JP2008516695A - 煙除去および火災鎮静用の金属酸化物ナノ粒子 - Google Patents
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Abstract
Description
さらにまた別の態様において本発明は、物品の難燃性を改善する方法を提供し、これは物品にある量の難燃性ナノ結晶性粒子を塗布および/または組み込む工程から成る、または本質的にこの工程から成ることで構成される。
本実施例においては、紫外−可視分光法実験を実施し燃焼煙の吸着運動速度の測定および異なるナノ粒子金属酸化物粉の吸着選択性の調査をおこなった。これらの定性的な調査実験は円柱フラスコ付のアスピレータを用いて実施した。
本実施例においては、煙除去実験を小チャンバー内で異なる種類の煙を用いて実施し、煙消去の運動速度をNanoActiveTM素材を用いて判定した。
これらの実験は27x27x28インチの金属チャンバー内で実施した。規定濃度の劇場煙をチャンバー内に霧発生器を用いて導入した。次いでNanoActiveTM素材を80psiに加圧したキャニスターを用いてチャンバー内に搬送した。約30gの素材をキャニスター内に充填した。およそ5〜10gを搬送した。次いで時間経過に対する光の透過率を測定した。それから透過率の値をベースライン実験の透過率の値と比較した。
これらの実験は27x28.5x27インチの金属チャンバー内で実施した。規定濃度の紙燃焼による燃焼煙をチャンバー内に誘導し1.9%までの落下で低下させ、次いで劇場煙の場合と同様に加圧したキャニスターを用いてNanoActiveTM素材をチャンバー内に投入した。およそ5から10gを搬送した。次いで時間経過と共に透過率値を測定し、それからベースライン実験の透過率値と比較した。15%透過率速度(t*15速度)に基づきNanoActiveTM素材の順位付けをした。結果を表3に示す。
燃焼煙を削減する最良の素材はNanoActiveTM TiO2-07および NanoActiveTM MgO Plusであった。NanoActiveTM TiO2-07は10分後に煙を削減した(図2)。NanoActiveTM Plus MgOはおよそ12分後に煙を削減した(図3)。
これらの実験は燃焼煙の実験と同様にして実施された。規定濃度の噴霧ディーゼル油を劇場と同様の流儀で霧状油発生機を用いて導入した。透過率が約2.1%になるまで霧をチャンバー内へ導入し、次いでNanoActiveTM素材を加圧キャニスターを用いてチャンバー内に投入した。それぞれの実験で搬送された量を表4に示すが、これは素材の形態のせいで変動している。
今までの実験に基づくと、劇場煙、燃焼煙、およびディーゼル油霧に対して最良に作用した素材はNanoActiveTM TiO2-07およびNanoActiveTM Plus MgOであった。
上の実験はナノ粒子をチャンバー内に搬送するために加圧キャニスターを用いた一方で、流動層搬送システムを用いてナノ性粒子の凝集を壊しこれをチャンバー内に搬送することもできる。
本実施例では、寸法が0.61m x 0.61m x 1.22m(2 ft x 2 ft x 4 ft)のチャンバーを構築し選ばれた反応性ナノ粒子(「RNPs」)を試験するのに用いた。RNPおよび煙の粒径分布および質量濃度はカスケードインパクター(Thermo Electron社のモデルSE-298K)を用いて30から60秒間、2L/分の設計サンプリング流速で操作して測定した。サンプリングロスを最小にするため、インパクターはチャンバー内に設置した。このカスケードインパクターは粒子質量濃度を空気力学的直径で次の粒径範囲:<0.52、0.52から0.93、1.55から3.5、3.5から6.0、6.0から9.8、9.8から14.8、14.8から21.3、および>21.3μmで測定する。平均空気力学的幾何平均径(GMD)の範囲は4.2μm(NanoActiveTM MgOの場合)から18.1μm(NanoActiveTM TiO2の場合)であった。RNPsの初期粒度に比べて大きな空気力学的粒度はこれらのRNPsが凝集する傾向があることを示唆している。
粒子寸法の影響はジェットミル処理および「正規」のRNPsを比べても見ることができる;これらの素材は粒度を除いて反応性という見地からは同一である。一般に、「正規」のRNPに比べて空気力学的および物理的に小さいジェットミル処理したRNPsは、対応する「正規」のRNPsより効力が少なかった(図8)。
この実施例においては、分散したRNP量の影響を判定した。煙の削減はRNPsと煙粒子の衝突を伴う。この様な衝突はRNPの(数)濃度または分散した量に影響される。3種類の異なる量のNanoActiveTM TiO2-07を煙で満ちたチャンバー内に分散し不透明度の削減をモニターした。異なる量の素材の分散は、キャニスター内に異なる量(すなわち、5.0、10.0、および15.0g)のTiO2-07を充填し、全内容物を80psiの圧力でチャンバー内に排出することで達成した。実際に分散した素材の量は測定の結果それぞれ2.9、7.4、および11.5gであった。チャンバーの外側に位置する37mmフィルターサンプラーを用いて測定した対応する質量濃度は、それぞれ2.2、2.5、および2.4g/m3であった。予期した通り、TiO2-07分散量を増加することで煙の削減がより速くなる結果となった(図9)。重炭酸ナトリウムを用いた比較データも示しているが分散量が増加しても有効性がほとんど変わらないことを例証している。
この実施例においては、グリコール煙の除去に当たって選定した素材の有効性について分散する粒子の量の影響を判定した。実験は小スケールのチャンバー(2 ft x 2 ft x 4 ft)で実施しグリコール煙を除去するために分散したNanoActiveTM TiO2-07およびNaHCO3-FEの量の影響を判定した。実験はグリコール/水の溶液を加熱しその蒸気をオリフィスを通じて供給する煙発生機を用いた煙の発生、加圧キャニスターを用いた粒子のチャンバー内への導入、および透過率計による光透過率のモニタリングを伴った。
本実施例においては、NanoActiveTM素材の煙除去の有効性に対する質量濃度の影響を加圧円筒搬送システムを用いて試験した。加圧円筒を用いたのは加圧キャニスターに伴う素材の払い出しに関するある問題のためである。表7に示す様に、加圧キャニスターに素材が10g装填されて素材が完全に排出されたならチャンバー内の予定濃度は32g/m3であった。表7に載せたすべての素材の払い出しデータを比較すると、NanoActiveTM TiO2-07およびNanoActiveTM MgO Plusは24〜26g/m3の範囲でNanoActiveTM TiO2-12およびNanoActiveTM MgOは8〜10g/m3の間で搬送されていた。それぞれの素材の払い出しに大きな不一致があるため、既知量の素材がチャンバー内に分散することができる様に加圧円筒を用いることに決めた。チャンバー内に搬送された4種類の異なる粒径範囲(250〜425μm、180〜250μm、150〜180μm、125〜150μm)の顆粒状NanoActiveTM TiO2-12およびNanoActiveTM MgOの質量濃度についても表7に示してある。結果は同じ素材の粉末状に比べてより多くの量の顆粒状素材がチャンバー内に搬送されたことが示している。
本実施例においては煙除去に関する有効性について、小チャンバー内に搬送されているNanoActiveTM素材の空気力学的直径の影響を調べた。図12〜15に示す通り、NanoActiveTM TiO2-07およびNanoActiveTM MgO Plusは約3.5から15μmの範囲の大きめの粒径分布を持ち、NanoActiveTM TiO2-12は約0.9から3.5μmの範囲の小さめの粒径分布を持ち、NanoActiveTM MgOは小さいものは0.25μmから大きいものは21nmの範囲まで最も均一な粒径分布を持つ。NanoActiveTM TiO2-07およびNanoActiveTM TiO2-12の間の煙除去効率の相違は少なくとも部分的には粒径分布に大きな差があるためと理論づけられている。
この実施例においては、沈降速度および空気力学的直径の計算値の間の関連性を調べた。9種類のNanoActiveTM素材について粒径分布を粒径分析器(Scirocco 2000と連結したMastersizer 2000、両者ともMalvern Instruments社製)を用いて実験により入手した。全ての場合で乾燥粉末サンプルを空中に分散した。粒径分布は種々のNanoActiveTM素材の間で非常に異なった。
本実施例においては、NanoActiveTM TiO2-12およびNanoActiveTM MgOの顆粒について燃焼煙の削減に対する有効性を試験した。4種類の異なる粒径の顆粒:250〜425μm、180〜250μm、150〜180μm、および125〜150μmについて試験した。表7に実験用チャンバー内に分散した異なる量のそれぞれ顆粒化したNanoActiveTM素材を粉体のNanoActiveTM素材と比較してg/m3で示した。計算は0.32m3であるチャンバーの容積を基準に実施した。すべての顆粒寸法について搬送された両方のNanoActiveTM素材の質量はかなり安定していた。
本実施例においてはより高い濃度の、250>x>180μmの範囲のNanoActiveTM TiO2-12顆粒による煙除去効率に対する影響を調べた。燃焼煙の削減のために小スケールのチャンバー内に分散したNanoActiveTM TiO2-12顆粒(粒径250>x>180μm)の濃度による影響は、異なる量(15、20、25、および30g)の素材をキャニスター内に入れて異なる分散量を達成して検討した。チャンバー内の最終粒子濃度は分散した素材の量をチャンバーの容積で割ることにより計算した。図17にt*10およびt*20を濃度の関数として表示している。
本実施例においては、チャンバー内の燃焼煙を除去するNanoActiveTM素材を搬送する圧力の影響を調べた。およそ10gの選定したNanoActiveTM素材を充填したキャニスターを加圧し、チャンバーに搬送された質量および煙削減効率をt*値を介して測定することにより3種類の圧力(40、80、120psi)を試験した。表8にそれぞれのNanoActiveTM素材のチャンバー内に分散した異なる量をg/m3で示しているが、計算は0.32m3であるチャンバーの容積に基づいた。それぞれのNanoActiveTM素材のチャンバー内搬送量のバラツキは主として素材により、そして程度は少ないが搬送圧力による。
40psiの搬送圧力においては検討した3種類すべての素材が燃焼煙を削減した。一方他の2種類の圧力(80および120psi)では、NanoActiveTM TiO2-12およびNanoActiveTM MgO Plusは煙を削減せずむしろ不明瞭さを創り出した。NanoActiveTM TiO2-07の煙削減能力はNanoActiveTM TiO2-12およびNanoActiveTM MgO Plus程には搬送圧力に影響されなかった。
本実施例においては、チャンバー内の燃焼煙を除去するためのNanoActiveTM素材搬送に加圧用ガスを用いる影響について調べた。およそ10gの選定したNanoActiveTM素材を充填したキャニスターに加圧し、チャンバーに搬送された質量および煙削減効率をt*.を介して測定することにより3種類のガス(N2、He、および Ar)について検討した。表9にチャンバー内に分散されたそれぞれのNanoActiveTM素材の異なる量をg/m3に換算して表示しているが、計算はチャンバーの容積、つまり0.32m3に基づいている。それぞれのNanoActiveTM素材のチャンバー内搬送量のバラツキは主として素材によるものであるが、程度は少ないが、搬送ガスにもよる。
窒素ガスを用いた場合には検討した3種類すべての素材が燃焼煙を削減した。アルゴンを用いた場合にはNanoActiveTM TiO2-12は煙を削減せずむしろ不明瞭さを創り出した。全体として、NanoActiveTM TiO2-07およびNanoActiveTM MgO Plusの煙削減能力はNanoActiveTM TiO2-12程には搬送ガスにより影響されなかった。
本実施例においては、幾つかの素材の煙除去の有効性を部屋スケールのチャンバーを用いて試験した。寸法が8ftx 8ft x 12ftの部屋スケールのチャンバーを構築し種々の粒子測定器(すなわち、8段階カスケートインパクター、透過率計、光ファイバースペクトロメーター、テーパーエレメント振動微量天秤、光学式パーティクルカウンター、重量式フィルターサンプラー、および粒子析出板)を装備した。先ず実験の実施要項を明らかにし部屋スケールチャンバーの予備的検討を実施した。実験は次のステップを伴った:(a)グリコール/水の溶液および/またはディーゼル油を加熱しオリフィスを通して供給する煙発生機を用いてグリコールまたはディーゼル霧油の煙をチャンバー内に誘導し;(b)100%の不透明度または光透過率0%が達成され次第、粒子をチャンバー内に加圧キャニスターを用いて分散し;そして(c)光透過率および微粒子の質量濃度をモニターする。以下の計器を使用した:(a)部屋スケールチャンバー(経路長さ12ft)を通過する可視光の透過率を測定する透過率計、(b)空中浮遊微粒子の質量濃度を測定するフィルターサンプラー、および(c)リアルタイムで空中浮遊微粒子の質量濃度を測定するテーパーエレメント振動微量天秤(TEOM)。小スケールチャンバーによる検討と同様に、素材の煙除去有効性はt*10およびt*20に換算して表現した。
本実施例においては、除去する煙のタイプによる影響を調べた。グリコール煙と同様の実施要項にしたがい、部屋スケールチャンバー内のディーゼル霧を除去するためのNanoActiveTM MgO Plusの有効性を評価する実験を実施した。2種類の量のNanoActiveTM MgO Plus(すなわち、22.9gおよび48.0g)をディーゼル煙で満ちたチャンバー内に分散しチャンバーを通過する光透過率の変化を透過率計を用いてモニターした。NanoActiveTM MgO Plusはまたディーゼル/霧−油煙を除去する上でも有効であった(表10)。しかしながら、ディーゼル/霧−油煙ではグリコール煙に比べて同レベルの煙除去の有効性を達成するためにはより多くの量のNanoActiveTM MgO Plusを必要とすることを示唆している。これはディーゼル/霧−油煙の粒子がグリコール煙の粒子に比べて小さいためであるかも知れない。8段階カスケードインパクターによる煙粒子の粒径分布の測定ではディーゼル/霧−油煙の幾何平均径は1μm未満であったが一方グリコール煙はおよそ2.5μmであった。
本実施例においては、煙除去の有効性に対する粒径の影響を調べた。NanoActiveTM MgO PlusおよびNaHCO3-FEのバルクサンプルを篩い分けして、目開き25μmの篩を通過したもの(<25μm)、および53−μm篩を通過し25−μm篩で捉えられたもの(25〜53μm)との2つの寸法範囲に寸法分別した。それぞれの粒径範囲のサンプルを80psiまで加圧したキャニスターを用いて煙が充満したチャンバー内に分散し、対応する煙除去の有効性を透過率計を用いてモニターした。
本実施例においては、グリコール煙の除去において選定した素材の有効性に対する搬送方法の影響を調べた。消火器装置(または加圧キャニスター)を別の瞬間散方法である加圧円筒と同じ80psiの圧力で比較した。図22に2つの分散方法をNanoActiveTM MgO plusについて除去の有効性(t*10)に基づいて比較している。NanoActiveTM MgO plusは加圧キャニスターの方で加圧円筒よりも良好に作動する傾向がある。
本実施例においては、顆粒状NanoActiveTM-G TiO2-12(-60,+80メッシュ;250>x>180μm)およびNanoActiveTM TiO2-12粉体を用いて部屋スケールチャンバー内のグリコール煙除去に対する有効性を調べた。NanoActiveTM-G TiO2-12の顆粒(寸法180〜250マイクロメートル)について質量濃度を変えて3回繰り返して実施した。粉体は40gの量から始め2回繰り返して実施した。質量濃度は小スケールチャンバーでおこなったのと同じ様にして計算した。図23はt*10およびt*20を濃度の関数として示している。顆粒の方が概して粉体素材より良好な有効性を示している。
本実施例においては、部屋スケールチャンバーを用いて先に試験した素材の不明瞭さの程度を評価した。異なるNanoActiveTM素材(すなわち、MgO plus、MgO、TiO2-12、TiO2-07、MgO Plus顆粒)および他の素材(すなわち、NaHCO3-FE, Ca(OH)2)が提供する電磁スペクトルの可視領域範囲内の不明瞭さの程度を評価した。それぞれの素材を部屋スケールチャンバー内に加圧キャニスターを80psiで用いて分散した。チャンバー内の不明瞭さの程度は透過率計を用いてモニターした。空中浮遊微粒子質量濃度も重量測定フィルターサンプラーで測定した。結果は検討した量について、量および素材のタイプによってはNanoActiveTM粒子および他の素材も可視領域でいくらか不明瞭さをもたらすことを示した。しかしながら、検討した素材の何れもグリコール煙またはディーゼル霧ほど多くの不明瞭さはもたらさなかった(図24)。
本実施例においては、NanoActiveTM TiO2 と NanoActiveTM MgOの混合物(NanoScale Materials社からFAST ACTTMとして入手可能)によるHFおよびHCN(火災により発生する2種類のよくある有害物質)の吸着に対する有効性を調べた。およそ50gのナノ結晶性物質をHCNに曝し、続いて分析してナノ結晶性物質によるHCNの吸着を示すHCNの分解物の存在の判定をおこなった。HCNに曝した後、ナノ結晶性物質を溶媒抽出およびGC-MS分析試験にかけた。このデータはナノ結晶性物質がHCNをOCN中間体に酸化しこれがさらに加水分解されて副産物になり室温でナノ結晶性物質により安定化されることを明らかにする。HCNに特有の特徴的な分解生成物はN,N−ビス−ヒドロキシメチルホルムアミド(メタノール抽出で目に見える)であった。
本実施例においては、実施例20で用いたナノ結晶性混合物の有効性を無水アンモニア、塩素、酸化エチレン、塩化水素、二酸化窒素、および亜硫酸ガスの様な火災により形成し放出される蒸気災害の除去に対する有効性について試験した。ガスの吸着はFT-IR分光法および重量測定法により判定した。塩素は対称分子であるため、IR分光法を採用することはできなかった。したがって、吸着された塩素の量は塩素ガスに曝したナノ結晶性物質の重量増加に基づいて計算した。
2分および10分で除去された危険物質のパーセントを表12に示す。
Claims (42)
- 煙被害領域から煙を取り除く方法で、前記煙被害領域に少なくとも煙の一部を吸収するためにある量のナノ結晶性粒子を分散することを含む、煙を取り除く方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が金属酸化物、金属水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩、リン、無機リン化合物、ホウ素化合物、アンチモン化合物、モリブデン化合物、チタン化合物、ジルコニウム化合物、亜鉛化合物、スルファミン酸塩、硫酸塩、臭素化合物、塩素化合物、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子がMg、Sr、Ba、Ca、Ti、Zr、Fe、V、Mn、Ni、Cu、Al、Si、Zn、Ag、Mo、Sb、およびこれらの混合物の金属酸化物ならびに金属水酸化物から成る群から選択される、請求項2に記載の方法。
- 前記方法が前記領域の不透明度を15%減少させる時間が、前記方法を実施しなかった場合に同様の不透明度の減少を達成するであろう時間の約80%未満となる、請求項1に記載の方法。
- 前記煙被害領域の少なくとも一部の不透明度が前記ナノ結晶性粒子を分散する前には少なくとも約95%である、請求項1に記載の方法。
- 前記分散工程が前記領域内に前記ナノ結晶性粒子を少なくとも約0.1g/m3分散することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記分散工程が前記ナノ結晶性粒子を加圧容器から前記領域内に噴霧することから構成される、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が約20〜3000psiの間の圧力で分散される、請求項7に記載の方法。
- 前記容器が搬送ガスで加圧されている、請求項7に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の空気力学的幾何平均径(GMD)が約1〜30μmの間にある、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の沈降速度が約0.001〜5cm/秒の間にある、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の形状が粉末および/または顆粒状である、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の微結晶粒度が約25nm未満で表面積が少なくとも約15m2/gである、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が非加圧の容器から手動で分散される、請求項1に記載の方法。
- 火災により形成された有害物質を領域から除去する方法で、前記火災により形成された少なくとも1種類の有害物質を吸着するためにある量のナノ結晶性粒子を前記領域に分散することを含む、火災により形成された有害物質を領域から除去する方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が金属酸化物、金属水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩、リン、無機リン化合物、ホウ素化合物、アンチモン化合物、モリブデン化合物、チタン化合物、ジルコニウム化合物、亜鉛化合物、スルファミン酸塩、硫酸塩、臭素化合物、塩素化合物、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項15に記載の方法。
- 前記分散工程が少なくとも約0.1g/m3の前記ナノ結晶性粒子を前記領域の少なくとも一部に分散することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記分散工程が加圧した容器から前記ナノ結晶性粒子を前記領域に噴霧することで構成される、請求項15に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が約20〜3000psiの間の圧力で分散される、請求項18に記載の方法。
- 前記容器が搬送ガスで加圧されている、請求項18に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の空気力学的幾何平均径(GMD)が約1〜30μmの間にある、請求項15に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の沈降速度が約0.001〜5cm/秒の間にある、請求項15に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の形状が粉体および/または顆粒状である、請求項15に記載の方法。
- 前記有害物質が、前記火災により形成された煙と混合している、請求項15に記載の方法。
- 前記有害物質がアクロレイン、トルエンジイソシアネート、ホルムアルデヒド、イソシアネート類、HCN、CO、NO、HF、HCl、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項15に記載の方法。
- 火災を鎮静する方法で、ある量のナノ結晶性粒子を火災に向けて使用する手順を含む、火災を鎮静する方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が金属酸化物、金属水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩、リン、無機リン化合物、ホウ素化合物、アンチモン化合物、モリブデン化合物、チタン化合物、ジルコニウム化合物、亜鉛化合物、スルファミン酸塩、硫酸塩、臭素化合物、塩素化合物、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項26に記載の方法。
- 前記使用手順が前記ナノ結晶性粒子を前記火災に加圧容器から噴霧することで構成される、請求項26に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が前記加圧容器から約20〜3000psiの間の圧力で投入されることを含む、請求項28に記載の方法。
- 前記容器が搬送ガスで加圧される、請求項28に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の空気力学的幾何平均径(GMD)が約1〜30μmの間にある、請求項26に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の沈降速度が約0.001〜5cm/秒の間にある、請求項26に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の形状が粉体および/または顆粒状である、請求項26に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が非加圧の容器から手動で分散される、請求項26に記載の方法。
- 物品の難燃性を向上させる方法で、前記物品にある量の難燃性ナノ結晶性粒子を塗布および/または組み込むことを含む、物品の難燃性を向上させる方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が金属酸化物、金属水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩、リン、無機リン化合物、ホウ素化合物、アンチモン化合物、モリブデン化合物、チタン化合物、ジルコニウム化合物、亜鉛化合物、スルファミン酸塩、硫酸塩、臭素化合物、塩素化合物、およびこれらの混合物から成る群から選択されている、請求項35に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性物質が物品内にその製造過程で組み込まれる、請求項35に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性物質が前記物品に完成後に塗布される、請求項35に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性物質が前記物品の少なくとも外表面の一部に塗布される、請求項35に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子の微結晶粒度が約25nm未満で表面積が少なくとも約15m2/gである、請求項35に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が物品全体の重量の約0.01〜25%を構成する、請求項35に記載の方法。
- 前記ナノ結晶性粒子が前記物品に加圧容器からスプレーにより塗布される、請求項35に記載の方法。
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