细水雾灭火添加剂的选择与实验研究

灭火荆与阻燃材料细水雾灭火添加剂的选择与实验研究余明高，段玉龙，徐俊， 于水军，贾海林，左秋玲(河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室，河南焦作454003)摘要:通过对国内外细水雾添加剂种类和灭火 原理的分因，可扑救闪点较高的油品火灾。析，提出将细水雾添加剂分为物理添加剂和化学添加剂。探讨(2)在水中添加少量表面活性剂,提高水的润湿能了在A类火灾和B类火灾中细水雾复合添加剂组成确定的一力。对于一些对水润湿能力较差的材料,如塑料、合成般性原则,提出对于化学灭火添加剂一般通过实验的方法来确纤维、橡胶等,可以降低水的表面张力,增加水对材料定其组成和质量分数,由不同的火灾场景来确定复合添加剂中的润湿力,延长水的作用时间,提高灭火效果。物理添加剂的组成。由于添加剂对于细水雾灭火效果各有利弊,采用正交设计的方法确定复合添加剂的组成和质量分数。(3)在水中添加抗冻剂，降低其冻结温度。在我国北方地区低温下使用水较困难,利用稀溶液的依数性，关键词:细水雾;添加剂;正交设计中图分类号:TQ569, TU89, X932文献标识码:A在水中加人抗冻剂,使水的冰点降低,提高细水雾在寒文章编号:1009- 0029(2007)02 -0189- 03冷地区的有效使用。常用的抗冻剂有两种类型,一类是无机盐(如氯化钙.碳酸钾等),一类是多元醇(如乙二随着1991年《关于臭氧层物质的蒙特利尔议定醇、甘油等)。书》在伦敦的修订,哈龙灭火剂由于破坏大气臭氧层而(4)在水中添加增稠剂,提高细水雾的雾滴速度，逐步被淘汰,世界各国纷纷开始寻找哈龙灭火剂的替增加水在燃烧物表面特别是垂直表面上的附着力,减代物。细水雾由于其清洁、高效、稳定、对环境友好、成少灭火时水的流失。在前苏联和欧洲均有应用,特别适本相对较低等优点成为哈龙灭火剂的主要替代物之用于消防水罐车扑救建筑物内火灾,达到节水、保水的一。细水雾灭火技术发展到现在已经比较成熟和完善，目的,避免“扑灭了火灾,造成了水害”情况的发生。国内已制定了相应的设计、施工、验收等技术标准,细.(5)在水中添加减阻剂，减少水在水带输送过程中水雾灭火系统逐步进人广泛的实际应用阶段,在一些的阻力,使水在较长的水带流动时压力损失减少。可相规定的特殊场合必须使用细水雾灭火系统。国内外对应提高水在末端喷嘴的压力,提高细水雾灭火系统的含添加剂细水雾灭火技术进行了研究,笔者通过对细冷却面积和灭火效率。常用的减阻剂有聚氧乙烯等。水雾灭火添加剂的原理和分类分析，探讨不同火灾场(6)在水中添加氟碳表面活性剂。低质量浓度的景下细水雾复合添加剂的选择。氟碳表面活性剂水溶液在油面上的铺展,把水的表面1.细水雾添加剂的种类张力降低到很低,以致水溶液可在油面上铺展形成一细水雾添加剂的作用主要是改变水雾的物理和化层水膜。学性质,增强细水雾的灭火效率,因而可以将细水雾添1.2 化学添加剂加剂分为物理添加剂和化学添加剂。在改变细水雾的除了物理添加剂外,还可以改变水雾的化学性质物理特性方面有增加水的汽化潜热、粘度、润湿力和附来提高细水雾的灭火效率。化学添加剂增强细水雾灭着力,提高细水雾的有效隔氧降温能力,延长细水雾在火效率的原理为:由于添加剂的加入在火场中产生窒.燃烧区域的停留时间,减小水的流动阻力,加大细水雾息性气体(如NH,HCO;)或者添加剂中的金属离子捕的冷却及保护面积，提高细水雾的应用范围,充分发挥捉火场中的自由基,使火灾规模不能继续发展或熄灭。细水雾的灭火性能,降低用水量,对提高灭火效率具有对于碱金属碳酸盐而言,其灭火效率的顺序为:K2CO3重要作用。特别是在计算机房、文物、图书馆火灾中降> KHCOs> Na2CO;>NaHCOs;在低质量分数(1%~低用水量具有重要意义。5%)以下，灭火效率随灭火添加剂质量分数增加而显1.1 物理添加剂(1)在水中添加乳化剂。由于乳化剂含有憎水基著增. 中国煤化工时,灭火效率随强化剂质量*fHCNMHG基金项目:国家自然科学基金项目(50476033);河南省杰出人才创新基金项目(0421000800);河南省高校新世纪优秀人才支持计划项目(2005HANCET -05)消防科学与技术2007年3月第26卷第2期189不同类型的金属其在火场中与自由基反应的过程到细水雾复合添加剂中主要是结合火灾的类型。复合有所不同,灭火效率也有较大的差异。据国外相关文献添加剂中化学添加剂的选择可以选择已经证明有效且报道,磷酸铵、含硼化合物等均有抑制燃烧的效果,具比较廉价的碳酸盐、磷酸盐和铁基类化合物等。含复合有较强抑制火焰作用的金属还有Mg、Cr、Mn,Sn,Ti、添加剂细水雾在电气火灾中的应用方面,中国科学技Ba等。影响含有金属的化学添加剂的灭火效能的主导术大学房玉东等人对超细水雾及MC舔加剂在电气环因素有两个:一是金属粒子和火场自由基结合的能力;境的特性及应用可行性作了研究,研究发现MC添加二是游离金属粒子在火场中的含量。对于含化学添加剂存在一个临界的添加剂质量分数,超过这个临界含剂灭火技术的研究可以从这两个因素着手研制更有效量,添加剂中金属离子发挥主导作用,将会增强水雾的的化学灭火添加剂,同时固态添加剂的饱和现象使得导电性,使击穿变得更加容易;低于这个含量,表面活目前的化学灭火添加剂的灭火效率存在一定的局限性剂等材料将发挥主导作用,将会增强水雾的绝缘性,性。因此,今后应加快对液态和气态化学灭火添加剂的使击穿变得困难。在实际的火灾防治当中,可以根据添研究,突破低饱和质量分数对化学添加剂灭火效能的加剂作用下击穿强度的衰减比例及电气设备的击穿强制约,进一步发展和完善化学添加剂灭火技术。度来确定添加剂的安全使用范围，实现灭火有效性和2细水雾灭火添加剂的选择原则设备安全性的统--。对于复合添加剂的选择主要有两2.1物理添加剂的选择原则个方面的问题必须注意:一是深人了解物理添加剂和在A类火灾中,细水雾灭火最重要的是提高对燃化学添加剂的灭火机理,确定不同火灾场景的复合添料表面的冷却和穿透火焰的能力,所以一般可以添加加剂组合;二是复合添加剂中物理添加剂和化学添加少量表面活性剂和增稠剂。在B类火灾中,可以考虑添剂含量的确定。加乳化剂和氟碳表面活性剂。在使用水系灭火剂灭火时,油水分层是造成油火喷溅的主要原因,在水雾中加400350f人乳化剂可以防止这种现象发生。300甘系统压力2.2化学添加剂的选择原则。250f0.5 MPa+系统压力由于化学添加剂对于细水雾灭火效率有很大提200)0.6 MPa150|.系统压力高,故在A类和B类火灾中都可以选用。在选用化学添0.7 MPa加剂的过程中需要考虑两个因素:- .是化学添加剂一5般具有化学腐蚀性,可能对细水雾灭火系统管路或者5910% 15% 20%火场中的精密设施造成腐蚀,所以在应用化学添加剂w/ NaCl團1不同质量分数NaCl添加剂的细水雾前要充分考虑其腐蚀性并且可以加入缓蚀剂。二是化灭酒精火时间比较学添加剂可能产生刺激性气体,在人员较多的地方要避免加入此类添加剂。三是要通过实验的途径来确定18:「十系统压力0.8MPa十系统压力1.0 MPaj化学添加剂的质量分数。国内外在含添加剂细水雾方14面所研究的金属盐有KOH、NaOH.NaCl,其灭火效率号12KOH>NaCl>NaOH。由于碱金属蒸气压很低，当质10量分数达到5.5%后就基本饱和,再加上水分子对金属粒子的吸附作用,使得其作为细水雾添加剂而言效果.0.5 0.01.0% 2.0% 3.0% 4.0%有限。MichelleD.King通过实验研究发现含有醋酸w/ FeCl,钾和碘化钠的细水雾在给定温度下的蒸发率比纯水團2不同质量分数FeClz潘加剂的细水雾低,这也说明添加剂对灭火也存在一定的不利因素。以灭煤油火时间比较NaCl和FeCl2为例，一般化学添加剂都存在一个最佳目前,复合添加剂的选择主要是从碳酸盐、磷酸盐质量分数,如图1和图2所示NaCl和FeCl2添加剂最佳和铁基类化合物中选取。实验研究中,笔者从40余种质量分数是5%和0.83%,且添加剂最佳质量分数和系不同中国煤化工基类化合物中选择了8统压力基本没有关系。种单|YHCNMH C剂,分别用A、B、C、D、2.3细水雾复合添加剂的实验研究E、F、G、H代表。物理添加剂已广泛应用于水系灭火剂中,其添加为了确定上述8种添加剂对复合添加剂灭火性能190Fire Science and Technology ,March 2007 ,Vol 26,No. 2的影响大小、最佳的复合添加剂配方,拟通过正交实验形式中英文字母代表添加剂的种类,阿拉伯数字代表进行,见表1所示，正交灭火实验结果如表2所示,正交各种添加剂含量的高低水平)。灭火实验效应估计值如表3所示。3结论裹1正交实验安排表(1)基于添加剂的加人对细水雾性质改变的不同，项_ ACGI将细水雾添加剂分为物理添加剂和化学添加剂并分析|目位级(添加量/g)了两类添加剂提高灭火效率的原理。1 1(0)| 1(0) 1(0) | 1(0)| 1(0)| 1(2)| 1(20)| 1(0)2| 1(0)| 1(0)| 2(20)| 2(40)| 2(40) 2(4)| 2(40)| 2(4)(2)提出在A类火灾和B类火灾中物理添加剂和3 1(0) | 1(0)| 3(40) 3<80)| 3(80) 3(8) 3(0)| 3(8)化学添加剂组成确定的一般性原则,对在不同火灾场4| 1(0)2(40)| 1(0) 1(0) 2(40) 2(4)| 3(0)| 3(8)景有效添加细水雾添加剂具有指导意义。5| 1<0)| 2(40)| 2(20)| 2(40)| 3(80) 3(8)| 1(20) I 1(0)(3)探讨了筛选复合添加剂的原理和实验方法。6| 1(0)| 2(40) | 3(40) 3(80) |1(0) 1(2)| 2(40)| 2(4)参考文献:71(0) 3(80) 1(0)| 2(40)| 1(0)3(8)| 2(40) 3(8)81(0)| 3(80) | 2(20) 3(80)| 2(40) 1(2)| 3(0)| 1(0)[1]余明高,廖光煊,张和平.等.哈龙替代品的现状及发展趋势[].火9| 1(0)| 3(80) | 3(40) 1(0) 3(80)| 2(4)| 1(20)| 2(4)灾科学,2002,11(2):108- 112.10| 2(20)| 1(0)| 1(0)| 3(80) 3(80)| 2(4)| 2(40)| 1(0)[2]刘江虹,廖光煊,厉培德,等。细水雾灭火技术研究与进展[J].科学11 2(20)| 1(0)| 2(20)| 1(0)| 1(0)| 3(8)| 3(0)| 2(4)通报，2003.48(8):761 -767.12| 2(20)| 1(0)| 3(40)| 2(40)| 2(40)| 1(2) 1(20)| 3(8)[3]冯金莉,余水刚,陆春义.细水雾抑制熄灭木材火焰的小尺度实验研13| 2(20)| 2(40) 1(0) 2(40) 3(80) 1(2) 3(0) 2(4)究及简化模型[J].中国安全科学学报.2004, 14(3):56- 59.42(20)| 2(40) 2(20)| 3(80)| 1(0)| 2(4)| 1(20) 3(8)[4]赵文山,何刚.替代哈龙气体的消防系统比较[J].中国档案，2003，15| 2(20)| 2(40) | 3(40) | 1(0) 2(40) 3(8)| 2(40)| 1(0)(5):8-10. .[5]徐晓楠。水系灭火剂及在我国的研究现状[J].消防技术与产品信16| 2(20) I 3(80) | 1(0)| 3(80) 1 2(40)| 3(8)| 1(20)| 2(4) .息,2003,(9);10-13. .17| 2(20)| 3(80)| 2(20) | 1(0)| 3(80)| 1(2)| 2(40)| 3(8)[6] Madrzykowski D,PE. WaWater additives for increased efficiency of18 2(20) | 3(80)| 3(40) 2(40) 1(0)| 2(4)| 3(0)| 1(0)ire protection and suppression [C]. Fire Detection， Fire表2正交灭火实验结果Extinguishment and Fire Safety Engineering. NRIFD 50ABCDEF|GH平均时间值2/sAnniversary Symposium Proe,1998:1-6.[7] M Bundy, A Hamins， Ki Yong Lee. Suppression limits of low111111 (9.29+ 18.59+4.87+7.49)/4=10.06strain rate non premixed methane flames [D]. Combustion and211222222 (27.33+15.28)/2=21.31311333333 (14.09+8.5+ 10.24)/3= 10.94flame, 2003, 3(133): 299- 310.412112233 [12.66+4.18+13.13+9.69)/4=9.92[8]李定启,余明高,刘剑飞,等.化学灭火添加剂的灭火有效性实验研512223311 (13. 41+9. 09+9.6)/3=10.70究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2005,6(24):178- 180.61233↑112| 2 (21. 13+13.53+3.3+5.3)/4=10.92[9] Daniel Madrzykowski, PE. Water additives for increased eficiency713121323 (4. 66+12.56+8.91+8.65)/4=8.70of fire protection and suppression [D]. Proceedings of the83232131124136+11.67/3-12.51Combustion Institute, 2001 ,16:215- 232.913313212 (21.92+3.77+9.59+11.33)/4-11.651021133221 (9.47+11. 64+ 10.09)/3= 10.40[10] B Baraj, Luis' F H Niencheski, Ronaldo D Trapaga, et al. Study12121332<8.15+12.59+9.53)/3-10.09 _of interference in the flame atomic absorption spectrometric122132213 (15. 8+11.64+11.03)/3=12.82determination of lithium by using factorial design [D]. Springer-1322123132 (8.51+9.59+11.04)/3-9.71Verlag GmbH, Fresenius' Journal of Analytical Chemistry, 364:1422231213 (5.37+11.89+7. 35+12.29)/4-9.23678- 681.1522| 312[ 32 1 (8. 96+14.5+8.2)/3= 10.55[11] Michelle D King, Jiann C Yang . Evaporation of a Small Water1623132312 (8. 68+9. 72+9.65)/3=9.35723213123 J(16.85+6.92+8.94+15.74+ 846)/5-1.388Droplet Containing an Additive [C]. Proceedings of the ASME18233212311412+14. 33+8.73+4.34)/4=10.38National Heat Transfer Conference, Baltimore, August, 1997.表3正交灭火实验效应估计结果[12]丛北华,毛涛,廖光煊. NaCl 黍加剂细水雾对不同燃料池火灭火性能的实验研究[J].热科学与技术，2004,3(1): 65-70.项目b|de| fr1b h[13]廖光煊.丛北华:况凯骞.铁基舔加剂增强细水雾灭火性能的实验0.72 1. 56-1. 45-0.54-1.270. 08-0.50| -0.38| I.. 134-0.72)-0.96 1.38 1.12 1.61 0.99 1.06 1. 04中国煤化工275-277.0.51 0.06-0.58-0. 35-1. 08| -0.56-0. 65[14]1H.CN M H G添加翔超细水筹作用下电气通过效应分析得出,影响因素较大的依次为E、B、设田击牙强度变化规伴的头狈时元[J].科学通报，2005,9(50):2032 - 2036.C、D,最佳配方为E2B,C2D2G,H2F2A,(复合添加剂组成消防科学与技术2007年3月第26卷第2期191灭火荆与阻燃材料红磷与交联的结构对聚酰胺阻燃性能的影响刘峰'，李元洲2(1.南昌市消防支队，江西南昌330003; 2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥230026)摘要;在没有经过辐照过的样品中添加红磷,即使墋杂虑到我国已经有含有红磷聚合物在高能量下的交联的量达到12.5%,都不能很好的提高PA-6的阻燃性。当PA-6经研究,笔者采用共聚合的方法来降低交联的能量,通过过°Co-Y-rays照射产生了交联结构后,其阻燃性能会得到很大引人第二种物质氢氧化铝来提高阻燃能力。的提高,并且在这种混合体系中添加TAC来降低照射的能量。2实验部分.关键词:聚酰胺;红磷;交联;阻燃;结构2.1原料中團分类号:TU545, X924文献标识码:B聚酰胺-6(Khimvolokno, Belarus 的商品Mn=文章编号: 1009- 0029(2007)02- 0192- 033.5X 10*),红磷(Italmatch, Italy),三烯丙基氰尿酸酯(TAC,Aldrich)。1前言红磷是一种很好的阻燃添加剂,已被广泛添加到2.2 样品制备聚合物体系中作阻燃材料。在一些不含氧的聚合物中聚酰胺添加剂样品是在氮气的保护下,在240 C、(如聚苯乙烯、聚乙烯等),红磷的使用量要比传统使用60转/min的搅拌速度下混合而成。制备成棒状(10.0的少,一般添加7%就可以。而在含氧的聚合物(如聚酰cmX0.6 cmX0.3 cm)用于LOI测试,制备成板状胺-6)中,因为其中的红磷与聚合物中的C=O作用,降.(10. 0 cmX1.2 cmX0.2 cm)用于阻燃测试。低了其阻燃能力,所以需要添加更多的量才能起阻燃2.3交联样 品制备聚酰胺-6或红磷/聚酰胺-6在氩气或者空气中，作用。对于这种体系,若添加低质量分数的红磷,也要求使用°Co-Y-rays照射(剂量率为2 kGy/h, Hahn-达到相同的阻燃性能,聚合物必需是交联的。可以用一Meitner Institute)。些具有高能量的物质(如Co60)照射聚合物,产生三维2.4交联后样品的性能测试的结构。原则上这种方式可用于所有聚合物,但对于聚(1)阻燃测试。燃烧测试分为模式A和模式B。模酰胺来说,因为照射的能量需要很高(> 100eV),辐照式A是垂直的UL方法(在笔者的实验室Bulletin94交联不很方便。为了能充分阻止燃烧需求的高交联度,垂直燃烧测试)。根据此方法,样品棒垂直放在一个固其要求的能量太高，而被认为是不太适合应用于实际。定台上,棒的下端和甲烷火焰接触10s,从而点燃。当这个问题可以通过引入一个新的单体来降低交联的能样品自熄灭以后,再次点燃。燃烧的过程是由两次燃烧量来解决。有关这方面的研究已经有很多的报道。考的持续时间1和tr表征。1和lr显示了点燃和自熄灭的Research and discuss on additives ofexperiment. the composition of physical additives was madecertain by different fire scene. Because the effect of additivesspray mistfor fire extinguishment is uncertain， the composition ancYU Ming-gao, DUAN Yu-long, XU Jun,concentration of compound additives was made certain byYU Shui-jun, JIA Hai-lin, ZUO Qiu-lingorthogonal design.Key words: water mist; additive; orthogonal design(Henan Province Key Laboratory of Prevention and Cureof Mine Methane & Fires， Henan Polytechnic University,作者简介:余明高(1963-),男，四川泸州人,中国Jiaozuo 454003，China)Abstract: Additives of spray mist can be casified as physical煤炭工业劳保学会火灾防治专业委员会及矿井通风专and chemical additives by its category and mechanism of fire中国煤化工与火灾防治重点实验extinguishment. Discuss the principle of composing of室常YHCNMHG火灾防治理论与技术Additives in class A and class B fires. The composition and等方面的教学与科研工作,河南省焦作市,454003。concentration of chemical additive usually was make certain by收稿日期:2006-09- 20192Fire Science and Technology ,March 2007, Vol 26,No.2