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南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 摘要 为了能为冷气溶胶灭火剂的深入研究和未来应用时标准、规范的制定提供理论 和实验依据，根据冷气溶胶灭火剂的物理化学特征，参考气体灭火剂和干粉灭火剂的 性能参数范围，指出了冷气溶胶灭火剂的性能参数范围，包括粒径、松密度、流动性、 吸湿性、斥水性和抗结块性在内的物理性能等，选择或提出了相应的测试方法、测试 仪器和测试条件，并就不同方法进行了实验研究和分析比较。结果表明：粒径用光学 显微镜方法较合适；松密度用振筛称重法较合适；流动性用振实法较合适；吸湿性和 斥水性用g b4 0 6 6 2 0 0 4 中描述的方法进行较合适；抗结块性用加压法较合适。此外 灭火效能用灭火浓度表示，其测量装置由定量喂料系统、干燥空气供应系统、燃料稳 定供应系统及灭火浓度测量系统四部分构成，通过调节干空气流量和喂料速率能方便 地测量灭火剂的灭火浓度。 关键词冷气溶胶灭火剂，性能参数，物理性能，灭火效能 南京理工大学硕士论文 冷气溶胶灭火剂性能表征研究 a b s t r a c t t bs e tu pt h et h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o no f p r e p a r i n gt h es t a n d a r d sa n dc r i t e r i o n o ns u p e r f i n ed r yp o w d e rf i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n tf o rm o r es t u d i e sa n da p p l i c a t i o n , i t s p a r a m e t e r so fp e r f o r m a n c ea r el i s t e da c c o r d i n gt op h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dr e f e r e n c h a gt h es t a n d a r d sa n dc r i t e r i o no fg a s e o u sa n dv o l a t i l ea g e n ta n dd r yc h e m i c a l a g e n t f o rt h ep h y s i c a lp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gs i z ed i s t r i b u t i o n ，b u l kd e n s i t y , f l o wp r o p e r t y , m o i s t u r ec o n t e n t ，h y d r o p h o b ep r o p e r t ya n da n t i c a k i n gp r o p e r t y , v a r i o u st e s tm e t h o d s ， a p p a r a t u sa n dc o n d i t i o n sa r es e l e c t e d ，s t u d i e da n dc o m p a r e d i ti sc o n c l u d e dt h a to p t i c a l m i c r o s c o p e i ss u i tt ot h em e a s u r e m e n to fs i z e ，w e i 曲血go fp o w d e ri ss u i tt ot h e m e a s u r e m e n to f b u l kd e n s i t y , t a m p i n gv i b r a t i o ni ss u i tt ot h em e a s u r e m e n to f f l o wp r o p e r t y , m o i s t u r ec o n t e n ta n dh y d r o p h o b ep r o p e r t yt a i lb em e a s u r e db yt h em e t h o d sd e s c r i b e di n g b4 0 6 6 2 0 0 4 a n dp r e s s u r i n gi ss u i tt ot h em e a s u r e m e n to fa n t i c a k i n gp r o p e r t y s u p p r e s s i o ne f f e c t i v e n e s s i s r e p r e s e n t e db ya g e n tc o n c e n t r a t i o n a te x t i n c t i o n n e a p p a r a t u si sc o n s i s t e do ff e e d i n gs y s t e m ，a i rs u p p l y i n gs y s t e m ，f u e ls u p p l y i n gs y s t e ma n d c o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n gs y s t e m 仇ea g e n tc o n c e n t r a t i o na te x t i n c t i o ni sm e a s u r e db y r e g u l a t i n gt h ef l o wo fa i ra n df e e d i n gr a t e k e y w o r d ss u p e r f i n ed r yp o w d e re x t i n g u i s h i n ga g e n tp a r a m e t e ro fp e r f o r m a n c e p h y s i c a lp e r f o r m a n c es u p p r e s s i o ne f f e c t i v e n e s s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：盎瑾 砷j 年绸彩目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生繇啦塞w 年咖彳日 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 l 前言 冷气溶胶灭火剂是伴随着全世界范围内淘汰哈龙行动应运而生的一种新型哈龙 替代型灭火剂。 哈龙灭火剂具有既清洁又安全的特性，灭火效率高、速度快、不导电、灭火后无 残留且适用范围广，多年来在灭火剂领域一直占据主导地位。在人们认识到哈龙是臭 氧消耗物质之前，尤其是2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，哈龙1 2 1 1 和1 3 0 1 在电子计算机 房、历史博物馆、船舰和飞机等要害场所大量使用。哈龙灭火剂主要有1 3 0 1 、1 2 1 1 、 2 4 0 2 三种，其灭火原理与一般常用灭火剂降温、隔绝氧气的机理有根本不同。哈龙灭 火剂在火焰的高热中分解产生活性游离基b r 或c 1 ，参与物质在燃烧过程中的化学 反应，使链反应中断，从而达到灭火的效果。哈龙到达臭氧层受到短波紫外线照射分 解，引发了破坏臭氧的反应。臭氧层的破坏将会严重影响生态环境和人类健康，引起 国际社会的极大关注。鉴于此，1 9 8 5 1 9 8 7 年间世界主要国家就保护臭氧层、淘汰耗 损臭氧层物质，先后签署了著名的维也纳公约和蒙特利尔议定书，目前哈龙灭 火剂已在发达国家遭到禁用，其它国家也将其归为淘汰物质【l 】。我国已于1 9 8 9 年和 1 9 9 1 年分别加入了公约和议定书，并在1 9 9 2 年制订了中国消耗臭氧层物质 逐步淘汰的国家方案，以实际行动兑现了我国向国际社会作出的承诺一我国消防行 业到2 0 0 5 年1 2 月3 1 日完成哈龙1 2 1 1 的淘汰任务，从2 0 0 6 年1 月1 日起全部停止哈 龙1 3 0 1 的生产，至2 0 1 0 年底全部停止哈龙的使用。当前，寻求不破坏大气臭氧层、 灭火效率高、无毒无害的哈龙灭火剂替代品及替代技术，已成为各国近年来研究的热 点之一。 目前国内外正在广泛开展研制的哈龙替代产品0 3 主要有四类：卤代烃、惰性气体、 固体微粒气溶胶灭火剂和细水雾灭火剂。卤代烃灭火剂和惰性气体灭火剂都属于气体 灭火剂，在寻找哈龙替代物的初期，开发的气体灭火剂主要以卤代烃灭火剂为主。卤 代烃灭火剂的种类很多，如h f c 、p f c 、h c f c 、h b f c 、f i c 等。卤代烷灭火剂可直接使 用哈龙的装置，但多数卤代烃g w p 值大，大气存留时间长，部分卤代烃的o d p 值不为 零，不可能得到长期使用。惰性气体及其混合物是不导电的洁净灭火剂，但以高压气 体的方式存储，需要高压存储容器，系统的体积大、重量高；并且灭火效力低，所需 的灭火浓度高，排放持续时间约为1 2r a i n ，在某些火灾蔓延较快的场合中使用受限： 周围大气中氧含量的减少会导致某些区域c o 产物增多。细水雾灭火剂对环境影响小、 灭火迅速、耗水量低、破坏性小、能够抑制易燃液体立体火灾。采用细水雾系统的主 要困难来自于设计和工程，主要问题为：如何在重力作用和水在物体表面沉积的情况 下，使水雾布满整个空间；如何产生弥散大小合适的液滴和保持足够的浓度。固体微 粒气溶胶灭火剂，即气溶胶灭火剂容积效率高、初始成本和使用周期成本低、毒性低， 南京理工大学硕士论文 冷气溶胶灭火剂性能表征研究 对全球大气环境无己知不良影响，具有广阔的开发应用前景。 目前国内外所研究的固体颗粒气溶胶灭火齐u 有两类，即热气溶胶灭火剂和冷气溶 胶灭火剂。热气溶胶灭火剂。1 是由氧化剂、还原剂及其它添加剂组成的烟火类物质，由 于它是以燃烧方式形成灭火气溶胶，因此其生成的、起主要抑制火灾燃烧反应进行的 固态微粒粒度容易达到il tm 以下，换句话说，形成具有弥漫特征的灭火气溶胶并不 困难，这也是热气溶胶灭火剂迅速进入实用的重要原因之一。热气溶胶灭火剂灭火时 集化学抑制、吸热降温、降低氧浓度三种机理于一体。因而灭火效果很高。热气溶胶 灭火剂制备工艺简单、原材料易得、生产成本低、相应的灭火装置维护方便，因而越 来越被人们认可。并在变配电室、发电机房、电缆夹层、电缆井、电缆沟等无人、相 对封闭、空间较小的场所得到了应用。适用于扑救柴油( 一3 5 号柴油除外) 、重油、润 滑油等丙类可燃液体的火灾和可燃固体物质表面火灾。由于气溶胶会影响能见度，因 而其不宣用在有人场所，尤其是在公共场所不宜使用，这种灭火剂也不适用于爆炸危 险区域的惰化。然而在热气溶胶灭火剂的应用中发现，由于它是通过高放热的燃烧反 应产生灭火介质的，因此引发如下连带问题：燃烧时火焰外喷，产生二次引发火灾 的危险；设备表面温度过高；由于它是烟火类物质，热稳定性较差，同时它以燃 烧方式形成气溶胶，人们心理不易接受；由于释放的灭火气溶胶温度较高，不利于 火场的降温；热气溶胶灭火剂对抑制a 类深位火仍有困难。这些连带问题出现，限 制了热气溶胶灭火剂的应用范围。所以，开发一种既能产生高效灭火的气溶胶，灭火 时又无高温反应连带问题的灭火技术，已成为气溶胶灭火技术的最新研究方向。 冷气溶胶灭火剂正是在实现人们这种期望的基础上发展起来的，它克服了热气 溶解灭火剂的高温负作用，又具有高效的灭火能力，它的出现很快引起了人们高度 关注和兴趣，并成为了近年来消防领域的研究热点之一。 i i 冷气溶胶灭火剂的发展现状 气溶胶灭火剂“1 系指由浓缩的气溶胶或弥散的气溶胶组成的不会对臭氧层造成破 坏的灭火剂。冷气溶胶灭火剂是一类粒度细微的有强烈抑制燃烧作用的超细粉体。 冷气溶胶灭火剂克服了热气溶胶灭火剂诸多的缺陷，施放的微粒能均匀分散在整 体空间内。小尺度的研究实验表明，其单位质量的灭火效率能达到普通干粉灭火剂的 6 - 1 0 倍8 3 。由于冷气溶胶灭火剂粒度很小，扩散性能趋于气体，因此有可能适用于全 淹没条件下的火灾保护，具有全方位保护空间的独特性和优越性，可扑灭相对封闭空 间或半封闭空间的a 、b 、c 类火灾。对大气环境无不良影响，既不会破坏臭氧层，也 不会产生温室效应，同时还具有无腐蚀、无污染，对人无毒、无害的特点；不附带二 次危险，保证了应用的安全性。与普通干粉相比，灭火效率高，速度快，灭火后易清 除，价格相对低廉。作为哈龙替代产品，冷气溶胶灭火剂在火灾扑救方面，其各种性 能具有明显的优越性m 。 2 南京理工大学硕士论文冷气溶脏灭火剂性能表征研究 目前，冷气溶胶灭火剂在其配方设计、制备工艺、性能表征及应用技术等方面的 研究已取得了一定的成果。国外开发的冷气溶胶灭火剂已少量投入使用，我国近几年 才开始对冷气溶胶灭火剂进行研究的，目前仍处于探索阶段。 1 1 1 配方设计 目前冷气溶胶灭火剂的组成主要有： ( 1 )以于粉灭火剂为基础发展起来的冷气溶胶灭火剂”1 ，其组成仍与干粉灭火 剂基本相同，主要成份为k h c 0 3 、n i - 1 4 h 2 p 0 4 等。传统的干粉灭火剂吼”粒径分布很广， 平均粒径约4 0t a n ，而这种冷气溶胶灭火剂是将干粉灭火剂的主要组分制成超细颗粒， 粒径在5 m 以下。由于粒度很小，存在颗粒间易团聚等诸多不足，为改善其灭火性 能，常常在配方中加入一些添加剂，比如： a ) 由于主要成分k h c 0 3 、n h 4 h 2 p 0 4 等为盐类物质，超细化后易吸湿，为防止 微粒团聚，添加硅油、硬脂酸盐等抗结块剂对颗粒表面进行处理。 b 1 为防止储存时颗粒形成絮凝态，为此添加抗絮凝剂，如烷基酯类物质等。 c ) 为克服超细颗粒间的静电作用，为此加入云母、石墨、蛭石及表面活性剂诸 如二甲苯磺酸钠、硫酸月桂醇钠等。 d ) 为提高灭火组分的流动性能，为此加入助流剂诸如滑石、沸石、硅酸盐等。 e 1 添加工艺附加物如粉碎助磨剂和挥发性溶剂分散剂，这类物质的加入有助于 冷气溶胶灭火剂的顺利加入和均匀混合。 f ) 为提高灭火剂灭b 类火时抗复燃性能，为此加入氟碳表面改性剂，这类表面 改性剂的加入可使灭火剂粉末的表面能降低，从而对碳氢油没有润湿性，此时若将其 喷射灭b 类火时，超细粉末能飘浮在碳氢油表面，阻止碳氢油的挥发而消除复燃的危 险性“o 1 ”。 此外国内外的研究中还存在一些新型冷气溶胶灭火剂配方。英国c r o d a 国际有限 公司”1 科技人员为进一步提高冷气溶胶灭火剂的灭火能力，设计了新型冷气溶胶灭 火剂的工艺，其主要成分是扎h 3 0 ，其中m 为钾或钠，是由尿素和碱金属氢氧化物 或碳酸盐反应所得的产物。英国“”原子能管理局科技有限公司提出，两种气体或蒸汽 材料反应可生成一种粒子尺寸小于5 m 的灭火剂，例如，种氢氧化钠的气溶胶颗 粒与c 0 2 气体反应生成碳酸氢纳微粒，或者卤化硼蒸汽与水蒸气反应生成硼酸微粒， 这些微粒可单独或与其它组分如硅酸、氧化铝或硬脂酸钙联合作为灭火剂使用。日本 “”t a n a k a 发明了一种灭火快速、抗复燃性、抗燃料性比传统灭火剂好，且适用于极性 和非极性溶剂火灾的灭火剂，其含有与每个分子中的第一、第二和第三阳离子基混合 的高分子量阳离子聚胺化合物。此外，1 9 9 9 年，g t l i n t e r i s 和m d r u m m i n g e r 发表了关于利用f e ( c 。h 5 ) ：( 即二茂铁) 进行灭火试验的研究报告“，2 0 0 0 年又相继发 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 表了相关论文“7 ”3 ，由于f e ( c 5 h 。) 。在火焰中分解出铁原子，并与0 。和水反应生成f e o 、 f 如以及f e ( 0 h ) ：等活性中间体，这些活性中间体可以与燃烧反应过程中产生的自由 基h - 、0 等结合，阻止自由基链反应，从而达到抑制燃烧和熄灭火焰的作用。由于二 茂铁毒性小、灭火效率高、使用浓度低、对环境友好等优点，今后有望成为应用前景 非常广阔的新型哈龙替代品。 1 1 2 制各工艺 冷气溶胶灭火剂是一种类气态的新型高效灭火剂，其核心组份是粒径小于5um 、 对气相火焰有强烈抑制作用的超细化粉体。由于粒度小于5pm 后，微粒的表面能很 大，易团聚。因而，粉体表面改性成为了冷气溶胶灭火剂各工艺中的关键工序和关键 技术。下面就粉体的超细化和表面改性进行简单介绍。 超细化工艺 已有研究结果表明，对于化学干粉灭火剂，颗粒大小与灭火效能成反比关系，这 就是冷气溶胶灭火剂之所以成为高效灭火剂的主要原因。因此冷气溶胶灭火剂制备工 艺研究首先需要解决的是如何获得超细化粉体。 而现有的冷气溶胶灭火剂普遍是由普通干粉灭火剂添加一定的辅料超细化制备而 成。粉体的超细化方法“”主要有物理方法和化学方法。其中物理方法又派生出粉碎法 与构筑法两大类；化学法又派生出了沉淀法( 溶液反应法) 、水解法、喷雾法及气相反 应法等。化学法与物理法的主要区别在于方法的选择及工艺条件的控制，二者都可以 用于制各微米、亚微米和纳米级粉体。现阶段超细粉体最广泛采用的制备方法主要为 喷雾法、机械粉碎法。但是从喷雾法工艺来看，该制备工艺所需的设备及工艺条件要 求高，就目前而言，制备成本太高。 现有研究结果表明。”采用高速球磨或气流粉碎法都能获得平均粒径为5l lm 以下 的超细粉剂。也有以磷酸二氢铵和硫酸铵为主料。“，添加一定辅料，采用水相合成法 制备主要分布在1 0 0n m 5 0 0n m 的超微磷酸铵盐干粉灭火剂。由此可见，要获得粒度 在51 t m 以下的粉体并不困难。 表面改性工艺 冷气溶胶灭火剂制各过程中比较关键的一步是粉体的超细化，而粉体的“粉碎与 反粉碎”过程实际上是粉碎过程中新生粒子的分散与团聚问题，它对产品最终细度起 着至关重要的作用。超细粒子在制备过程中，易团聚是影响其特性的一个致命缺点， 因此，解决粒子在不同状态下的团聚问题是十分重要的。 当颗粒尺寸变得很小时，颗粒已不再是一个惰性体，丽是一个能供给电子和抓取 电子的物体，是一个化学活性物质，由于超细微粒结构上的特点，其表面很复杂，严 重的表面原子缺乏，因此其化学活性很高；又由于超细微粒巨大的表面能，使微粒极 易聚合，形成软团聚或硬团聚。超细粉体的高化学活性和表面能严重地影响了冷气溶 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性自表征研究 胶灭火剂在贮存、使用过程中的稳定性、分散性和流动性，因而也限制了冷气溶胶灭 火剂的发展。但这一问题一般可通过粉体表面改性处理来解决。粉体表面改性就是针 对超细粉体颗粒的不稳定性，通过对其表面进行物理或化学改性，获得稳定、单分散 且具有良好分散性的超细粉体的技术处理。”。 超细粉体的表面改性方法。2 1 很多，分类也各不相同，最主要的有：包覆改性法、 表面化学改性法、机械化学改性法、沉积表面改性法以及新近发展的微胶囊改性法。“。 包覆改性、沉积改性相对来说表面改性后产率低，不利于工业化生产，目前用的较少。 微胶囊改性、机械化学法表面改性与乳化法表面化学改性是目前广泛推广的三种表面 改性方法，但微胶囊表面改性后粉体粒径较大，难以满足冷气溶胶灭火剂所需的粒径 要求，且后处理工艺较为麻烦，相对来说成本很高。机械化学法表面改性和乳化法表 面化学改性相对来说产率较高。工艺简单且可连续实现批量生产。现有研究结果表明 用f c 型表面活性剂或十八烷基胺对超细粉体灭火剂采用乳化法进行表面处理后能达 到比较好的效果1 。 1 1 3 性能表征 目前干粉灭火剂和气体灭火剂国内外均有完整的标准和工程规范，而冷气溶胶灭 火剂，目前正处于研究开发阶段，对它的理化性能及灭火效能理解不透，建立标准和 规范还需时日，因此有关它的性能表征方法显得非常重要，因为无论是研究还是其生 产，都需要一定的标准和方法来衡量其质量的优劣。 国内外对于冷气溶胶灭火剂性能的研究主要是针对其粒径及灭火效能，尤其是两 者之间的关系是大家普遍关注的问题。在评价方法上，主要在考虑“细微”特征的基 础上参照干粉灭火剂和气体灭火剂的有关标准。 美国建筑与火灾科学实验室在发表的一篇关于n a h c o 。灭火剂储存稳定性o ”的报道 中介绍了其在不同金属容器中，在一定环境条件下一定时间后，通过红外光谱分析比 较老化样品和原始样品的化学结构，测试其稳定性。b e n n e t t 等人凶1 在研究干粉灭火 剂时主要考虑了其与火焰作用时从火焰上吸收热辐射的能力，来衡量其性能的优劣。 e r n e s ts u n m l e ra s h w o r t h 啪1 在发明一种以钠、钾金属的音位变体盐作为主要成份的粉 末灭火剂时，通过该灭火剂来扑灭不同尺寸的油盘火来确定其高效的灭火效能。 c h r i s t o p h e rr e y n o l d s 等人”7 1 在研究一种粉末灭火剂的表面处理效果时，主要考虑了 其斥油性以及抗复燃性。g t l i n t e r i s 啪1 在研究新型灭火剂f e ( c o ) 。时采用杯式燃 烧器来验证其高效的灭火效能。俄罗斯埃波托斯有限公司。1 研制开发的超细干粉自动 灭火器中主要说明了其灭火时间、保护面积与使用环境温度。国内武汉绿色消防器材 有限公司生产的超细干粉灭火剂主要技术参数为外观、平均粒度、松密度、吸湿率、 电绝缘性、喷射性能、灭火浓度。总之，关于冷气溶胶灭火剂，系统的性能评价方法 与手段还没有建立，这对冷气溶胶灭火剂的发展和工程应用是十分不利的。 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 1 1 4 应用技术 冷气溶胶灭火剂灭火效率高，且预计的应用范围广泛。比如：油、棉、纸、木材、 烟草及石油化工产品的仓库，轮船、飞机、火车、汽车的客舱及配电室，电站的机房 及电缆沟，办公室的藏书室、计算机房及工作间等场所的火灾防护。 但是目前冷气溶胶灭火的研究仍然处于开发阶段，其实际应用还不成熟。关于冷 气溶胶灭火剂的产品开发应面向以下种类【5 】：有管网冷气溶胶灭火剂自动灭火系统， 其利用氮气瓶组内的高压氮气，进入超细粉体灭火剂罐，推动灭火剂经输出管由设置 在保护区的喷嘴喷出，迅速灭火。无管网冷气溶胶灭火荆灭火装置。如悬挂式或柜 式自动灭火装置。其可依靠定温式或电控式控制装置来将阀门打开释放灭火剂灭火。 手提式超细粉体灭火剂，其灭火效率高，重量轻，使用方便。可依靠一定的气体动 力源来达到喷放的效果。移动式冷气溶胶灭火装置，如灭火弹等。微型高效灭火 器，其主要面向小空问的全淹没灭火。 1 2 本课题拟开展的研究内容 以上围绕冷气溶胶灭火剂的发展现状作了全面的分析，可以看到，不管是它的配 方设计、制备工艺，还是性能表征的方法和手段以及工程应用，研究都刚刚起步。本 文认为，灭火剂的性能范围、表征方法与手段是灭火剂配方设计、制备工艺和工程应 用研究的基础，性能表征问题将制约冷气溶胶灭火技术的发展速度，尤其在当前刚刚 开始发展，更显示了解决该问题的重要。为此，本文着重论述冷气溶胶灭火剂的性能 表征问题，研究内容包括三个方面： ( 1 ) 性能参数的选择； ( 2 ) 灭火剂物理性能的评价方法和手段； ( 3 )重点研究冷气溶胶灭火剂灭火效能的评价方法及相应测试装置。 南京理工大学硕士论文 冷气溶胶灭火荆性能表征研究 2 冷气溶胶灭火剂性能参数 冷气溶胶灭火剂是由具有高效抑制火焰的物质及其辅助添加剂组成的超细粉 体，其粒度比干粉灭火剂细得多，但与气体相比，它是由大量分子构成的聚集体， 它在大气中的流动扩散能力取决于粉体的粒度，随着粒度的下降，流动性趋于气体 特征，但扩散能力明显弱于气体；在应用定位上，既可应用于局部灭火，也可应用 于全淹没条件下的火灾保护。因此本文在考虑冷气溶胶灭火剂性能参数时，参照气 体灭火剂和干粉灭火剂的性能要求，兼顾粉体特征和应用定位。 2 1 气体灭火剂性能参数 3 1 - 3 8 1 目前气体灭火剂使用最成熟的为c 0 2 灭火剂、i g 一5 4 1 与七氟丙烷灭火剂。以下 结合这三种气体灭火剂标准和规范，寻找编写者在考虑气体灭火剂性能要求时，所考 虑的性能参数范围。 ( 1 ) c 0 2 灭火剂 根据g b4 3 9 6 8 4 、1 s o6 1 8 3 、n f p a l 2 标准以及二氧化碳灭火系统设计规范，c 0 2 灭火剂( 液相) 应考虑了以下的性能参数： a 物理性能。 b 纯度。 c 水含量。 d 油含量 e 乙醇等其它有机物。 c 0 2 在全淹没灭火系统及局部应用灭火系统中使用时，还考虑了以下性能参数： f 灭火浓度。在1 0 1k p a 大气压和规定的温度条件下，扑灭某种火灾所需二氧 化碳在空气中的最小体积百分比。 g 抑制时间。维持设计规定的二氧化碳浓度使固体深位火灾完全熄灭所需的 时间。 h 充装率。储存容器中二氧化碳的质量与该容器容积之比。 i喷头入口压力与单位面积的喷射率。 j适用范围。二氧化碳灭火系统可用于扑救下列火灾：灭火前可切断气源 的气体火灾；液体火灾或石蜡、沥青等可熔化的固体火灾：固体表面火灾及棉毛、 织物、纸张等部分固体深位火灾；电气火灾。二氧化碳灭火系统不得用于扑救下列 火灾：硝化纤维、火药等含氧化剂的化学制品火灾；钾、钠、镁、钛、锆等活泼 金属火灾；氢化钾、氢化钠等金属氢化物火灾。 k 对人的危害。每个防护区内设置火灾报警信号，其目的在于提醒防护区的人 员迅速撤离防护区，以免受到火灾或灭火剂的危害。 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 ( 2 ) i g 5 4 1 灭火剂 i g 一5 4 1 灭火剂是无色、无味、不导电的气体，其密度与空气密度基本相同，是由 体积比为5 2 的氮气、4 0 的氩气和8 的二氧化碳组成的混合气体，其特点是可用 于有人区域的全淹没灭火系统。 根据i s o1 4 5 2 0 1 5 - 2 0 0 0 、n f p a2 0 0 1 洁净气体灭火系统标准及洁净气体 i g - 5 4 1 灭火系统设计、旋工、验收规范，i g 。5 4 1 灭火药剂应考虑以下性能参数： a 纯度。 b 湿度。 c 氧。 d 物理性能。包括i g 一5 4 1 的分子量、沸点、凝固点、临界温度、临界压力、临 界体积、临界密度、蒸汽压、液体密度、蒸汽密度、过压蒸汽的比容。 e 毒性。以人体缺氧的生理影响为基础，性能包括不可见有害作用等级( n o a e l ) 与最低可见有害作用等级( l o a e l ) 。 i g - 5 4 1 在应用于全淹没系统灭n 一庚烷和a 类表面火灾时还考虑以下性能参数： f 灭火浓度。在1 0 1 3 2 5k p a 大气压和规定的温度条件下，扑灭某种物质火灾 所需i g 5 4 1 在空气中的最小体积百分比。 g 惰化浓度。在1 0 1 3 2 5k p a 大气压和规定的温度条件下，能抑制空气中任意 浓度的气体或液体蒸气的燃烧或爆炸发生所需要的i g5 4 1 在空气中的最小体积百分 比。 h 抑制时间。维持设计规定的i g5 4 1 浓度，使防护区内火灾完全熄灭所需的时 间。 i 灭火剂充装量。 j 额定充装压力。 k 灭火系统适用范围。可用于扑救下列火灾：电气火灾，电子产品及通讯 设备火灾，甲、乙、丙类液体火灾或灭火前可切断气源的气体火灾，固体表面火 灾及棉毛、织物、纸张等部分固体深位火灾：不得用于扑救下列物质火灾：能自身 提供氧的化学品，如硝化纤维、硝酸钠、氯酸钠等火灾，活泼金属，如钾、钠、镁、 钛、锆等火灾，金属的氢化物，如氢化钠、氢化钾等火灾，能自行分解的化学品， 如过氧化氢、联胺等火灾。 ( 3 ) 七氟丙烷灭火剂 七氟丙烷按系统命名法应为1 ，1 ，1 ，2 ，3 ，3 ，3 - 七氟丙烷。依照国际通用卤代烷命名法 则称为h f c 2 2 7 e a 。 根据g b1 8 6 1 4 2 0 0 2 、i s o1 4 5 2 0 9 及七氟丙烷h f c 2 2 7 e a 洁净气体灭火系统 设计规范，七氟丙烷灭火剂应考虑以下性能参数： 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 a 纯度。 b 酸度。 c 水分。 d 蒸发残留物。 e 悬浮物和沉淀物。 f 七氟丙烷物理性能。包括沸点、冰点、临界温度、临界压力、蒸气压、气体 密度、液体密度。 g 毒性。未观察到不良反应最大浓度( n o a e l ) 及可观察到不良反应最小浓度 ( l o a e l ) 。 h 对环境影响。臭氧层消耗潜能值( o d p ) 、 对于全淹没灭火系统及局部应用灭火系统，考虑以下性能参数： i 灭火浓度。在1 0 1 k p a 大气压和规定的稳定条件下，扑灭某种火灾所需七氟丙 烷在空气中的最小体积百分比。 j 惰化浓度。当火源引入时，在1 0 1k p a 大气压和规定的温度条件下，能抑制 空气中任意浓度的易燃可燃气体或易燃可燃液体蒸汽的燃烧发生所需的七氟丙烷在空 气中的最小体积的百分比。 k 浸渍时间。在防护区内维持设计规定的七氟丙烷浓度，使火灾完全熄灭所需 的时间。 l 充装率。充装在储存容器中的七氟丙烷质量与容器的容积之比。 m 灭火系统适用范围。可用于扑救下列火灾：电气火灾，液体火灾或可 熔化的固体火灾，固体表面火灾，灭火前应能切断气源的气体火灾；不得用于扑 救下列物质火灾；含氧化剂的活学制品及混合物，如硝化纤维、硝酸钠等，活泼 金属，如钾、钠、镁、钛、锆、铀等，金属氢化物，如氢化钾、氢化钠等，能自 行分解的化学物质，如过氧化氢、联胺等。 以上为三种气体灭火剂在应用于火灾保护时，所涉及的性能参数的详细情况，本 文将这些性能参数归纳为物理性能、灭火性能、充装及施放性、应用适用性和环境适 应性五个方面，如表2 1 所示 南京理工大学硬士论文 冷气溶胶灭火卉甘性能表征研究 表2 1 气体灭火剂性能要求 性能要求 c 0 2 i ( 3 5 4 1 七氟丙烷 物理性能 设计浓度、最大浓度、灭 灭火性 火浓度、抑制时间 ， 充装率、喷头入口压力与 充装与施放 单位面积的喷射率 能扑救的火灾类型与不 应用适用性 适合扑救的火灾类型 对人的危害、对环境的危 环境友好性 害 设计浓度、最大浓度、灭设计浓度、最大浓度、灭 火浓度、惰化浓度、抑制火浓度、惰化浓度、浸渍 时间 充装密度 适用的火灾类型，与不适 合的火灾类型 毒性( n o a e l 、l o a e l ) 时间 充装密度 适用得火灾类型与不适 用得火灾类型 毒性( n o a e l 、 l o a e l ) 、o d p 2 2 干粉灭火剂性能要求1 3 叫2 1 、 干粉灭火剂是非常小的碳酸氢钠、碳酸氢钾或磷酸铵盐颗粒组成的粉末，其中添 加辅助颗粒材料以具有抗结块性、抗吸湿性以及流动性。干粉灭火剂系统是由干粉储 存装置经输送管道连接到固定的喷嘴上，通过喷嘴喷放干粉的灭火系统。 以下结合标准规范g b4 0 6 6 - 2 0 0 4 、n f p a1 7 a 、i s o7 2 0 2 及干粉灭火系统设计规 范，分别介绍干粉灭火药剂与应用于全淹没灭火系统、局部应用灭火系统及预制灭火 装置时，考虑到的性能参数。 ( 1 ) a b c 干粉与b c 干粉共有的性能参数： a 主要组分含量。 b 松密度。 c 含水率。 d 吸湿率。 e 抗结块性。 f 斥水性。 1 0 氘浦黼躐威 固力 一涩纯 一一一一一氡一勋铡蒸瓠氧点临界歌比 沸 、临瓣的诅；霉舢懈一虢 、体 、等蹴滞觚粥 南京理工大学硕士论文 冷气溶胶死火剂性能表征研究 g 粒度分布。 h 耐低温性。 i 电绝缘性。 j 颜色。 k 喷射性能。 l 气固比。 m 增压时间。干粉储罐中，从干粉受驱动至干粉储罐开始释放的时间间隔。 n 灭1 3 、c 类火灾效能。在专用于粉灭火器中以固定压力扑灭油盘，火焰全部熄 灭即为灭火试验成功。 o 适用场所。可用于扑救下列火灾：灭火前可切断气源的气体火灾，易燃、可燃 液体和可熔化固体火灾，可燃固体表面火灾，带电设备火灾。不得用于扑救下列 物质火灾：硝化纤维、炸药等无空气仍能迅速氧化的化学物质与强氧化剂，钾、 钠、镁、钛、锆等活泼金属及其氢化物。 ( 2 ) a b c 干粉特有的性能参数： n 灭a 类火灾效能，因为b c 类灭火剂不能有效的扑灭a 类火灾。 oa b c 干粉灭火剂不能用于机械，诸如纺织操作中的梳理设备以及精密电子设 备。因为暴露于高于2 5 0 0 f ( 1 2 1 0 c ) 的温度或相对湿度高于5 0 时，残余物将腐蚀、导 电且难于清除。 由以上列出的干粉灭火剂性能要求可以看出，在评价干粉灭火剂性能时除需要考 虑气体灭火剂的五个方面外，还需考虑它的贮存性能。如表2 2 所示。 表2 2 干粉灭火剂性能要求 性能要求a b c 干粉b c 干粉 物理性能 贮存性 灭火性 充装与施放 应用适用性 环境友好性 主要组分含量、粒度分布主要组分含量、粒度分布 含水率、吸湿率、抗结块性、斥水性、含水率、吸湿率、抗结块性、斥水性、 耐低温性耐低温性 灭a 类火效能、灭b c 类火效能、灭火灭b c 类火效能、灭火浓度、灭火剂最小 浓度、灭火剂最小量、最小流速量、最小流速 松密度、喷射率、气固比、灭火剂充装松密度、喷射率、气固比、灭火剂充装 量、额定充装压力量、额定充装压力 能扑救的火灾类型与不得扑救的火灾适用的火灾类型，与不适合的火灾类型 类型 电绝缘性电绝缘性 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 2 3 冷气溶胶灭火剂的性能参数 冷气溶胶灭火剂与气体灭火剂、干粉灭火剂的主要区别在于其运动质点的大小。 气体灭火剂的运动质点为分子，分子运动具有不规则性和撞击的频繁性。而干粉灭火 剂的粒度在4 0 岫以上，重力作用对它流动性有明显影响，表现为在环境中易于下落。 冷气溶胶灭火剂的粒度一般在1 5 岬之间，微粒在气体中既受重力作用影响，又具有 类气体的扩散弥漫性，但又没有气体那样易于弥漫和扩散。鉴于此，本文在考虑性能 要求时，综合考虑其具有类气体特征和固体微粒特征，同时也从六个方面考虑。如表 2 3 所示。 表2 3 冷气溶胶灭火剂性能参数 性能要求参数 物理性能 贮存性 灭火性 充装与施放 应用适用性 环境友好性 粒度及其分布、化学组分 含水率、吸湿率、抗结块性、斥水性、耐低温性 粒度分布、灭a 、b 类火性能、灭火浓度、灭火时间、复燃性 松密度、流动性、喷射性能、振实密度 电绝缘性、腐蚀性、适用扑救的火灾、不适用扑救的火灾 毒性、o d p 、g w p 南京理工大学硕士论文冷气溶胶死火剂性能表征研究 3 冷气溶胶灭火剂物理性能表征方法研究 文中表2 3 介绍了在表征冷气溶胶灭火剂性能时应该考虑的性能参数范围。本文 着重就冷气溶胶灭火剂的粒径、松密度、流动性、吸湿性、斥水性和抗结块性的测试 方法、仪器及评价方法进行研究。 3 1 冷气溶胶灭火剂试样及其制各 本章所使用的冷气溶胶灭火剂是以普通磷酸铵盐干粉灭火剂为原料，采用已有的 方法“”进行制备得到的。其组成如表3 1 所示，其它的物理性能如表3 2 所示。 表3 1 冷气溶胶灭火剂的配方 表3 2 冷气溶胶灭火剂的物理性能 本章将以此冷气溶胶灭火剂为试样，开展有关灭火剂性能的测试方法，装置，及 其性能方法的研究。 3 2 粒径f p a r t i c l es i z e ) 冷气溶胶灭火剂的粒径及其分布对于其灭火效能以及贮存、流变性能均有相当大 的影响，所以如何测量冷气溶胶灭火剂的粒径及其分布非常重要。 粒径是粒子的一维几何尺寸，球形粒子的直径就是粒径，而非球形粒子的粒径一 般用等效球体的直径表示，称为等效球体直径或当量直径。 超细粉体一般为多分散颗粒体系，即体系由粒径大小不等的粒子组成，粒径分布 又称粒度分布，分为频率分布( 相对分布) 和累积分布。累积分布又分为上累积分布 和下累积分布。频率分布表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒百分含量；累积分 布表示大于或小于某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量，累积分布是频率分布的积 分形式。百分含量一般以颗粒质量、体积、个数为基准。 目前，用于颗粒粒度的检测方法“8 “”主要有筛分法、沉降法、显微镜法、光散射 法、全息照相法、电传感法。 筛分法是最传统的一种粒度分析方法，即将分散性较好的超细粉体用一定目数的 筛子过网。筛分法是依据是否通过网目的单纯限规原理，测定值中无杂难的物理要因， 不只测定粒度分布，也可得狭小粒度范围的区分( 整粒粉体) 。普通粒径在4 0 岫左 13 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 右的干粉灭火剂粒径测量方法即采用的筛分法。然而目前最细的标准筛只有5 0 0 目( 相 当于2 5g m 左右) ，新发展的电沉积筛网虽然可以筛分小至5l a m 的粉体物料，但筛分 时间长，且经常发生阻塞，也很少用于粒度分析。因此，对于平均粒径在o 1 0t m a 左 右的冷气溶胶灭火剂不可能使用传统的筛分法进行粒度分析。 沉降法是根据不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同测量粒度分布的一种方 法。它的基本过程是把样品放到某种液体中制成一定浓度的悬浮液，悬浮液中的颗粒 在重力或离心力作用下将发生沉降。大颗粒的沉降速度较快，小颗粒的沉降速度较慢， 沉降速度与粒径之间存在一定的函数关系。通过测量超细粒子分散体系因沉降而发生 的浓度变化，即可测定粒子大小和粒度分析。该方法适于1 0 0v a n 以下的粒径测定。 但是当悬浮在液体中的颗粒小到一定程度时，颗粒除了因重力的作用产生位移，还有 一种不规则的运动一布朗运动，也使颗粒产生位移。因此用沉降法测定颗粒粒径存在一 个最小可测粒径值，超过这个值用沉降法测得的结果没有意义，且最小粒径值与颗粒 密度成反比，所以该方法不适合冷气溶胶灭火剂粒径测量方法。 电传感法属于颗粒计数器类型，它最早由英国库尔特( c o u l t e r ) 公司研制生产， 所以称为库尔特计数器。其原理主要是悬浮在电解液中的颗粒，通过一小孔时，由于 排出了一部分电解液而使液体电阻发生变化，这种变化是粒子大小的函数，电子仪器 自动记录下粒度分布。该方法速度快、精度高、统计性好，测试范围是0 4 2 0 0 岬。 全息照相法是使来自被摄物体与物光有相干性的光束( 成为参考光) 产生干涉， 将此干涉图样记住在感光干板上就能得到全息图。由于需要相干性较好的光源，所以 全息照相法只有在有了激光之后才得到发展。全息照相观察再现物体虚像，不需要体 视镜帮助，干板可进行多次曝光记住，分辨率比普通照相高，照片无正负之分，在全 息照相中，物体与干板是点与面的关系。 显微镜法是测量超细粉体粒子大小及分布的一种最为直观的方法，它通过光学显 微镜、投射电子显微镜、扫描电子显微镜直接观察颗粒的像，并且可以拍成照片。这 要测量的样品数量足够多，粉末的分散系具有充分的代表性，该测量方法应是最为直 观准确的一种方法。显微镜法测量颗粒粒度，如用肉眼进行计数以及人工计算，很费 时间，且容易疲劳导致差错。近年来在体视学基础上发展起来的自动图像分析仪对颗 粒尺寸进行自动测量并计数，而且自动算出各种数据，同时具有随机性、统计性与直 观性的优点。 激光光散射法是微电子技术领域一种快速的粒子尺寸测试方法。激光粒度仪作为 一种新型的粒度测试仪器，已经在粉体加工、应用与研究领域得到广泛的应用。它的 特点是测试速度快、测试范围宽、重复性和真实性好、操作简便等。其测量粒径范围 是o 5 1 8 0 0 哪。 本实验考虑到测试方法的适用范围及方便性，选用了光学显微镜法与激光光散射 南京理工大学硕士论文冷气溶胶灭火剂性能表征研究 法进行测量。在超细粉体的粒度测定中，样品的预先分散对测定结果有重大影响。无 论用什么方法或仪器进行测定，都要保证超细粒子分散良好，否则测试结果不可靠。 所以说进行粒度测量时要选择正确的预处理方法才可能得到准确的结果。下面进行详 细介绍。 3 2 1 光学显微镜法 ( 1 ) 原理及仪器 光学显微镜常用来检测1i x n a 以上的粒子粒度。测量时必须用带有刻度标尺( 置 于显微镜的目镜中) 的显微镜，可在放大几十至几百倍的条件下进行观测，利用显微 刻度标尺直接读取微粒直径。刻度标尺必须用“标有测微尺”( 通常是在1r i m 的直线上 刻了1 0 0 等分，每一格相当于o o lr m ) 加以校正。显然，显微镜放大倍数不同，目镜 标尺的“1 格”可代表不同的长度( 岬) ，例如放大1 0 0 倍( 1 0 x 1 0 ) 时，标尺1 格= 1 0 肛m ： 放大4 0 0 倍时，1 格= 2 5 a m ；放大1 0 0 0 倍时( 1 0 x 1 0 0 ) 时，l 格= 1 岫。 本文使用的显微镜为：江南光电股份有限公司生产的j n o e c x s 2 1 2 1 0 3 。放大倍 数为* 1 0 0 。 ( 2 ) 样本的制作、测量及粒径表示 取少量冷气溶胶灭火剂粉末于锥形瓶中，向瓶中加入丙酮与醋酸纤维，然后进行 超声波分散，使粉末能够均匀的分散在溶剂中，1 5 分钟后停止超声波分散仪，迅速用 玻璃棒蘸取分散液滴到载玻片上，用玻璃棒将液体平摊在玻片上，待丙酮挥发完后即 完成了样本的制作。在显微镜下观察玻片，测量落在标尺上或标尺附近各粒子所占的 格数，或者说在视野中计数：1 格以下粒子数，1 2 格粒子数和占2 格以上标尺的粒子数。 为了获得统计上正确的平均，至少统计5 0 0 个粒子。最后再用体积粒径法进行计算， 即可得出所测物料粒径。体积平均粒径公式如下： 一 h d ? ! 或叫i r 式中：埔表示第i 区间内颗粒的个数 函表示第i 区间内颗粒的平均直径 在试验测量时一个样品重复进行3 次。 ( 3 ) 结果与讨论： 表3 3 为测量的粒径值。图3 1 为粒径测量过程中拍摄的照片。 用显微镜观察到颗粒形貌，可以准确地得到球型度、长径比等特殊数据。三次测 量粒径的平均偏差为1 5 8 ，实验的重现性较好。 南京理工大学硕士