首先开发出以碳酸氢钠为基料的干粉灭火剂，发展至今已形成多种产品。ABC类：磷酸铵盐；BC类：碳酸氢钠，碳酸氢钾等；D类：石墨灭火剂等。干粉灭火剂有优良的灭火速率和效率。干粉地灭火速度是卤代烷的2.5倍，是二氧化碳的4倍，是泡沫的20倍，是水的40倍。

目前国内已有产品中能够起到灭火作用的物质主要有：磷酸铵盐、碳酸铵盐、氯化钠、氯化钾等。普通干粉灭火剂灭火组分含量在国标中有严格的规定，磷酸二氢铵含量≥75％，碳酸氢钠含量≥82％。

超细干粉灭火剂除了有上述物质组分外，还有聚合材料为灭火组分的ABC超细干粉灭火剂，主要由活性灭火组份、粉碎助剂组分、疏水组分、惰性填料组分等组成。灭火组份是超细干粉灭火剂的核心。超细干粉灭火剂把化学灭火的优势和物理灭火的优势有机结合起来，对有焰燃烧的化学抑作用，对无焰燃烧的窒息作用以及对热辐射的遮隔、冷却作用是这种灭火剂特性的集中体现。有关行业标准未规定灭火组分含量，但严格规定了灭火效能指标≤150g/m³。

发明内容

针对现有森林灭火剂含有大量水，对林内地表火灭火效率低的缺点，解决森林火场中的温度很高，存在很强的空气对流现象，实际作用到燃烧物上的灭火剂少，超细干粉灭火剂粒径小、覆盖能力不足、难以作用到地表等问题，提供一种新型高效基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂及其制备方法和应用。

本发明的技术方案是：一种基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂，包括以下按重量份计的组分：100份聚磷酸铵、0.1～5份处理剂、10～30份可膨胀石墨，20-100份超细干粉灭火剂。

进一步的，上述处理剂为γ-氯丙基三甲氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-氯丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(beta-氨乙基)-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(氨乙基)-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟代癸基三氯硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、钛酸四正丙酯、聚钛酸丁酯、异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯中的一种或几种。

进一步的，上述处理剂为γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种或几种。

进一步的，上述聚磷酸铵为水溶性低聚磷酸铵，磷含量≥20％，氮含量≥24％，五氧化二磷含量≥45％，聚合度≤20；所述可膨胀石墨粒度为50-100目，膨胀率为150-350倍；所述超细干粉灭火剂为通用型ABC超细干粉灭火剂，90％粒径≤20μm。

本发明同时提供了上述基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂的制备方法，包括以下步骤：首先，将聚磷酸铵、水加入到反应釜中，一定温度下机械搅拌；之后，加入处理剂溶液，一定温度下充分搅拌；加入可膨胀石墨，机械搅拌；加入超细干粉灭火剂，混合均匀后脱水干燥，破碎过筛得到基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂。

进一步的，上述述脱水干燥条件为：干燥温度为100℃～200℃，干燥时间为4h～24h。

进一步的，上述处理剂溶液为处理剂与小分子醇的混合液；所述小分子醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、乙二醇中的任意一种，优选乙醇，处理剂与小分子醇的质量比为1:3～1:5，加入处理剂溶液之后的搅拌速度为50～1000r·min^-1，搅拌时间为1h～4h。

进一步的，上述将聚磷酸铵、水加入到反应釜中，一定温度下机械搅拌的操作中：聚磷酸铵与水的质量比为3/1～1/5，机械搅拌速度为

50～1000r·min^-1，搅拌时间为1h～5h；机械搅拌的温度为20-80℃；所述破碎过筛得到基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂的操作中：将干燥的灭火剂过20目筛，取筛下物得到所述基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂。

本发明还提供了上述基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂的应用，由无人机携载装填上述基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂的灭火弹，在火场上方抛掷后，由定高引信引爆灭火弹，使其中的基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂均匀抛洒，灭火剂沉降过程中逐渐熄灭树冠火、地表火。

本发明相比现有技术的有益效果为：

本发明的基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂配方中，通过处理剂实现聚磷酸铵与可膨胀石墨、一部分超细干粉灭火剂的团聚，得到20％以上粒径大于20μm的复合粒子，这部分复合粒子在森林灭火剂抛洒后能够克服气流作用沉降到地表，复合粒子沉降到地表后，团聚的颗粒受热分解破碎，使超细干粉灭火剂发挥强窒息表面燃烧、能够遮隔和冷却热辐射的功能；可膨胀石墨受热膨胀将可燃物与氧气阻隔，同时吸热分解，消耗自由基，抑制火焰传播，可膨胀石墨在团聚颗粒中将超细干粉灭火剂之间隔离开，在灭火过程中自身膨胀产气实现灭火剂的高效分散；低聚磷酸铵热分解吸热，放出氨、水和磷酸，协同阻燃；不仅能够削弱森林树冠火、地表火、散火、小火继续燃烧，还能够抑制余火的复燃，从而提高灭火剂的灭火效率。解决了现有技术中因为超细干粉灭火剂粒径小，在热气流作用下很容易就被吹散、难以沉降到地面，从而导致灭火效果不佳的问题，同时，可膨胀石墨加热到一定温度下，可迅速分解产生大量气体，使石墨膨胀成蠕虫状，体积膨胀150-350倍，因此，在团聚颗粒中引入可膨胀石墨有利于灭火剂团聚颗粒分散。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

取100kg聚磷酸铵和50kg水加入到反应釜中，升温到50℃，以50r·min^-1的转速搅拌5h；将100gγ-氯丙基三乙氧基硅烷和500g甲醇分别加入到50℃反应釜中，以200r·min^-1的转速搅拌搅拌30min，然后加入15kg可膨胀石墨，以200r·min^-1的转速搅拌1h；加入20kg超细干粉灭火剂，以200r·min^-1的转速搅拌2h；将湿物料放入120℃鼓风干燥箱干燥24h；破碎过20目筛得到基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂。

实施例2：

取100kg聚磷酸铵和50kg水加入到反应釜中，升温到70℃，以50r·min^-1的转速搅拌5h；将500gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1500g乙醇分别加入到70℃反应釜中，以500r·min^-1的转速搅拌搅拌30min，然后加入20kg可膨胀石墨，以100r·min^-1的转速搅拌2h；加入80kg超细干粉灭火剂，以100r·min^-1的转速搅拌3h；将湿物料放入120℃鼓风干燥箱干燥24h；破碎过20目筛得到基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂。

实施例3：

取100kg聚磷酸铵和50kg水加入到反应釜中，升温到70℃，以50r·min^-1的转速搅拌5h；将500gγ-氨丙基三甲氧基硅烷、200g十七氟代癸基三氯硅烷、100g异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯和2500g丁醇分别加入到70℃反应釜中，以800r·min^-1的转速搅拌搅拌60min，然后加入25kg可膨胀石墨，以200r·min^-1的转速搅拌1h；加入100kg超细干粉灭火剂，以200r·min^-1的转速搅拌1h；将湿物料放入180℃鼓风干燥箱干燥10h；破碎过20目筛得到基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂。

表1实施例1基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂激光粒度分析结果

粒径/μm	区间分布/％	累积分布/％
			＜0.1	0.00	0.00
0.1～0.2	0.00	0.00
			0.2～0.5	0.71	0.71
0.5～1	4.35	5.06
			1～2	5.51	10.57
2～5	9.75	20.32
			5～10	19.07	39.39
10～20	34.50	73.89
			20～45	24.79	98.68
45～75	1.32	100.00

从表1可以看出粒度分布情况，大部分是小于20微米的，有20％以上粒径大于20μm的复合粒子，经计算，大于20的为100-73.89＝26.11。

本发明对实施例1～实施例3制备的森林灭火剂进行了性能测试，结果见表2。

表2森林灭火剂测试结果

从表2可以看出，所得产品流动性和喷流性好，有利于抛洒。

可以看出，本发明制备的森林灭火剂在灭火性能、疏水性能(针入度、吸湿率、斥水性)、流动性等方面与标准相比，达到GA578-2005超细干粉灭火剂要求。核心在于，本发明有20％以上粒径大于20μm的复合粒子，这部分复合粒子对于扑灭森林火灾具有重要作用，因此90％粒径大于20μm。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂，其特征在于，包括以下按重量份计的组分：100份聚磷酸铵、0.1～5份处理剂、10～30份可膨胀石墨，20-100份超细干粉灭火剂；

所述处理剂为γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种或几种；

所述聚磷酸铵为水溶性低聚磷酸铵，磷含量≥20％，氮含量≥24％，五氧化二磷含量≥45％，聚合度≤20；

所述可膨胀石墨粒度为50-100目，膨胀率为150-350倍；

所述超细干粉灭火剂为通用型ABC超细干粉灭火剂，90％粒径≤20μm；

所述基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂中有20％以上粒径大于20μm的复合粒子；

其制备方法，包括以下步骤：

首先，将聚磷酸铵、水加入到反应釜中，一定温度下机械搅拌；之后，加入处理剂溶液，一定温度下充分搅拌；加入可膨胀石墨，机械搅拌；加入超细干粉灭火剂，混合均匀后脱水干燥，破碎过筛得到基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂；

所述脱水干燥条件为：干燥温度为100℃～200℃，干燥时间为4h～24h；

所述处理剂溶液为处理剂与小分子醇的混合液；所述小分子醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、乙二醇中的任意一种，处理剂与小分子醇的质量比为1:3～1:5；加入处理剂溶液之后的搅拌速度为50～1000r·min^-1，搅拌时间为1h～4h；

所述将聚磷酸铵、水加入到反应釜中，一定温度下机械搅拌的操作中：聚磷酸铵与水的质量比为3/1～1/5，机械搅拌速度为50～1000r·min^-1，搅拌时间为1h～5h；加入可膨胀石墨之后机械搅拌的温度为20-80℃；

所述破碎过筛得到基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂的操作中：将干燥的灭火剂过20目筛，取筛下物得到所述基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂。

2.如权利要求1所述的基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂的应用，其特征在于，由无人机携载装填权利要求1中所述基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂的灭火弹，在火场上方抛掷后，由定高引信引爆灭火弹，使其中的基于低聚磷酸铵的复合森林干粉灭火剂均匀抛洒，灭火剂沉降过程中熄灭树冠火、地表火。