耐热超细KAl(OH)?CO?干粉灭火剂的表面改性及其应用性能

《Powder Technology》:Surface modification and application properties of heat-resistant ultrafine KAl(OH)?CO? dry powder fire extinguishing agent

【字体: 时间:2025年11月22日 来源:Powder Technology 4.6

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  本研究通过溶胶-凝胶法对耐高温超细钾铝碳酸氢羟基金属氧化物(UKDW)干粉灭火剂进行表面改性,引入环保含氟硅烷结构获得疏水疏油改性产物(UKDW-FSi)。实验表明UKDW-FSi具有152.8°和149.2°的超高水/油接触角,显著优于未改性样品,其流变性能改善使航空煤油火灭时间缩短至2.64秒(未改性为2.90秒),并具备16.5秒的抗复燃能力。改性材料在300℃以上仍保持热稳定性,适用于高温复杂环境储存,为环保型卤代烷替代灭火剂开发提供新思路。

  
刘丽荣|刘兰凯|黄敬龙|潘仁明|周霞
南京理工大学化学与化学工程学院,江苏南京210094,中华人民共和国

摘要

具有疏水性和疏油性的耐热超细碳酸钾铝氢氧化物KAl(OH)?CO?(UKDW)干粉灭火剂在大型B类火灾(如飞机火灾)中具有潜在的应用前景。本研究采用溶胶-凝胶法对UKDW进行了表面改性,并引入了环保型氟硅烷结构,得到了疏水疏油改性的产品(UKDW-FSi)。系统研究了不同配方条件下UKDW-FSi的改性效果,对其微观结构、化学成分、流动性、疏水性/疏油性、灭火性能和抗复燃能力进行了表征。结果表明,改性的UKDW-FSi的水接触角(WCA)和油接触角(OCA)分别为152.819°和149.158°,表现出优异的疏水疏油性能。同时,改性的UKDW-FSi流动性得到提升,能在2.64秒内扑灭航空煤油火灾,比未改性的UKDW(2.90秒)更快,并具有16.5秒的抗复燃能力。此外,其出色的热稳定性和疏水性确保了其在飞机设备舱室等复杂环境中的长期稳定储存和应用潜力。

引言

近年来,随着大型飞机和远洋油轮的建设和使用,石油泄漏频繁引发火灾,对生态环境和财产安全构成严重威胁[[1], [2], [3]]。传统的卤素灭火剂(如Halon 1301和Halon 1211)因其高灭火效率和低毒性而被广泛用于扑灭B类火灾[[4], [5], [6]]。然而,由于卤素含有消耗臭氧层的氯氟烃,其使用已被国际禁止[[7], [8], [9], [10]]。因此,开发高效且环保的卤素替代灭火剂已成为研究热点[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。其中,超细干粉灭火剂因其低成本、高灭火效率和环保性而成为B类火灾卤素替代品的研究重点[[17,18]]。然而,传统的商业超细干粉(如NaHCO?和NH?H?PO?)在高温下容易分解,分别在约90°C和150°C发生分解反应,不适合在飞机或大型邮轮发动机舱室等高温环境中长期储存[[19,20]]。
Dawsonite(KAl(OH)?CO?)是一种天然存在的矿物,在室温下极其稳定,广泛用作阻燃剂、催化剂和陶瓷材料的前体。此外,其优异的热稳定性使其成为耐高温阻燃填料的理想选择[[21], [22], [23]]。研究人员开发了一种以KAl(OH)?CO?为活性成分的超细Dawsonite粉末(UKDW)灭火剂,其分解温度约为300°C。研究表明,UDWP通过分解产生水蒸气和二氧化碳并吸收热量来灭火,同时捕获燃烧过程中产生的活性自由基,有效抑制火焰。其灭火效率超过了传统超细干粉[[24,25]]。
疏水性和疏油性是影响超细干粉灭火剂性能的关键因素。疏水处理可防止干粉灭火剂吸湿结块,从而提高其流动性[[26,27]]。疏油性使干粉灭火剂能够悬浮在油火表面(如航空煤油上),而不是迅速沉入油中,从而增强其抗复燃能力[[28], [29], [30]]。目前,赵等人[[31]]使用丙烯酸酯聚合物作为氟碳表面活性剂,降低了二氧化硅包覆的聚磷酸铵的表面能。改性的聚磷酸铵干粉灭火剂表现出优异的疏水疏油性能。此外,1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷和全氟壬基氧基苯磺酸钠被用于改性NaHCO?。改性的NaHCO?在油中的活化指数(AI)表现较差[[32]]。郭等人[[33]]使用1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三甲氧基硅烷C8全氟化合物改性超细NaHCO?干粉。改性的超细NaHCO?干粉表现出优异的疏水性和疏油性。然而,长链化合物往往难以自然降解,可能导致生物累积效应并造成土壤损害。本文选用的1H,1H,2H,2H-全氟烷基三甲氧基硅烷是一种C6短链全氟化合物,具有较低的环境影响和更好的生物降解性,从而减少对生态系统的潜在危害[[34], [35], [36]]。为了解决C7和C8全氟化合物的环境危害以及C6化合物的短链问题,采用N-(3-三乙氧基硅基丙基)-全氟(2,5-二甲基-3,6-二氧杂壬酰)酰胺和1H,1H,2H,2H-全氟烷基三甲氧基硅烷(FOTS)的组合来调节分子结构,可以在一定程度上弥补C6的缺陷。因此,将其与C6化合物复合可以获得一种具有良好环保性和优异灭火性能的新型超细干粉产品[[37]]。
本研究探讨了使用单组分1H,1H,2H,2H-全氟烷基三甲氧基硅烷(FOTS)、单组分N-(3-三乙氧基硅基丙基)全氟(2,5-二甲基-3,6-二氧杂壬酰)酰胺(NPFA)及其1:1混合物对KAl(OH)?CO?的疏水疏油改性效果。系统表征了改性产品的微观结构、化学成分、流动性、疏水性和疏油性,并评估了其在航空煤油火灾中的灭火性能,揭示了其灭火机制和抗复燃特性。本研究为超细干粉灭火剂的环保改性提供了新的见解,并为实际应用中提升其性能提供了技术参考。

材料

云母粉、滑石粉、纳米碳酸钙、活性白土、沸石及其他添加剂购自上海McLean生物化学技术有限公司。1H,1H,2H,2H-全氟烷基三甲氧基硅烷(FOTS)购自Bide制药有限公司,四乙基正硅酸盐(TEOS)购自中国药化试剂有限公司。N-(3-三乙氧基硅基丙基)全氟(2,5-二甲基-3,6-二氧杂壬酰)酰胺(NPFA)购自上海氟技术有限公司。

UKDW-FSi样品的表征

采用SEM和粒度分析仪对UKDW和UKDW-FSi的微观形态进行了表征。如图1所示,UKDW具有纤维状结构,颗粒之间存在明显的聚集现象(图1(a)和(b))。由于喷射研磨的作用,晶体颗粒的截面呈现锯齿状,尺寸和形状不规则。表面改性后,晶体表面变得粗糙,可以观察到小的碎片状结构(图1(d)和(e))。

结论

本研究使用1H,1H,2H,2H-全氟烷基三甲氧基硅烷(FOTS)、N-(3-三乙氧基硅基丙基)全氟(2,5-二甲基-3,6-二氧杂壬酰)酰胺(NPFA)和四乙基正硅酸盐(TEOS)对UKDW干粉灭火剂进行了改性。通过溶胶-凝胶反应将氟碳结构引入UKDW表面,得到了表面能降低的UKDW-FSi。UKDW-FSi表现出优异的疏水疏油性能和良好的流动性。

作者贡献声明

刘丽荣:撰写——原始草稿、方法论、数据整理。刘兰凯:正式分析。黄敬龙:研究。潘仁明:监督、资源协调、项目管理、资金获取。周霞:撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(编号22405125)、江苏省自然科学基金(编号BK20230943)和香港学者计划(编号XJ2023051)的财政支持。
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