一种基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料及其制备方法

本发明涉及一种灭火材料，具体是防治a、b、f类火灾的基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料及其制备方法，具有一定的阻燃性能，并可在寒冷地区使用，属于火灾防治。

背景技术：

1、随着城市化进程不断加快，火灾发生的频次迅猛增长，火灾场景更加复杂、危险，扑救难度也相应增大，给人类社会长远健康发展造成极大的阻碍。因此，如何高效防火灭火成为了伴随人类可持续发展的一个重要课题。

2、目前国内外研究和使用的哈龙替代品主要有细水雾、以惰性气体为主的气体灭火剂、以干粉为主的固体灭火剂和以泡沫灭火剂为主的水系灭火剂。细水雾的灭火装置造价昂贵，且对水质和动力系统要求较高，难以普及应用。气体灭火剂以co2、ar和n2等惰性气体为主要成分，清洁环保，但所需灭火浓度大，使用和储存成本高，且在使用时因高压、低温等因素容易发生意外事故造成伤亡。干粉灭火剂是日常生活中普遍使用的一类灭火剂，成本低廉，普遍适用于扑救a、b、c类火灾，但因其主要以窒息隔离和化学抑制作用进行灭火，冷却降温和抗复燃效果不佳，灭火效能远远不及其他灭火剂，且干粉灭火剂在使用后会造成二次污染，环境友好型差。泡沫灭火喷射范围广，扩散并覆盖在液体燃料上，具有良好的隔离冷却作用，是国际通用的扑救油类火灾的常用手段之一，目前对于环保型泡沫灭火剂的研究主要集中于寻找绿色环保的表面活性剂替代氟碳表面活性剂，然而泡沫稳定性和灭火效果并不理想，且储存周期短、价格高，因此其主要成分还需进一步优化。目前尚未找到一种能在灭火效能和适用范围上可完全取代哈龙的灭火剂。

3、通过调研国内外表面活性剂复配体系的研究理论、研究方法及性能优异的表面活性剂产品，分析表面活性剂复配体系研究现状，根据表面活性剂结构性能关系、表面活性剂复配体系协同增效理论及全因素法筛选性能优异的表面活性剂，发现碳氢和有机硅表面活性剂复配体系展现出替代传统afff灭火剂中氟碳表面活性剂的可能性。

4、气凝胶颗粒体积小、重量轻、比表面积大，同时也是目前导热系数最低的材料，因此其具有非常高的吸附(粘附)性和防火隔热性。灭火过程中，气凝胶颗粒可以迅速吸附于可燃物表面，对于b类火则可以迅速漂浮、覆盖于可燃液体表面，快速隔离空气，从而隔绝氧气(助燃物)，达到隔离与窒息的双重灭火作用。另外，当其粘附、覆盖于可燃物表面后，不仅可以实现有效灭火，而且可以高效阻燃、防止复燃以及阻止火蔓延。

5、从传统灭火剂近几十年的研究方向来看，国内外常见灭火剂的研究主要朝着对臭氧层不破坏、对人体无毒害、灭火效率高、成本低、适用范围广等方向发展。然而，目前常用灭火剂的性能没有兼具这些特点。此种新型灭火药剂完全达到国标要求，并兼顾一般火灾、油类火灾、食用油火灾的使用，并具有一定的阻燃作用，凝固点较低，可在寒冷地区使用，为今后新型灭火剂的研发提供了新思路。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料，灭火效率高，能用于防治a、b、f类火灾。

2、本发明的目的之二在于提供上述基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料的制备方法，工艺简单，可工业化生产。

3、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

4、第一方面，本发明提供一种基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料，由以下质量百分比的组分制成：二氧化硅气凝胶粉0.5％-2％、表面活性剂2％-10％、复合胶体1％-5％、稳泡剂0.1％-2％、交联剂0.5％-5％、抗冻剂5％-15％、灭火组分5％-15％、水46％-85.9％；其中，

5、所述二氧化硅气凝胶粉的平均孔径为20nm-40nm，平均粒径为50-100um，比表面积为800-1000m/g，孔隙率＞90％。气凝胶特有的纳米多孔网络结构使其在热学方面表现出许多独特的性质，如低密度、高比表面积、高孔隙率、低导热系数以及纳米级的颗粒骨架和孔径尺寸等。利用二氧化硅气凝胶低导热系数、耐高温、比表面积大，吸附性高、轻质等特点，大幅提高了灭火效率和安全性。

6、所述表面活性剂由碳氢表面活性剂和有机硅表面活性剂按质量比1-1.5：1复配得到。

7、优选的，所述碳氢表面活性剂为十二烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠、烷基硫酸钠、烷基聚氧乙烯醚硫酸钠、烷基聚氧乙烯醚羧酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、十二烷基二甲基苄基氯化铵、月桂醇聚氧乙烯醚中的一种。所述有机硅表面活性剂为氨基硅油、氨基硅烷、甜菜碱型硅表面活性剂、聚醚改性有机硅表面活性剂、聚氧乙烯醚磷酸三酯、环状硅氧烷有机硅表面活性剂、三硅氧烷表面活性剂、糖基聚硅氧烷表面活性剂中的一种。碳氢和有机硅表面活性剂复配的作用是为泡沫溶液提供更高的起泡性和泡沫稳定性，机硅表面活性剂的加入会导致碳氢表面活性剂水溶液表面张力显著降低，产生协同增效作用。

8、优选的，所述复合胶体为卡拉胶、黄原胶、刺槐豆胶、鱼胶、琼脂、魔芋胶、瓜尔豆胶、结冷胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素中任意两种或两种以上的组合。

9、优选的，所述稳泡剂选自cacl2、nacl、kcl、明胶、椰子油脂肪酸二乙醇胺、三乙醇胺、丙三醇、乙醇、十二醇、十六醇中的至少一种。稳泡剂的作用是增强泡沫从产生的初始时刻起抵抗泡沫崩溃的能力，增强泡沫的稳定性有利于泡沫在灭火过程中隔离燃料和火焰之间的热传递。

10、优选的，所述交联剂选自丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、二乙烯基苯、n-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺中的至少一种。交联剂的作用是引发自由基反应，将线型或微支化的大分子转变为三维网状结构，以提高基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料的强度、稳定性、耐热性、耐溶剂性。

11、优选的，所述抗冻剂选自甲醇、乙醇、乙二醇、氯化钙、氯化镁、二甲基亚砜、尿素、氯化钠中至少两种的混合物。抗冻剂的作用是加入到灭火液体(一般为水)中以降低其冰点、提高抗冻能力，能使灭火液体能够在较低的温度下保持原有的性能和状态，扩大水系灭火剂的使用范围。

12、优选的，所述灭火组分为碳酸氢钾、氯化钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、红磷、磷酸酯、亚磷酸酯、乙二酸钠、乙二酸、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化铵、磷酸二氢铵、尿素中至少两种的混合物。灭火组分的作用是在受热时发生化学反应，抑制自由基产生，破坏燃烧链反应，实现化学抑制。

13、第二方面，本发明提供上述基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料的制备方法，包括以下步骤：

14、(1)先将复合胶体溶解于部分水中，再将稳定后的复合胶溶液与二氧化硅气凝胶粉、表面活性剂加入剩余量的水中，搅拌均匀制得分散液；

15、(2)向上述分散液中加入灭火组分、稳泡剂、抗冻剂，继续搅拌至均匀状态，搅拌过程中加入交联剂，并持续搅拌，得到混合料液；

16、(3)将所得混合料液进行常温熟化处理，待分散液稳定均匀后，得到基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料。

17、优选的，步骤(1)中搅拌转速为2500-3500rpm，搅拌时间为0.5-1.5h。

18、优选的，步骤(2)中加入交联剂后持续搅拌的转速为4000-4500rpm，搅拌时间为30-60min。

19、优选的，步骤(3)中，所述熟化步骤的处理时间为1-3h。

20、与现有技术相比，本发明的优点包括：

21、1、本发明所述基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料的主要成分为水、气凝胶材料、表面活性剂、稳泡剂、抗冻剂、交联剂和灭火组分，有机成分含量较少，所以在灭火过程中不仅可以有效的控制有机物释放和燃烧，而且无有害气体产生，无粉末释放。

22、2、本发明所述基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料中的气凝胶，是一种以纳米量级胶体粒子相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。纳米多孔气凝胶是最具潜力的一类隔热材料，其纳米级孔径可显著降低气体分子热传导和对流传热，纤细的纳米级骨架颗粒可显著降低固态热传导，具有极低的导热系数，常温导热系数低于空气，同时还具有低密度，是目前为止最轻的固体，是一种较为理想的轻质、高效隔热材料。将气凝胶应用于灭火剂，具有一定的阻燃性能。

23、3、本发明所述基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料将碳氢表面活性剂和有机硅表面活性剂混合在一起使用，使可以复配后的体系具有比各个表面活性剂单独使用时更好的功能，表面活性和泡沫性能产生了协同增效作用，从而使表面张力显著降低，水溶液的起泡性和稳泡性提升的效果。气凝胶灭火剂在泡沫层和水膜层的双重作用下同时发挥隔离、冷却和窒息灭火的效果，具体的灭火机理如下：(1)隔离可燃物：施加的灭火泡沫覆盖在可燃物表面，可以减少火焰对可燃物的热辐射，起到隔离可燃物进入燃烧区的作用。(2)隔绝空气：当堆积形成的泡沫层完全覆盖和封闭可燃物表面时，可以阻断可燃物与空气的接触，起到隔绝空气的作用。(3)冷却作用：一方面，泡沫析出的液体对可燃物表面有降温的效果；另一方面，在火场高温作用下，液体受热蒸发是一个吸热反应，也可以起到冷却作用。(4)室息作用：泡沫蒸发生成的水蒸气能够稀释空气中的氧气浓度，起到窒息灭火作用。

24、4、本发明制备的基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料能够在较低的温度下保持原有的性能和状态，具有良好的耐低温性能以及灭火性能，扩大了水系灭火剂的使用范围，能使灭火液体能够在较低的温度下保持较好的良好的溶解度，不会发生离析现象。

25、5、本发明制备的基于表面活性剂二元复配体系的气凝胶灭火材料能够有效扑灭a类木垛火灾、b类油池火灾、f类食用油火灾，可在燃烧物表面受热释气形成细小、致密和抗烧的气凝胶基泡沫,覆盖或包裹于可燃物表面，迅速降低燃烧物表面温度，其内部的灭火组分挥发吸热，可迅速降低火源中心温度。再次接触火源时，覆盖于可燃物表面的残余气凝胶灭火材料可再次迅速发泡，达到防复燃目的，具有一定的阻燃作用。此灭火材料的凝固点和表面张力远低于市售常规灭火剂。