一种基于水菱镁矿的灭火粉体及其制备方法和应用

本发明涉及灭火剂的，具体涉及一种基于水菱镁矿的灭火粉体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、干粉灭火剂是最常见的哈龙替代灭火剂之一，其优势包括灭火时间短、生产成本低、腐蚀性小、储存方便、易于运输、灭火范围广泛、不会对环境造成污染等。干粉灭火剂的优势引起了越来越多国内外科学家及学者的重视，干粉灭火剂有着良好的应用前景，可作为一种清洁、高效的哈龙替代灭火剂使用。

2、普通干粉颗粒的粒径(d90)普遍大于40μm，近年来随着研究的进一步深入，科研人员发现干粉灭火剂的灭火效率随着粒径的减小而成倍提高。研究人员在现有普通干粉的基础上，添加助磨剂、分散剂、防潮剂、防静电剂和流变剂等助剂，经机械研磨、气流粉碎等方法，将颗粒粒径降至20μm以下而制得超细干粉灭火剂，但超细干粉灭火剂存在诸多弊端，一方面颗粒极易团聚结块，这不仅会造成灭火剂的流动性能不足，还会导致灭火效能下降，并且颗粒的疏油性能较差，不能很好的扑灭油类火灾；另一方面将干粉颗粒超细化意味着生产成本的成倍增加，并且制备工艺复杂，因此限制了其商业化应用范围，目前大多数超细干粉灭火剂仍停留在实验室研究阶段，距离大规模商业化应用还有诸多问题需要解决。

3、鉴于普通干粉与超细干粉的弊端，现阶段干粉灭火剂迫切需要一种粒径(d90)介于20-40μm之间的、生产成本低、制备工艺简单、灭火效能高的干粉灭火剂。

4、水菱镁矿(mg5(co3)4(oh)2·4h2o，简称hm)是一种天然存在的碱式碳酸盐矿物，已在世界多地发现。其具有探明储量大、纯度高、价格低廉、开采难度低等优势。水菱镁矿粉碎细化作为灭火主体，替代传统bc和abc干粉，使哈龙替代灭火剂有了更多的选择。该物质受热分解释放水和二氧化碳，起到降低火场温度，稀释氧浓度的作用；热解最终产物氧化镁形成一层致密的隔离层，起到较好的窒息和抗复燃的效果。其灭火机理主要为冷却、稀释、窒息，水菱镁矿热解不产生腐蚀性的酸性物质，对设备无损坏和环境友好等特点使其具有较大的应用潜力和开发价值。

5、但天然hm分散性较差，颗粒大小不一，规整性也较差；天然hm经粉碎细化后存在团聚现象；hm干粉主要靠物理抑制的方式扑灭火焰，灭火效能有限，因此相较于abc和bc类干粉存在一定劣势。把hm干粉的劣势转化为优势，制备出高性能的hm干粉是至关重要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于水菱镁矿的灭火粉体及其制备方法和应用。本发明通过雷蒙磨将水菱镁矿粉碎细化为水菱镁矿粉；并将改性剂负载到水菱镁矿粉表面，赋予水菱镁矿粉化学抑制效果在物理抑制的基础上进一步提高其灭火效能；并通过添加干粉添加剂如硅油、疏水型纳米sio2、硬脂酸镁、滑石粉提高水菱镁矿粉的疏水疏油、流动性与弥散效果，减少团聚现象，使其综合性能达到国家规定的干粉灭火剂的设计标准。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明的目的之一是提供一种基于水菱镁矿的灭火粉体，所述灭火粉体包括改性水菱镁矿和干粉添加剂；

4、所述改性水菱镁矿粉为表面带有改性剂的水菱镁矿粉；所述改性剂选自mhco3，m为一价金属离子。

5、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体中，优选地，

6、于本发明的目的之二是提供一种本发明的目的之一任一项所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法，包括以下步骤：

7、将改性水菱镁矿粉与干粉添加剂混合混匀，干燥，得到基于水菱镁矿的灭火粉体；

8、改性水菱镁矿粉选自通过将水菱镁矿粉加入到改性剂溶液中湿法浸渍的方式制备的改性水菱镁矿粉、将改性剂干法包覆在水菱镁矿粉表面制备的改性水菱镁矿粉中的至少一种。

9、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，优选地，

10、所述干粉添加剂为硅油、疏水型纳米sio2、硬脂酸镁和滑石粉；优选地，

11、所述疏水型纳米sio2的d90为13-17nm，比表面积为250-350㎡/g；和/或，

12、所述硬脂酸镁的d90为5-10μm；和/或，

13、所述滑石粉的d90为2.5-4μm；和/或，

14、将改性水菱镁矿粉与硅油、疏水型纳米sio2、硬脂酸镁、滑石粉混合混匀的方式为采用高速气流混合机混合均匀，优选地，控制高速气流混合机的转速6000-8000r/min，保持5-10min；和/或，

15、干燥的方式为冷冻干燥。

16、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，优选地，

17、改性水菱镁矿粉通过将水菱镁矿粉加入到改性剂溶液中湿法浸渍的方式制备的具体步骤包括：

18、(1-1)将水菱镁矿粉加入到改性剂水溶液中混合混匀，得到悬浊液；

19、(1-2)将悬浊液固液分离，固体干燥，得到改性水菱镁矿粉。

20、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，优选地，

21、改性剂水溶液中的改性剂和水菱镁矿粉的质量比为10-20：100；和/或，

22、水菱镁矿粉和改性剂水溶液中水的质量比为0.8-1：5；和/或，

23、混合均匀的温度为30-50℃；和/或，

24、优选地，将水菱镁矿粉加入到改性剂水溶液中后置于液压升降式高速分散机中分散得到分散液；进一步优选地，液压式高速分散机工作功率为7.5-9kw,工作总时间为20-40min，单次工作时间为8-12s，工作间隙为10-20s；和/或，

25、利用悬臂搅拌器均匀搅拌所述分散液得到悬浊液；悬臂搅拌器的转速为1200-1500rpm，搅拌时间为6-8h；

26、改性剂水溶液的ph值为8-10；优选地，改性剂水溶液的制备方法包括以下步骤：

27、将改性剂预先用去离子水充分溶解得到水解溶液，待完全溶解后调节ph值为8-10；进一步优选地，充分溶解的方式为在加热条件下搅拌溶解，加热的温度为50-60℃，搅拌的时间为0.5-1h。

28、碳酸氢钾与碳酸氢钠属于弱碱，ph介于8-9，干法改性考虑实际应用场景，不调节ph样品也不会有实质性影响(水菱镁矿ph同样介于8-9之间)；湿法浸渍改性时，调节该性液的ph是为了提高实验精度，使两者ph值近似可减小实验误差，提升悬浊液的负载率。

29、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，优选地，

30、悬浊液固液分离的方式为离心分离，优选置于冷冻离心机中离心分离；进一步优选地，冷冻离心机控制转速3000-5000r/min，控制温度(-5)-(-10)℃，控制时间8-10min；和/或，

31、干燥的方式为冷冻干燥，优选置于真空冷冻干燥机冷冻干燥，进一步优选地，冷冻干燥的温度(-10)-(-20)℃，保持4-6h得到改性水菱镁矿粉。

32、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，优选地，

33、改性水菱镁矿粉通过将改性剂干法包覆在水菱镁矿粉表面制备的具体步骤包括：

34、将水菱镁矿粉置于包覆改性机料仓，随后加入改性剂进行包覆改性，干燥，得到改性水菱镁矿粉；

35、优选地，

36、改性剂和水菱镁矿粉的质量比为10-20：100；和/或，

37、改性剂的等效直径为0.5-1mm；和/或，

38、包覆改性机的工作功率为4-6kw，包覆时间控制在30-50min；和/或，

39、干燥的方式为冷冻干燥，优选置于真空冷冻干燥机冷冻干燥，进一步优选地，冷冻干燥的温度(-10)-(-20)℃，保持4-6h得到改性水菱镁矿粉。

40、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，优选地，

41、水菱镁矿粉选自粒径d90小于45μm的水菱镁矿粉；

42、优选地，水菱镁矿粉的制备方法包括将天然水菱镁矿石为原料，粉末细化，结束后真空冷冻干燥并用气流分级机筛分出粒径d90小于45μm的水菱镁矿粉；

43、进一步优选地，

44、天然水菱镁矿石的等效直径为200mm，纯度≥98％；和/或，

45、用雷蒙磨将天然水菱镁矿石粉碎细化，控制转速320-400r/min，控制时间60-120min。

46、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，更进一步优选地，包括以下步骤：

47、(1)选取水菱镁矿为原料，矿石经雷蒙磨粉碎细化为水菱镁矿粉，雷蒙磨控制转速320-400r/min，控制时间60-120min，真空冷冻干燥并筛分后得到粒径分布均匀的水菱镁矿粉；

48、(2)表面改性剂的预先水解：将改性剂溶于去离子水中，通过磁力搅拌0.5h使其充分溶解，温度保持在50-60℃使其加速溶解，待完全溶解后调节ph值为8-10并保持该温度；

49、(3)浸渍法表面改性：待步骤(2)完成，温度降至30-40℃并全程保持；将步骤(1)制备的水菱镁矿粉加入到步骤(2)制得的预先水解溶液中，后置于液压升降式高速分散机中分散得到分散液，液压式高速分散机工作功率为7.5-9kw,工作总时间为20-40min，单次工作时间为8-12s，工作间隙为10-20s；利用悬臂搅拌器均匀搅拌所述分散液得到悬浊液；悬臂搅拌器的转速为1200-1500rpm，搅拌时间为6-8h；

50、(4)将(3)中的悬浊液置入冷冻离心机中离心，冷冻离心机控制转速3000-5000r/min、控制温度(-5)-(-10)℃、控制时间8-10min，离心后置入真空冷冻干燥机冷冻干燥，温度(-10)-(-20)℃保持4-6h得到初步改性粉体；

51、(5)改性水菱镁干粉的制备：将步骤(4)制得的初步改性粉体加入硅油、疏水型纳米sio2、硬脂酸镁、滑石粉进行高速混合，高速气流混合机控制转速6000-8000r/min，保持5-10min并二次冷冻干燥即得到成品改性水菱镁干粉；

52、(6)粉体干法改性：将步骤(1)制得的水菱镁矿粉置于包覆改性机料仓，随后按比例加入表面改性剂进行包覆改性，包覆改性机工作功率为4-6kw，包覆改性时间控制在30-50min；

53、(7)将(6)中得到的粉体置入真空冷冻干燥机冷冻干燥，温度(-10)-(-20)℃保持4-6h得到初步改性粉体；

54、(8)改性水菱镁干粉的制备：将步骤(7)制得的初步改性粉体加入硅油、疏水型纳米sio2、硬脂酸镁、滑石粉进行高速混合，转速6000-8000r/min，保持5-10min还原至原始粒径，二次冷冻干燥后即得到成品改性水菱镁干粉；

55、所述步骤(1)中水菱镁矿是一种露天开采的天然矿物材料，经粉碎细化后作为灭火粉体原料。

56、所述步骤(1)中粉碎细化所用仪器为雷蒙磨，筛分所用仪器为气流分级机，干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(2)中搅拌所用仪器为电加热式磁力搅拌器；所述步骤(3)中分散所用仪器为液压式高速分散机；所述步骤(4)离心所用仪器为冷冻离心机，干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(5)中混合所用仪器为高速气流混合机，二次冷冻干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(6)中干法包覆改性所用仪器为包覆改性机；所述步骤(7)中干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(8)中混合所用仪器为高速气流混合机，二次冷冻干燥所用仪器为真空冷冻干燥机。

57、在本发明所述的基于水菱镁矿的灭火粉体的制备方法中，更进一步优选地，包括以下步骤：

58、(1)选取水菱镁矿为原料，矿石经雷蒙磨粉碎细化为水菱镁矿粉，雷蒙磨控制转速320-400r/min，控制时间60-120min，真空冷冻干燥并筛分后得到粒径分布均匀的水菱镁矿粉；

59、(2)表面改性剂的预先水解：将改性剂溶于去离子水中，通过磁力搅拌0.5h使其充分溶解，温度保持在50-60℃使其加速溶解，待完全溶解后调节ph值为8-10并保持该温度；

60、(3)浸渍法表面改性：待步骤(2)完成，温度降至30-40℃并全程保持；将步骤(1)制备的水菱镁矿粉加入到步骤(2)制得的预先水解溶液中，后置于液压升降式高速分散机中分散得到分散液，液压式高速分散机工作功率为7.5-9kw,工作总时间为20-40min，单次工作时间为8-12s，工作间隙为10-20s；利用悬臂搅拌器均匀搅拌所述分散液得到悬浊液；悬臂搅拌器的转速为1200-1500rpm，搅拌时间为6-8h；

61、(4)将(3)中的悬浊液置入冷冻离心机中离心，冷冻离心机控制转速3000-5000r/min、控制温度(-5)-(-10)℃、控制时间8-10min，离心后置入真空冷冻干燥机冷冻干燥，温度(-10)-(-20)℃保持4-6h得到初步改性粉体；

62、(5)改性水菱镁干粉的制备：将步骤(4)制得的初步改性粉体加入硅油、疏水型纳米sio2、硬脂酸镁、滑石粉进行高速混合，高速气流混合机控制转速6000-8000r/min，保持5-10min并二次冷冻干燥即得到成品改性水菱镁干粉；

63、(6)粉体干法改性：将步骤(1)制得的水菱镁矿粉置于包覆改性机料仓，随后按比例加入表面改性剂进行包覆改性，包覆改性机工作功率为4-6kw，包覆改性时间控制在30-50min；

64、(7)将(6)中得到的粉体置入真空冷冻干燥机冷冻干燥，温度(-10)-(-20)℃保持4-6h得到初步改性粉体；

65、(8)改性水菱镁干粉的制备：将步骤(7)制得的初步改性粉体加入硅油、疏水型纳米sio2、硬脂酸镁、滑石粉进行高速混合，转速6000-8000r/min，保持5-10min还原至原始粒径，二次冷冻干燥后即得到成品改性水菱镁干粉；

66、所述步骤(1)中水菱镁矿是一种露天开采的天然矿物材料，经粉碎细化后作为灭火粉体原料。

67、所述步骤(1)中粉碎细化所用仪器为雷蒙磨，筛分所用仪器为气流分级机，干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(2)中搅拌所用仪器为电加热式磁力搅拌器；所述步骤(3)中分散所用仪器为液压式高速分散机；所述步骤(4)离心所用仪器为冷冻离心机，干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(5)中混合所用仪器为高速气流混合机，二次冷冻干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(6)中干法包覆改性所用仪器为包覆改性机；所述步骤(7)中干燥所用仪器为真空冷冻干燥机；所述步骤(8)中混合所用仪器为高速气流混合机，二次冷冻干燥所用仪器为真空冷冻干燥机。

68、本发明的目的之三是提供一种本发明的目的之一任一项所述的基于水菱镁矿的灭火粉体在灭火中的应用。

69、本发明的发明人研究发现水菱镁矿粉的ph值为8.5左右，且通过灭火实验证明hm干粉无化学抑制作用(不具备对燃烧自由基的捕获能力或很微弱)。本发明发明人研究发现与水菱镁矿粉ph值相近的碳酸氢钠与碳酸氢钾作为改性剂对水菱镁矿粉改性时，不仅具有水菱镁矿粉的物理抑制作用，还具有碳酸氢钠与碳酸氢钾的化学抑制作用，且二者具有协同，可以进一步提高水菱镁矿粉的灭火效果。

70、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

71、利用本发明方法制备绿色环保、经济、制备工艺简单、灭火高效的改性hm普通干粉。

72、本发明水菱镁矿本身具有亲水疏油的特性，添加硅油、纳米型疏水二氧化硅可以赋予水菱镁矿粉疏水效果，降低其吸湿性，防止干粉结块，从而提高其储存时限；添加硬脂酸镁、滑石粉可以提高水菱镁矿粉的流动性与弥散效果，减少其团聚现象。