《FirePhysChem》：A Study on Optimization and Preparation of Naturally Derived Carbohydrate-Based Aerosol-Forming Composites for Fire Extinguishing Applications
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制备了一种新型、绿色、无毒且成本低廉的气溶胶形成复合材料(AFC)。以天然成分（碳水化合物/硝石）为基础制备了烟火型气溶胶形成复合材料(AFC)，该材料可产生更多气溶胶。所制备的AFC具有高达99%的燃烧效率和2.40 mm/s的缓慢燃烧速率，最适合民用应用。
制备了一种新型、绿色、无毒且成本低廉的气溶胶形成复合材料(AFC)。以天然成分（碳水化合物/硝石）为基础制备了烟火型气溶胶形成复合材料(AFC)，该材料可产生更多气溶胶。所制备的AFC具有高达99%的燃烧效率和2.40 mm/s的缓慢燃烧速率，最适合民用应用。在基础AFC中添加赤铁矿(Fe?O?)可将灭火浓度从46.6 g/m3降低至44.9 g/m3。在不同位置进行的pH测量表明气溶胶实现了均匀分散。所产生的气溶胶粒径范围为1–10 μm。
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一、研究背景与问题
自20世纪60年代以来，哈龙(Halon)在多种灭火应用中表现出色，但根据1987年《蒙特利尔议定书》，哈龙因破坏臭氧层而被逐步淘汰。研究人员开发了多种哈龙替代品，包括氢氟碳化物、干粉灭火剂、金属基灭火组合物、细水雾、惰性气体以及烟火气溶胶等。其中，烟火气溶胶灭火系统因其突出优势而被证明最为有效，具有零全球变暖潜能值(GWP)、零臭氧消耗潜能值(ODP)和零大气寿命(ALT)。与需要高压气瓶的气体灭火系统相比，气溶胶灭火系统无需大型管道或高压气瓶，具有体积紧凑、维护成本低和经济高效等优点，因此凝聚相气溶胶灭火系统(CAFES)近年来因其优越的灭火效能而受到广泛关注。
气溶胶形成复合材料(AFC)的主要组分包括氧化剂、还原剂/燃料、粘合剂和添加剂。硝酸钾(KNO?)因其不潮解、疏水性、易获取和高氧含量而被广泛用作氧化剂。然而，现有文献表明，尽管碳水化合物在推进剂技术中作为燃料已被广泛研究，但其作为环保型气溶胶形成复合材料中可燃粘合剂的系统性应用仍然极为有限。以往AFC配方主要依赖传统有机燃料、合成粘合剂或含能添加剂，而天然碳水化合物因其可生物降解性和优异的粘合能力却很少受到关注。此外，现有AFC多为化学基、非天然且成本高昂，因此开发环境友好的AFC成为迫切需求。基于此，本研究首次探索将甜叶菊、壳聚糖、马铃薯淀粉、麦芽糖、蔗糖、山梨醇和葡萄糖等天然来源碳水化合物用作气溶胶形成复合材料中的可燃粘合剂，旨在开发一种新型、环保的碳水化合物基AFC，并评估燃烧速率改性剂对燃烧效率、线性燃烧速率和灭火浓度(FEC)的影响。
二、主要技术方法
研究人员采用压缩法和熔融浇铸法制备AFC药片和药条，通过重量分析法计算燃烧效率；利用视频摄像和秒表记录药条完全燃烧时间以计算燃烧速率；在0.104 m3立方体低碳钢试验舱内，以正庚烷作为B类火源，依据UL-2775-2022标准进行灭火浓度(FEC)测试；采用热重分析(TGA)和差热分析(DTA)评估热分解行为；利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)对气溶胶固体颗粒进行表征；通过舱内多个位置的水样pH变化评估气溶胶分散均匀性。
三、研究结果
3.1 燃烧效率分析
研究人员对硝酸钾与七种碳水化合物（甜叶菊、壳聚糖、马铃薯淀粉、麦芽糖、蔗糖、山梨醇、葡萄糖）以90:10至50:50的不同比例进行优化。压缩法结果显示，燃烧效率随碳水化合物比例增加而先升后降，各碳水化合物的最高燃烧效率分别为：甜叶菊79.12%、壳聚糖65.10%、马铃薯淀粉92.26%、麦芽糖90.30%、蔗糖96.22%、山梨醇95.92%、葡萄糖92.22%。由于甜叶菊和壳聚糖燃烧效率低、马铃薯淀粉熔点高且粘合强度不足，均被排除。对麦芽糖、蔗糖、山梨醇和葡萄糖采用熔融浇铸法进一步比较，最高燃烧效率分别为麦芽糖98.31%（63:37）、蔗糖98.52%（66:34）、山梨醇99.32%（66:34）和葡萄糖98.36%（63:37）。因麦芽糖、蔗糖和葡萄糖需在160–190°C高温下制备，易发生焦糖化降解，而山梨醇基AFC制备简便，故选定KNO?:山梨醇(66:34)作为基础AFC。在此基础上添加Fe?O?、Fe?O?、KHCO?、K?CO?、漂白土和CaCO?六种燃烧速率改性剂（0.5–10%），结果显示改性剂浓度增加会降低燃烧效率，但3%以内降幅有限（97.63–98.52%），10%时降至87.73–95.77%。
3.2 燃烧速率分析
基础AFC的燃烧速率为2.50 mm/s。添加Fe?O?后燃烧速率随浓度增加从2.74升至3.64 mm/s，但2%起出现喷溅现象；Fe?O?使燃烧速率从2.77升至3.61 mm/s，1%起即出现喷溅。KHCO?、K?CO?、漂白土和CaCO?则使燃烧速率从约2.50降至2.38 mm/s，碳酸盐类3%起、碳酸氢盐5%起出现喷溅。K?CO?因高吸湿性和喷溅风险被排除，漂白土和CaCO?因残留物多且燃烧时出现熔融飞溅被排除。最终选定1% Fe?O?（燃烧效率98.49%，燃烧速率2.89 mm/s，无喷溅）和3% KHCO?（燃烧效率97.79%，燃烧速率2.43 mm/s，喷溅极少）作为最优改性剂浓度。
3.3 灭火浓度分析
在0.104 m3试验舱中以正庚烷B类火源（热释放速率20.42 kW）评估灭火性能。随AFC用量增加，灭火时间逐渐缩短。基础AFC在5.588 g时灭火时间为0.63 s，添加3% KHCO?后在5.536 g时灭火时间为0.92 s，而含1% Fe?O?的AFC在5.106 g时灭火时间仅为0.77 s。通过线性插值法计算5 s灭火时间对应的FEC，结果表明1% Fe?O?改性AFC的灭火性能最优，将FEC从基础AFC的50.2 g/m3降至44.9 g/m3，优于文献报道的麦芽糖基AFC（45–53 g/m3）和蔗糖基AFC（48–57 g/m3）。复燃测试表明灭火剂不仅能扑灭火灾，还能有效防止复燃，适合关键安全应用。
四、讨论与结论
讨论部分：Fe?O?的加入促进了燃烧过程中氧化剂的氧释放，从而提高了燃烧速率并加速气溶胶的产生与扩散，使灭火气溶胶与火焰更快相互作用，因此显著降低了FEC。KHCO?则通过吸热分解降低燃烧速率，实现缓燃效果。气溶胶浓度、分散性和产生速率是影响封闭空间灭火行为的关键因素。
结论部分：本研究成功开发了一种基于天然碳水化合物（山梨醇）和硝酸钾的新型环保气溶胶形成复合材料(AFC)。优化后的KNO?:山梨醇(66:34)配方具有99.32%的高燃烧效率和2.50 mm/s的适中燃烧速率。添加1% Fe?O?可将灭火浓度(FEC)从46.6 g/m3降至44.9 g/m3，同时保持98.49%的燃烧效率；添加3% KHCO?则可实现2.43 mm/s的缓燃速率且喷溅极少。所产生的气溶胶粒径为1–10 μm，pH测量证实气溶胶在舱内均匀分散。该天然碳水化合物基AFC具有绿色、无毒、成本低廉且灭火效能优异的特性，适用于民用灭火应用，为可持续凝聚相气溶胶灭火材料的开发提供了新途径。
