水系滅火劑的研究與發(fā)展
【摘要】綜述了國(guó)內(nèi)外水系滅火劑的研究現(xiàn)狀，并討論了水系滅火劑研究的發(fā)展方向。
火災(zāi)是人類(lèi)的大敵。無(wú)論地面火災(zāi)還是井下火災(zāi)不僅造成了大量的人員傷亡，還造成了財(cái)產(chǎn)和自然資源的重大損失。據(jù)原勞動(dòng)部統(tǒng)計(jì)，1994年全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)（不含森林、草原、軍隊(duì)的火災(zāi)）4萬(wàn)起，死亡2748人，直接財(cái)產(chǎn)損失12.4億元。1995年3.8萬(wàn)起，死亡2232人，傷3370人，直接財(cái)產(chǎn)損失10.8億元。如何快速有效地?fù)錅缁馂?zāi)，最大限度地減少損失，一直是具有重要意義的研究課題。目前，滅火劑主要有水、泡沫、干粉、鹵代烷、二氧化碳、氮?dú)庖约耙恍┚哂刑厥庥猛镜臏缁饎?，如用于撲滅輕金屬火災(zāi)的7501滅火劑等。其中水是最常用的滅火劑。廣泛用于撲來(lái)建筑、森林、草原和井下火災(zāi)。但水的流動(dòng)性很強(qiáng)，大部分水常常未發(fā)揮作用就流失了，其利用率很低。例如，在撲滅森林火災(zāi)時(shí)，水噴灑到枝葉上時(shí)，大部分水很快滴到地面，起不到滅火作用。當(dāng)水源較遠(yuǎn)時(shí)，付出很高的代價(jià)運(yùn)來(lái)水，又未充分發(fā)揮作用，延誤了滅火時(shí)間。又如撲滅建筑火災(zāi)時(shí)，流失水順樓梯或縫隙向下層流動(dòng) 動(dòng)，不但失去滅火作用，而且對(duì)未著火的下層區(qū)域造成二次損失。再如在撲滅煤巷冒高浮煤自燃時(shí)，通過(guò)鉆孔向燃燒區(qū)域注水，大部分水通過(guò)裂隙流到巷道，不但影響作業(yè)環(huán)境，而且由于水流沖刷，在煤體中形成更加連貫的孔隙，更有利于空氣的侵入，滅火后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，仍可能再次自燃。提高水的滅火性能，減少水的流失，是目前國(guó)內(nèi)外火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。
1 水系滅火劑研究現(xiàn)狀
為了提高水的滅火性能，減少水的流失，人們進(jìn)行了大量的研究工作。例如采用物理方法改變水的噴灑狀態(tài)，利用水霧滅火；采用化學(xué)方法，通過(guò)在水中加入少量添加劑，改變水的物理化學(xué)性質(zhì)，提高水在物體表面的粘附性，提高水的利用率，加快滅火速度。
1.1 水霧滅火劑
高壓水通過(guò)直噴式或離心式噴嘴形成水霧。當(dāng)水滴進(jìn)入火焰區(qū)后，水份蒸發(fā)吸收大量熱量，使火焰溫度降低。同時(shí)蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽，降低了火焰區(qū)氧氣的濃度。部分穿過(guò)火焰區(qū)的大水滴，到達(dá)燃燒物表面，降低了表面溫度從而達(dá)到滅火效果。水霧還可用于撲滅電器、通訊機(jī)房、計(jì)算機(jī)房、醫(yī)院等重要場(chǎng)所火災(zāi)，也可替代鹵代烷滅火劑。
水霧若以水幕狀噴出，還可用來(lái)遮擋火焰產(chǎn)生的紅外輻射，防止火災(zāi)的蔓延。Coppalle研究了水幕對(duì)紅外線的散射及吸收現(xiàn)象，并研究了水滴直徑對(duì)水幕防紅外輻射能力的影響。
1.2 含添加劑水系滅火劑
在水中加入添加劑，改變水的物理化學(xué)性質(zhì)，可提高滅火效果。添加劑可分為以下幾類(lèi)：（1）吸水性顆粒；（2）表面活性劑；（3）增稠劑。增稠劑又可分為無(wú)機(jī)增稠劑（如水玻璃、無(wú)定形SiO2等）和有機(jī)增稠劑（如水溶性高聚物）。
（1）在水中加入吸水性顆粒添加劑。吸水性顆粒吸水并膨脹，從而使一部分水保持在顆粒中，一部分水仍成游離狀態(tài)。當(dāng)噴灑到物體表面后，部分游離水會(huì)流失，而吸水性顆粒則會(huì)停留在物體表面，形成覆蓋層，增強(qiáng)滅火效果，減少水的流失量。
中川清一、伏見(jiàn)誠(chéng)一（日本專(zhuān)利JP62/44271、JP01/94872）使用IM-300和IM-1000（一種丙稀酸與演粉共聚物顆粒）作為添加劑。該添加劑具有吸水膨脹性能，吸水倍數(shù)達(dá)1000倍。在撲滅模擬木材火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，使用1.0升，10秒鐘內(nèi)即可滅火；而使用水滅火時(shí)，需18升水，滅火時(shí)間達(dá)3分鐘。將該滅火劑涂于木板表面，將木板面距火焰10cm處烘烤，在3分鐘內(nèi)不會(huì)燃燒。鎮(zhèn)目龍平（日本專(zhuān)利JP03/292969）使用大阪有機(jī)化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的高吸水聚合物顆粒，平均粒度70～150微火，吸水率70～200倍，耐熱溫度150～200℃。他指出，由于大部分水被聚合物顆粒吸收，可有效地防止水的流失對(duì)財(cái)產(chǎn)和環(huán)境的二次破壞。
Von Bluecher（美國(guó)專(zhuān)利US4978460）在水中加入強(qiáng)吸水膨脹高分子聚合物顆粒添加劑，即丙烯酸或甲基丙烯酸鹽共聚物，加入水中后吸水膨脹，但不溶于水。在水中按0.4%加入該添加劑，即可制成滅火劑，其中吸水顆粒的含水量占總水量的50%以上。粘度小于100mPa·S，滅火時(shí)間和滅火用水量可減少30～35%，水的流失可減少85%。為了防止高吸水顆粒在加入水中時(shí)膠結(jié)成塊，影響其在水中的分散速度，可在高吸水顆粒中摻入聚乙烯醇300或400或磷酸二銨作隔離劑。隔離劑在吸水性顆粒之間形成屏障。由于隔離劑具有良好的水溶性，從而防止吸水性顆粒的膠結(jié)，加快其分散、吸水、膨脹速度。
（2）在水中加入表面活性劑可降低水的表面張力，提高水在憎水性物體（如塑料）表面的粘附性，從而提高滅火效果。
Takahashi利用普通水（Plain Water）和濕潤(rùn)性水（Wet Water）對(duì)10種普通塑料和3種泡沫塑料進(jìn)行了來(lái)火試驗(yàn)。所謂濕潤(rùn)性水就是在水中加入表面活性劑。試驗(yàn)表明，濕潤(rùn)性水在大部分塑料表面的粘附量是普通水的兩倍以上。用濕潤(rùn)性水滅火可減少滅火時(shí)間30～50%。他還研究了表面活性劑濃度與滅火時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著表面活性劑濃度增加，滅火時(shí)間不再減少。該濃度值大約是表面活性劑臨界膠束濃度（CMC）的10倍。
（3）在水中加入增稠性添加劑，制成粘性水滅火劑，可使水的粘度增加，顯著提高水在物體表面的粘附性能，在物體表面形成粘液覆蓋層，減少水的流失，提高滅火速度。
Gogolin將硅酸鈉凝膠溶液注入煤體，降低火區(qū)溫度，封堵煤中裂隙，防止漏風(fēng)，收到很好的滅火效果。
高云溪（中國(guó)專(zhuān)利CN88/103151）在水中加入水玻璃，配成20～40%的水溶液作為滅火劑。該滅火劑具有一定的粘度，能粘附于物體表面。在火焰的烘烤下，可逐漸變成阻燃的固體防護(hù)層。在高溫下水玻璃還能發(fā)泡，使防護(hù)層變厚。從而隔絕空氣，防止火的蔓延，撲滅火災(zāi)。尤其適用于森林等大面積火災(zāi)的滅火。
Buil、Loehnert（專(zhuān)利WO92/13602、WO93/25474）在水中加入無(wú)定形SiO2和水溶性高聚物（如聚乙烯醇等）作為增稠劑，制成滅火劑?？衫闷胀缁鹌餍祰姙?。該滅火劑粘附在物體表面后，可防止火的蔓延，減少水的流失。
Baudouin（法國(guó)專(zhuān)利FR2615399）在水中加入鋁酸鹽礦物、水玻璃或纖維素衍生物制成滅火劑，用于撲滅森林火災(zāi)。其粘液可粘附在枝葉之上，起到滅火作用。與水相比，粘液不易流入土壤，亦不易蒸發(fā)，可在森林火區(qū)周?chē)纬苫馂?zāi)隔離帶。
Artsybashev（前蘇聯(lián)專(zhuān)利SU1544451）使用羧甲基纖維素鈉作增稠劑，再加NH4 C1、脲等可制成滅火劑，提高滅火性能，用于撲滅森林火災(zāi)。岡本安弘（日本專(zhuān)利JP05/305135）用魔芋粉作增稠劑，同樣起到防止水的流失，隔絕空氣的作用。
2 水系滅火劑研究的發(fā)展方向
2.1 水霧滅火劑
為了提高水霧滅火劑的滅火能力，應(yīng)進(jìn)一步研究不同粒徑的霧滴在火焰中的運(yùn)動(dòng)、蒸發(fā)狀況，研究水霧的粒徑分布、噴霧錐角、流量和動(dòng)量。
2.2 含添加劑水系滅火劑
（1）確定滅火劑合適的粘度。滅火劑粘度大，有利于粘附于物體表面，但會(huì)增加管路輸送阻力，噴灑困難。反之，若粘度較小，有利于輸送和噴灑，但粘附力下降。
（2）賦予滅火劑觸變流動(dòng)性。滅火劑經(jīng)過(guò)泵和管路輸送，噴灑到物體表面。在此過(guò)程中，滅火劑所受的剪切速率相差很大。其在泵和管路中，剪切速率，可達(dá)5～15S，而在物體表面緩慢流動(dòng)時(shí)，剪切速率只有0.01～0.1S。如果粘液為牛頓體，則在此過(guò)程中，粘度不發(fā)生變化。若為非牛頓體，且具有觸變性，則粘度隨著剪切速率的增加而變小，即在泵送和管路輸送時(shí)，粘度較小，阻力亦小。一旦噴到物體表面后，剪切速率變小，粘度變大，粘附性增強(qiáng)，因此若滅火劑具有觸變性，將對(duì)滅火極為有利。
（3）滅火劑液膜防熱輻射性能?；馂?zāi)發(fā)生后，火源周?chē)奈矬w受強(qiáng)烈熱輻射而升溫，直至燃燒。當(dāng)滅火劑噴灑到未著火物體表面后，形成液膜。液膜可遮擋一部分熱輻射，延緩未著火物體溫度升高，阻止火災(zāi)的蔓延。粘液膜遮擋熱輻射的能力取決于液膜的厚度、蒸發(fā)速度以及添加劑的光譜特性，尤其是紅外光譜特性。如果所選用的添加劑在大部分紅外光譜范圍內(nèi)都能吸收紅外光，則能提高液膜遮擋熱輻射的能力，有效地防止火災(zāi)的蔓延。
（4）選用用量少的添加劑。添加劑的用量越少越好。添加劑的用量越大，成本越高。像水玻璃滅火劑，水玻璃含20～40%，顯然用量太大。在選擇添加劑時(shí)，其用量是一個(gè)重要因素。
【摘要】綜述了國(guó)內(nèi)外水系滅火劑的研究現(xiàn)狀，并討論了水系滅火劑研究的發(fā)展方向。
火災(zāi)是人類(lèi)的大敵。無(wú)論地面火災(zāi)還是井下火災(zāi)不僅造成了大量的人員傷亡，還造成了財(cái)產(chǎn)和自然資源的重大損失。據(jù)原勞動(dòng)部統(tǒng)計(jì)，1994年全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)（不含森林、草原、軍隊(duì)的火災(zāi)）4萬(wàn)起，死亡2748人，直接財(cái)產(chǎn)損失12.4億元。1995年3.8萬(wàn)起，死亡2232人，傷3370人，直接財(cái)產(chǎn)損失10.8億元。如何快速有效地?fù)錅缁馂?zāi)，最大限度地減少損失，一直是具有重要意義的研究課題。目前，滅火劑主要有水、泡沫、干粉、鹵代烷、二氧化碳、氮?dú)庖约耙恍┚哂刑厥庥猛镜臏缁饎?，如用于撲滅輕金屬火災(zāi)的7501滅火劑等。其中水是最常用的滅火劑。廣泛用于撲來(lái)建筑、森林、草原和井下火災(zāi)。但水的流動(dòng)性很強(qiáng)，大部分水常常未發(fā)揮作用就流失了，其利用率很低。例如，在撲滅森林火災(zāi)時(shí)，水噴灑到枝葉上時(shí)，大部分水很快滴到地面，起不到滅火作用。當(dāng)水源較遠(yuǎn)時(shí)，付出很高的代價(jià)運(yùn)來(lái)水，又未充分發(fā)揮作用，延誤了滅火時(shí)間。又如撲滅建筑火災(zāi)時(shí)，流失水順樓梯或縫隙向下層流動(dòng) 動(dòng)，不但失去滅火作用，而且對(duì)未著火的下層區(qū)域造成二次損失。再如在撲滅煤巷冒高浮煤自燃時(shí)，通過(guò)鉆孔向燃燒區(qū)域注水，大部分水通過(guò)裂隙流到巷道，不但影響作業(yè)環(huán)境，而且由于水流沖刷，在煤體中形成更加連貫的孔隙，更有利于空氣的侵入，滅火后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，仍可能再次自燃。提高水的滅火性能，減少水的流失，是目前國(guó)內(nèi)外火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。
1 水系滅火劑研究現(xiàn)狀
為了提高水的滅火性能，減少水的流失，人們進(jìn)行了大量的研究工作。例如采用物理方法改變水的噴灑狀態(tài)，利用水霧滅火；采用化學(xué)方法，通過(guò)在水中加入少量添加劑，改變水的物理化學(xué)性質(zhì)，提高水在物體表面的粘附性，提高水的利用率，加快滅火速度。
1.1 水霧滅火劑
高壓水通過(guò)直噴式或離心式噴嘴形成水霧。當(dāng)水滴進(jìn)入火焰區(qū)后，水份蒸發(fā)吸收大量熱量，使火焰溫度降低。同時(shí)蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽，降低了火焰區(qū)氧氣的濃度。部分穿過(guò)火焰區(qū)的大水滴，到達(dá)燃燒物表面，降低了表面溫度從而達(dá)到滅火效果。水霧還可用于撲滅電器、通訊機(jī)房、計(jì)算機(jī)房、醫(yī)院等重要場(chǎng)所火災(zāi)，也可替代鹵代烷滅火劑。
水霧若以水幕狀噴出，還可用來(lái)遮擋火焰產(chǎn)生的紅外輻射，防止火災(zāi)的蔓延。Coppalle研究了水幕對(duì)紅外線的散射及吸收現(xiàn)象，并研究了水滴直徑對(duì)水幕防紅外輻射能力的影響。
1.2 含添加劑水系滅火劑
在水中加入添加劑，改變水的物理化學(xué)性質(zhì)，可提高滅火效果。添加劑可分為以下幾類(lèi)：（1）吸水性顆粒；（2）表面活性劑；（3）增稠劑。增稠劑又可分為無(wú)機(jī)增稠劑（如水玻璃、無(wú)定形SiO2等）和有機(jī)增稠劑（如水溶性高聚物）。
（1）在水中加入吸水性顆粒添加劑。吸水性顆粒吸水并膨脹，從而使一部分水保持在顆粒中，一部分水仍成游離狀態(tài)。當(dāng)噴灑到物體表面后，部分游離水會(huì)流失，而吸水性顆粒則會(huì)停留在物體表面，形成覆蓋層，增強(qiáng)滅火效果，減少水的流失量。
中川清一、伏見(jiàn)誠(chéng)一（日本專(zhuān)利JP62/44271、JP01/94872）使用IM-300和IM-1000（一種丙稀酸與演粉共聚物顆粒）作為添加劑。該添加劑具有吸水膨脹性能，吸水倍數(shù)達(dá)1000倍。在撲滅模擬木材火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，使用1.0升，10秒鐘內(nèi)即可滅火；而使用水滅火時(shí)，需18升水，滅火時(shí)間達(dá)3分鐘。將該滅火劑涂于木板表面，將木板面距火焰10cm處烘烤，在3分鐘內(nèi)不會(huì)燃燒。鎮(zhèn)目龍平（日本專(zhuān)利JP03/292969）使用大阪有機(jī)化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的高吸水聚合物顆粒，平均粒度70～150微火，吸水率70～200倍，耐熱溫度150～200℃。他指出，由于大部分水被聚合物顆粒吸收，可有效地防止水的流失對(duì)財(cái)產(chǎn)和環(huán)境的二次破壞。
Von Bluecher（美國(guó)專(zhuān)利US4978460）在水中加入強(qiáng)吸水膨脹高分子聚合物顆粒添加劑，即丙烯酸或甲基丙烯酸鹽共聚物，加入水中后吸水膨脹，但不溶于水。在水中按0.4%加入該添加劑，即可制成滅火劑，其中吸水顆粒的含水量占總水量的50%以上。粘度小于100mPa·S，滅火時(shí)間和滅火用水量可減少30～35%，水的流失可減少85%。為了防止高吸水顆粒在加入水中時(shí)膠結(jié)成塊，影響其在水中的分散速度，可在高吸水顆粒中摻入聚乙烯醇300或400或磷酸二銨作隔離劑。隔離劑在吸水性顆粒之間形成屏障。由于隔離劑具有良好的水溶性，從而防止吸水性顆粒的膠結(jié)，加快其分散、吸水、膨脹速度。
（2）在水中加入表面活性劑可降低水的表面張力，提高水在憎水性物體（如塑料）表面的粘附性，從而提高滅火效果。
Takahashi利用普通水（Plain Water）和濕潤(rùn)性水（Wet Water）對(duì)10種普通塑料和3種泡沫塑料進(jìn)行了來(lái)火試驗(yàn)。所謂濕潤(rùn)性水就是在水中加入表面活性劑。試驗(yàn)表明，濕潤(rùn)性水在大部分塑料表面的粘附量是普通水的兩倍以上。用濕潤(rùn)性水滅火可減少滅火時(shí)間30～50%。他還研究了表面活性劑濃度與滅火時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著表面活性劑濃度增加，滅火時(shí)間不再減少。該濃度值大約是表面活性劑臨界膠束濃度（CMC）的10倍。
（3）在水中加入增稠性添加劑，制成粘性水滅火劑，可使水的粘度增加，顯著提高水在物體表面的粘附性能，在物體表面形成粘液覆蓋層，減少水的流失，提高滅火速度。
Gogolin將硅酸鈉凝膠溶液注入煤體，降低火區(qū)溫度，封堵煤中裂隙，防止漏風(fēng)，收到很好的滅火效果。
高云溪（中國(guó)專(zhuān)利CN88/103151）在水中加入水玻璃，配成20～40%的水溶液作為滅火劑。該滅火劑具有一定的粘度，能粘附于物體表面。在火焰的烘烤下，可逐漸變成阻燃的固體防護(hù)層。在高溫下水玻璃還能發(fā)泡，使防護(hù)層變厚。從而隔絕空氣，防止火的蔓延，撲滅火災(zāi)。尤其適用于森林等大面積火災(zāi)的滅火。
Buil、Loehnert（專(zhuān)利WO92/13602、WO93/25474）在水中加入無(wú)定形SiO2和水溶性高聚物（如聚乙烯醇等）作為增稠劑，制成滅火劑?？衫闷胀缁鹌餍祰姙?。該滅火劑粘附在物體表面后，可防止火的蔓延，減少水的流失。
Baudouin（法國(guó)專(zhuān)利FR2615399）在水中加入鋁酸鹽礦物、水玻璃或纖維素衍生物制成滅火劑，用于撲滅森林火災(zāi)。其粘液可粘附在枝葉之上，起到滅火作用。與水相比，粘液不易流入土壤，亦不易蒸發(fā)，可在森林火區(qū)周?chē)纬苫馂?zāi)隔離帶。
Artsybashev（前蘇聯(lián)專(zhuān)利SU1544451）使用羧甲基纖維素鈉作增稠劑，再加NH4 C1、脲等可制成滅火劑，提高滅火性能，用于撲滅森林火災(zāi)。岡本安弘（日本專(zhuān)利JP05/305135）用魔芋粉作增稠劑，同樣起到防止水的流失，隔絕空氣的作用。
2 水系滅火劑研究的發(fā)展方向
2.1 水霧滅火劑
為了提高水霧滅火劑的滅火能力，應(yīng)進(jìn)一步研究不同粒徑的霧滴在火焰中的運(yùn)動(dòng)、蒸發(fā)狀況，研究水霧的粒徑分布、噴霧錐角、流量和動(dòng)量。
2.2 含添加劑水系滅火劑
（1）確定滅火劑合適的粘度。滅火劑粘度大，有利于粘附于物體表面，但會(huì)增加管路輸送阻力，噴灑困難。反之，若粘度較小，有利于輸送和噴灑，但粘附力下降。
（2）賦予滅火劑觸變流動(dòng)性。滅火劑經(jīng)過(guò)泵和管路輸送，噴灑到物體表面。在此過(guò)程中，滅火劑所受的剪切速率相差很大。其在泵和管路中，剪切速率，可達(dá)5～15S，而在物體表面緩慢流動(dòng)時(shí)，剪切速率只有0.01～0.1S。如果粘液為牛頓體，則在此過(guò)程中，粘度不發(fā)生變化。若為非牛頓體，且具有觸變性，則粘度隨著剪切速率的增加而變小，即在泵送和管路輸送時(shí)，粘度較小，阻力亦小。一旦噴到物體表面后，剪切速率變小，粘度變大，粘附性增強(qiáng)，因此若滅火劑具有觸變性，將對(duì)滅火極為有利。
（3）滅火劑液膜防熱輻射性能?；馂?zāi)發(fā)生后，火源周?chē)奈矬w受強(qiáng)烈熱輻射而升溫，直至燃燒。當(dāng)滅火劑噴灑到未著火物體表面后，形成液膜。液膜可遮擋一部分熱輻射，延緩未著火物體溫度升高，阻止火災(zāi)的蔓延。粘液膜遮擋熱輻射的能力取決于液膜的厚度、蒸發(fā)速度以及添加劑的光譜特性，尤其是紅外光譜特性。如果所選用的添加劑在大部分紅外光譜范圍內(nèi)都能吸收紅外光，則能提高液膜遮擋熱輻射的能力，有效地防止火災(zāi)的蔓延。
（4）選用用量少的添加劑。添加劑的用量越少越好。添加劑的用量越大，成本越高。像水玻璃滅火劑，水玻璃含20～40%，顯然用量太大。在選擇添加劑時(shí)，其用量是一個(gè)重要因素。
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