CN115463374B - 一种环境友好型泡沫灭火剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境友好型泡沫灭火剂及其制备方法，所述环境友好型泡沫灭火剂按质量比计，包括如下组分：0.05～0.1wt％的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、0.05～1wt％的碳氢表面活性剂、0.05～0.2wt％的稳泡剂、2～5wt％的抗冻剂和2～5wt％的助溶剂，其余为水。本发明采用磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂和α‑烯烃磺酸钠碳氢表面活性剂复配，制得的灭火剂能够快速降解，不具有生物累积性，其使用对水体、土壤无污染，环境友好性较高；同时本产品的泡沫稳定性较好，能有效抑制可燃气体的挥发，从而达到快速灭火、高效抗烧的目的。
Description
技术领域
本发明属于消防灭火剂技术领域，具体涉及到一种环境友好型泡沫灭火剂及其制备方法。
背景技术
火灾是当今社会最为常见的灾害之一，对人民的生命财产和国家社会的长治久安造成了巨大威胁，为此越来越多的灭火产品被研发出来。常见的灭火剂包括水灭火剂，干粉灭火剂，泡沫灭火剂等产品。其中，泡沫灭火剂由于泡沫的比重小于一般可燃液体，可漂浮于可燃液体表面形成泡沫层，使燃烧物表面与空气隔离达到窒息灭火的效果，在火灾初期迅速扑灭火源或阻止火势的扩大中发挥了巨大的作用，被广泛应用于实验室、化工企业、油田、油库、炼油厂等场合。
现有的泡沫灭火剂主要包括化学泡沫灭火剂、空气泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂、水成膜泡沫灭火剂和抗溶型泡沫灭火剂等。全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS)是重要的全氟化表面活性剂，具有“三高两憎”的特性，即高表面活性、高热稳定性、高化学稳定性(耐强酸、强碱、强氧化剂)、憎水和憎油，常用合成水成膜泡沫灭火剂，具有极强的持久性，能够保证灭火剂在诸多环境中具有高的稳定性；但是这种氟碳表面活性剂的降解性能极差，是比较难以分解的有机污染物；为实现绿色可持续发展并履行对全球环境安全保护做出的庄严承诺，我国对于已列入持久性有机污染物名录的全氟辛基磺酸及其盐类产品、全氟辛基磺酰氟产品(PFOS类产品)已经逐渐加大管控；而作为消防行业的从业者，应按照相关产业环保要求，在加强管理及风险防范的同时，着手开展替代技术研究，逐步淘汰此类产品在灭火剂中的使用，尽可能降低产品对环境造成污染。值得注意的是，目前国内外环保型泡沫灭火剂多以短链氟碳表面活性剂或支链氟碳表面活性剂为主，由这两种表面活性剂制备而成的泡沫灭火剂虽能在一定程度上降低对环境的破坏作用，但由于氟元素的存在，仍无法从根本上解决其生态环保问题。因此，有必要开展无氟泡沫灭火剂研究。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种环境友好型泡沫灭火剂及其制备方法，具有较低的表面张力，产生的泡沫热稳定性优异，在保证提高环境友好性的同时是实现高效快速灭火救援。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种环境友好型泡沫灭火剂，按质量比计，包括如下组分：
其中，磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂的结构式如下：
n＝2～8；
碳氢表面活性剂为α-烯烃磺酸钠。
优选的，所述磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂的制备方法具体包括以下步骤：
X1、分别称取1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷、端环氧基烯丙基聚醚溶于异丙醇混合均匀，在氮气气氛下，加热至80～100℃，加入铂催化剂，继续反应3～6h，反应结束后减压蒸馏除去异丙醇，得到产物端环氧基聚醚改性硅氧烷，1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷和端环氧基烯丙基聚醚的摩尔比为1：1.08；
X2、称取二乙醇胺于异丙醇中混合均匀，加热至100～120℃后，加入端环氧基聚醚改性硅氧烷，继续反应6～7h，反应结束后减压蒸馏除去异丙醇，得到产物聚醚醇胺改性硅油，所述端环氧基聚醚改性硅氧烷和二乙醇胺的摩尔比为1：1.05；
X3、称取磷酸二氢钠于去离子水中混合均匀，加热至70～100℃后，加入环氧氯丙烷，继续反应8～10h，得到产物2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠，所述磷酸二氢钠和环氧氯丙烷的摩尔比为1.5：1；
X4、将溶于异丙醇的聚醚醇胺改性硅油缓慢加入2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠中，加热至70～100℃并反应4～7h，反应结束后减压蒸馏除去异丙醇和水，利用无水乙醇进行萃取提纯处理，通过减压蒸馏去除无水乙醇，得到棕黄色粘稠液体，即为磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂，所述聚醚醇胺改性硅油和2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠的摩尔比为1.3：1。
优选的，所述磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂和碳氢表面活性剂的质量比为1：1～10；更优选的质量比为1：1～4；最优选的质量比为1：1～2。
优选的，所述的稳泡剂为黄原胶、明胶中的一种或多种。
优选的，所述的抗冻剂为乙二醇、丙三醇中的一种或多种。
优选的，所述的助溶剂为尿素、甘油和二乙二醇丁醚中的一种或多种。
本发明还提供了上述环境友好型泡沫灭火剂的制备方法，按设定质量比，先将磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、碳氢表面活性剂和水充分搅拌混合均匀，得到混合液一；再往混合液一中加入抗冻剂，充分搅拌混合均匀，得到混合液二；最后往混合液二中加入稳泡剂和助溶剂，充分搅拌混合均匀，静置即可。
与现有泡沫灭火剂相比，本发明的优势在于：
(1)本发明的环境友好型泡沫灭火剂产品具有较低的表面张力，产生的泡沫热稳定性优异，能快速在可燃物表面铺展蔓延，有效抑制可燃热解气的挥发和热量的传递，灭火效率高，符合GB 15308-2006《泡沫灭火剂》规范要求，可广泛应用于实验室、化工企业、油田、油库、炼油厂等场合。
(2)本发明的环境友好型泡沫灭火剂产品具有较高的环保性，与其他含氟泡沫灭火剂相比，所有原料无毒无刺激，且未加入PFOS等化学试剂，不具有生物累积性，不会对环境和人们生命安全造成有害影响。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的实质，下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明，但不能视为对本发明的限制，以下所述仅用于解释本发明，对于不偏离本发明精神和原则所做的修改、替换或改进，均属于本发明要求保护的范围。
磷酸酯甜菜碱表面活性剂、磺酸盐甜菜碱表面活性剂、α-烯烃磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵及其复配体系在临界胶束浓度下的表面张力和起泡高度如表1所示，从表1中可以发现，当本发明采用特定的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂和α-烯烃磺酸钠进行复配时，在保持低表面张力的同时，还能明显改善起泡高度，说明两者存在着协同增效作用。而将磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂替换为磺酸盐甜菜碱有机硅表面活性剂时，虽然表面张力仍能保持较低水平，但是起泡高度明显降低；将α-烯烃磺酸钠替换为十六烷基三甲基溴化铵时，不仅表面张力上升，起泡高度也明显不如本发明的组合体系。
表1不同体系在临界胶束浓度下的表面张力和起泡高度
实施例1
一种环境友好型泡沫灭火剂，包括质量百分比含量为0.08wt％的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、0.08wt％的α-烯烃磺酸钠、0.02wt％黄原胶、0.13wt％的明胶、3wt％的乙二醇、3wt％尿素和1wt％的二乙二醇丁醚，并补充去离子水至100wt％。
制备上述环境友好型泡沫灭火剂时，先按质量百分比配比加入磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、α-烯烃磺酸钠和水，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液一；随后在混合液一中加入乙二醇，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液二；最后加入黄原胶、明胶、尿素和二乙二醇丁醚，充分搅拌1h使体系混合均匀，静置得到环境友好型泡沫灭火剂。
本实施例中，所述磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂的制备方法包括以下步骤：
X1、分别称取摩尔比为1：1.08的1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷、端环氧基烯丙基聚醚，加入异丙醇混合均匀，在氮气气氛下，加热至80℃，滴加2滴铂催化剂，继续反应加热反应4h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到端环氧基聚醚改性硅氧烷；
X2、分别称取摩尔比为1：1.05的端环氧基聚醚改性硅氧烷和二乙醇胺，先将二乙醇胺溶于异丙醇并混合均匀，加热至120℃后利用恒压滴液漏斗缓慢滴加端环氧基聚醚改性硅氧烷，继续反应6.5h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到聚醚醇胺改性硅油；
X3、分别称取摩尔比为1.5：1的磷酸二氢钠和环氧氯丙烷，先将磷酸二氢钠溶于去离子水中并混合均匀，加热至85℃，利用恒压滴液漏斗缓慢滴加环氧氯丙烷，滴加时间不应超过30min，继续反应7.5h，得到2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠。
X4、分别称取摩尔比为1.3：1的聚醚醇胺改性硅油和2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠，将聚醚醇胺改性硅油溶于异丙醇中并缓慢滴加入2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠中，加热至80℃反应5h。反应结束后减压蒸馏除去溶剂和水，利用无水乙醇进行萃取提纯处理，通过减压蒸馏去除无水乙醇，得到磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂。
实施例2
一种环境友好型泡沫灭火剂，包括质量百分比含量为0.08wt％的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、0.8wt％的α-烯烃磺酸钠、0.05wt％的黄原胶、3wt％的乙二醇、3wt％尿素和1wt％的二乙二醇丁醚，并补充去离子水至100wt％。
制备上述环境友好型泡沫灭火剂时，先按质量百分比配比加入磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、α-烯烃磺酸钠和水，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液一；随后按质量百分比配比在混合液一中加入乙二醇，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液二；最后按质量百分比配比加入黄原胶、尿素和二乙二醇丁醚，充分搅拌1h使体系混合均匀，静置得到环境友好型泡沫灭火剂。
本实施例中，所述磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂的制备方法包括以下步骤：
X1、分别称取摩尔比为1：1.08的1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷、端环氧基烯丙基聚醚，加入异丙醇混合均匀，在氮气气氛下，加热至100℃，滴加2滴铂催化剂，继续反应加热反应3h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到端环氧基聚醚改性硅氧烷；
X2、分别称取摩尔比为1：1.05的端环氧基聚醚改性硅氧烷和二乙醇胺，先将二乙醇胺溶于异丙醇并混合均匀，加热至120℃后利用恒压滴液漏斗缓慢滴加端环氧基聚醚改性硅氧烷，继续反应6h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到聚醚醇胺改性硅油；
X3、分别称取摩尔比为1.5：1的磷酸二氢钠和环氧氯丙烷，先将磷酸二氢钠溶于去离子水中并混合均匀，加热至100℃，利用恒压滴液漏斗缓慢滴加环氧氯丙烷，滴加时间不应超过30min，继续反应6h，得到2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠。
X4、分别称取摩尔比为1.3：1的聚醚醇胺改性硅油和2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠，将聚醚醇胺改性硅油溶于异丙醇中并缓慢滴加入2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠中，加热至100℃反应8h。反应结束后减压蒸馏除去溶剂和水，利用无水乙醇进行萃取提纯处理，通过减压蒸馏去除无水乙醇，得到磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂。
实施例3
一种环境友好型泡沫灭火剂，包括质量百分比含量为0.08wt％的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、0.32wt％的α-烯烃磺酸钠、0.15wt％的明胶、3wt％的乙二醇、3wt％尿素和1wt％的二乙二醇丁醚，并补充去离子水至100wt％。
制备上述环境友好型泡沫灭火剂时，先按质量百分比配比加入磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、α-烯烃磺酸钠和水，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液一；随后在混合液一中加入乙二醇，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液二；最后加入明胶、尿素和二乙二醇丁醚，充分搅拌1h使体系混合均匀，静置得到环境友好型泡沫灭火剂。
本实施例中，所述磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂的制备方法包括以下步骤：
X1、分别称取摩尔比为1：1.08的1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷、端环氧基烯丙基聚醚，加入异丙醇混合均匀，在氮气气氛下，加热至80℃，滴加2滴铂催化剂，继续反应加热反应6h。反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到端环氧基聚醚改性硅氧烷；
X2、分别称取摩尔比为1：1.05的端环氧基聚醚改性硅氧烷和二乙醇胺，先将二乙醇胺溶于异丙醇并混合均匀，加热至100℃后利用恒压滴液漏斗缓慢滴加端环氧基聚醚改性硅氧烷，继续反应9h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到聚醚醇胺改性硅油；
X3、分别称取摩尔比为1.5：1的磷酸二氢钠和环氧氯丙烷，先将磷酸二氢钠溶于去离子水中并混合均匀，加热至70℃，利用恒压滴液漏斗缓慢滴加环氧氯丙烷，滴加时间不应超过30min，继续反应10h，得到2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠；
X4、分别称取摩尔比为1.3：1的聚醚醇胺改性硅油和2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠，将聚醚醇胺改性硅油溶于异丙醇中并缓慢滴加入2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠中，加热至70℃反应7h。反应结束后减压蒸馏除去溶剂和水，利用无水乙醇进行萃取提纯处理，通过减压蒸馏去除无水乙醇，得到磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂。
实施例4
一种环境友好型泡沫灭火剂，包括质量百分比含量为0.08wt％的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、0.16wt％的α-烯烃磺酸钠、0.02wt％的黄原胶、0.13wt％的明胶、3wt％的乙二醇、3wt％尿素和1wt％的二乙二醇丁醚，并补充去离子水至100wt％。
制备上述环境友好型泡沫灭火剂时，先按质量百分比配比加入磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、α-烯烃磺酸钠和水，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液一；随后在混合液一中加入乙二醇，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液二；最后加入黄原胶、明胶、尿素和二乙二醇丁醚，充分搅拌1h使体系混合均匀，静置得到环境友好型泡沫灭火剂。
本实施例中，所述磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂的制备方法包括以下步骤：
X1、分别称取摩尔比为1：1.08的1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷、端环氧基烯丙基聚醚，加入异丙醇混合均匀，在氮气气氛下，加热至90℃，滴加2滴铂催化剂，继续反应加热反应5h。反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到端环氧基聚醚改性硅氧烷；
X2、分别称取摩尔比为1：1.05的端环氧基聚醚改性硅氧烷和二乙醇胺，先将二乙醇胺溶于异丙醇并混合均匀，加热至110℃后利用恒压滴液漏斗缓慢滴加端环氧基聚醚改性硅氧烷，继续反应8h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到聚醚醇胺改性硅油；
X3、分别称取摩尔比为1.5：1的磷酸二氢钠和环氧氯丙烷，先将磷酸二氢钠溶于去离子水中并混合均匀，加热至80℃，利用恒压滴液漏斗缓慢滴加环氧氯丙烷，滴加时间不应超过30min，继续反应9h，得到2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠；
X4、分别称取摩尔比为1.3：1的聚醚醇胺改性硅油和2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠，将聚醚醇胺改性硅油溶于异丙醇中并缓慢滴加入2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠中，加热至80℃反应6h。反应结束后减压蒸馏除去溶剂和水，利用无水乙醇进行萃取提纯处理，通过减压蒸馏去除无水乙醇，得到磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂。
对比例1
同实施例1相比，区别仅在于包括质量百分比含量为0.16wt％的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂和0wt％的α-烯烃磺酸钠。
对比例2
同实施例1相比，区别仅在于包括质量百分比含量为0wt％的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂和0.16wt％的α-烯烃磺酸钠。
对比例3
同实施例1相比，区别仅在于包括质量百分比含量为0.08wt％的特定的磺酸盐甜菜碱有机硅表面活性剂。本对比例中，所述磺酸盐甜菜碱有机硅表面活性剂的结构式如下：
n＝2～8；
所述的磺酸盐甜菜碱有机硅表面活性剂具体包括以下步骤：
X1、分别称取摩尔比为1：1.08的1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷、端环氧基烯丙基聚醚，加入异丙醇混合均匀，在氮气气氛下，加热至80℃，滴加2滴铂催化剂，继续加热反应4h。反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到端环氧基聚醚改性硅氧烷；
X2、分别称取摩尔比为1：6.93的亚硫酸氢钠和去离子水并混合均匀，加热至85℃后利用恒压滴液漏斗缓慢滴加环氧氯丙烷(环氧氯丙烷和亚硫酸氢钠的摩尔比为1：1.15)，继续反应1.5h。用冰水浴冷却后，真空抽滤得到固体物质置于烘箱中烘干后得到白色粉状固体，并用去离子水重结晶得到3-氯-2-羟基丙磺酸钠；
X3、分别称取摩尔比为1：1.3的端环氧基聚醚改性硅氧烷和3-氯-2-羟基丙磺酸钠溶于异丙醇中并混合均匀，加热至60℃，滴加2滴碘化钾催化剂，继续反应12h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到磺酸盐甜菜碱有机硅表面活性剂。
对比例4
同实施例1相比，区别仅在于包括质量百分比含量为0.08wt％的十六烷基三甲基溴化铵。
对比例5
本对比例的泡沫灭火剂与实施例1相比，不同之处在于采用商用的扬州江亚消防药剂股份有限公司津都6％蛋白泡沫灭火剂。
根据GB 15308-2006《泡沫灭火剂》进行泡沫灭火剂强释放灭火性能试验，上述例子的理化性能和灭火性能如表2所示：
表2不同泡沫灭火剂的理化性能和灭火性能
Claims (1)
1.一种环境友好型泡沫灭火剂，其特征在于：包括质量百分比含量为0.08wt%的磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、0.08wt%的α-烯烃磺酸钠、0.02wt%黄原胶、0.13wt%的明胶、3wt%的乙二醇、3wt%尿素和1wt%的二乙二醇丁醚，并补充去离子水至100wt%；
制备上述环境友好型泡沫灭火剂时，先按质量百分比配比加入磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂、α-烯烃磺酸钠和水，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液一；随后在混合液一中加入乙二醇，充分搅拌使体系混合均匀，得到混合液二；最后加入黄原胶、明胶、尿素和二乙二醇丁醚，充分搅拌1 h使体系混合均匀，静置得到环境友好型泡沫灭火剂；
所述磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂的制备方法包括以下步骤：
X1、分别称取摩尔比为1：1.08的1,1,1,3,5,5,5,-七甲基三硅氧烷、端环氧基烯丙基聚醚，加入异丙醇混合均匀，在氮气气氛下，加热至80℃，滴加2滴铂催化剂，继续反应加热反应4 h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到端环氧基聚醚改性硅氧烷；
X2、分别称取摩尔比为1：1.05的端环氧基聚醚改性硅氧烷和二乙醇胺，先将二乙醇胺溶于异丙醇并混合均匀，加热至120℃后利用恒压滴液漏斗缓慢滴加端环氧基聚醚改性硅氧烷，继续反应6.5 h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到聚醚醇胺改性硅油；
X3、分别称取摩尔比为1.5：1的磷酸二氢钠和环氧氯丙烷，先将磷酸二氢钠溶于去离子水中并混合均匀，加热至85℃，利用恒压滴液漏斗缓慢滴加环氧氯丙烷，滴加时间不应超过30 min，继续反应7.5 h，得到2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠；
X4、分别称取摩尔比为1.3：1的聚醚醇胺改性硅油和2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠，将聚醚醇胺改性硅油溶于异丙醇中并缓慢滴加入2-羟基-3-氯丙磷酸酯钠中，加热至80℃反应5h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂和水，利用无水乙醇进行萃取提纯处理，通过减压蒸馏去除无水乙醇，得到磷酸酯甜菜碱有机硅表面活性剂。
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