郭星宇，李舒雅，楊萍

(廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

火災(zāi)不僅給國家財(cái)產(chǎn)造成損失，而且嚴(yán)重威脅人的生命安全。如果要進(jìn)行長期有效的防火控制，保護(hù)公民的生命與財(cái)產(chǎn)安全，那么研制出更智能、更高效的新型滅火劑很有必要。

高吸水性樹脂不僅在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境治理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，近年來也作為一種新型的滅火材料而大量使用于滅火領(lǐng)域。王建[1]等以高吸水性樹脂和聚丙烯酰胺為原料，制備了PAM-SA新型高分子水凝膠滅火劑，研究證明使用該滅火劑，可節(jié)約用水量達(dá)41.30%，且可大幅減少滅火所需時(shí)間。Takahashi[2]等研究發(fā)現(xiàn)水膠體滅火劑相較于純水來說，對(duì)于塑料類火災(zāi)有顯著的滅火效果，滅火所用劑量可以減少30%～50%。王玉國[3]等研究了如何用高分子水凝膠滅火劑來抑制煤礦自燃，發(fā)現(xiàn)水凝膠滅火劑不但可以大幅降低煤層的溫度、堵住漏風(fēng)通道，同時(shí)還有較強(qiáng)阻化作用，可以抑制大量水煤氣的產(chǎn)生，安全系數(shù)較高。

本文以PAM和不同粒徑SAP為原料，制備了新型的高分子凝膠水系滅火劑，探討了不同粒徑對(duì)滅火劑黏度、吸水倍率、保水率以及滅火性能的影響，同時(shí)檢測了pH對(duì)所制備的滅火劑吸水倍率的影響。

1 SAP的吸水機(jī)理

高吸水性樹脂是分子中含有極性基團(tuán)并具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能高分子材料，分子中含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，它的吸水既有物理吸附，又有化學(xué)吸附。當(dāng)樹脂在水中時(shí)，水分子可以通過氫鍵與高吸水性樹脂中的親水基團(tuán)作用，離子型的親水基團(tuán)遇水開始解離，陰離子固定于高分子鏈上，陽離子可移動(dòng)。隨著親水基團(tuán)的解離，使得樹脂網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張；同時(shí)為了維持電中性，陽離子不能向外部溶劑擴(kuò)散，導(dǎo)致可移動(dòng)陽離子在樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的濃度增大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓隨之增加，水分子進(jìn)一步滲入。隨著吸水量的增大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的離子濃度相同。同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張達(dá)到吸水平衡[4-6]。

Flory考慮聚合物中固定離子對(duì)吸水能力的貢獻(xiàn)，從聚合物凝膠內(nèi)外離子濃度差產(chǎn)生的滲透壓出發(fā)，導(dǎo)出了高吸水性樹脂溶脹平衡時(shí)的最大吸水性公式：Q5/3≈[i/(2·VuS1/2)2+(1/2-X1)/V1]/(Ve/V0)。

式中：Q為吸水倍率；Ve/V0為交聯(lián)密度；(1/2-X1)/V1為對(duì)水的親和力；i/Vu為固定在樹脂上的電荷密度；S為外部溶液中電解質(zhì)的離子強(qiáng)度。

式中分子第一項(xiàng)表示滲透壓，第二項(xiàng)表示對(duì)水的親和力，這兩項(xiàng)是增加吸水能力的部分。根據(jù)橡膠的彈性理論，分母的交聯(lián)密度降低，吸水倍率就提高。因此，對(duì)于離子性樹脂，i/Vu較大，則吸水倍率Q大；對(duì)于非離子性樹脂，沒有第一項(xiàng)，所以吸水倍率Q較小，吸水能力比離子性樹脂的差。因此，高吸水性樹脂必須具備以下條件：含有大量親水基團(tuán)；具有適當(dāng)?shù)慕宦?lián)度和適當(dāng)?shù)娜S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水分子的運(yùn)動(dòng)將受到來自高吸水性樹脂三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，因此其具備超強(qiáng)的保水性能，即使在加壓的條件下也不易失水。

吸水能力是衡量高分子吸水性樹脂性能好壞的基礎(chǔ)。國內(nèi)外已經(jīng)有研究顯示不同粒徑高吸水樹脂之間吸水性能差異顯著[7-9]，但關(guān)于高分子吸水性樹脂的粒徑對(duì)由其制備的滅火劑的滅火性能影響的相關(guān)研究較少。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)所需的化學(xué)藥品：SAP(30～60目，200G)，SAP(60～100目，200G)，SAP(120～180目，200G)，SAP(200～400目，200G)，均為AR級(jí)，宜興市某化工有限公司；PAM 250 G，(AR級(jí)，福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司)；工業(yè)酒精(≥98%，2500 mL，新泰市百信勝消毒劑制品有限公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

儀器及設(shè)備：電子天平(JJ224BC型，常熟市雙杰測試儀器廠)；恒溫磁力攪拌器(JCGM-15-39 HL202S，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司)；便攜式黏度計(jì)(LND-1型，浙江力辰儀器科技有限公司)。

2.3 不同類型滅火劑的制備

用電子天平分別稱取10 g聚丙烯酰胺與6，12，18 g不同目數(shù)的SAP，混合后裝入100 mL的燒杯中。用磁力攪拌器攪拌20 min，得到PAM-SAP水系滅火劑樣品，將樣品裝袋。m(PAM)∶m(SAP)分別為1∶0.6，1∶1.2和1∶1.8。所得樣品見表1。

表1 各類型滅火劑的配比

2.4 吸水性能測試

用自然過濾法測定水凝膠滅火劑的吸水性能，步驟如下：(1)用電子天平依次稱量樣品編號(hào)1～12的水凝膠滅火劑樣品0.5 g；(2)取12個(gè)燒杯并編號(hào)，將稱量好的樣品放入對(duì)應(yīng)編號(hào)的燒杯中；(3)緩慢向燒杯中加入去離子水，直到樣品呈現(xiàn)飽和狀態(tài)；(4)使用濾紙濾去多余水分；(5)稱量吸水后飽和狀態(tài)下的水凝膠滅火劑質(zhì)量。

2.5 保水性能測試

實(shí)驗(yàn)步驟：(1)用電子天平依次稱量樣品編號(hào)1～12的水凝膠滅火劑樣品0.5 g；(2)向其中加入質(zhì)量為M1的去離子水直至樹脂呈飽和狀態(tài)，隨后在0，3，7，13 min時(shí)用篩板過濾；(3)稱量篩板的質(zhì)量，濾出水的質(zhì)量M2為兩者之差。保水性能可通過保水率公式計(jì)算：保水率Y=(M1-M2)/M1×100%。

2.6 抗酸堿性能測試

為檢測pH對(duì)所制備的滅火劑吸水倍率的影響，將吸水后的滅火劑通過加酸或堿來調(diào)整去離子水的pH，再測其吸水倍率，由此可探究出滅火劑的抗酸堿性能。實(shí)驗(yàn)步驟：(1)加入鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH為1～12；(2)取出樣品，加入不同pH的溶液測定其吸水倍率。

2.7 黏度性能測試

測定黏度的實(shí)驗(yàn)步驟：(1)使用電子天平依次稱量樣品編號(hào)1～12的水凝膠滅火劑樣品1.5 g；(2)取12個(gè)燒杯并編號(hào)，將稱量好的樣品倒入其中，加入去離子水至100 mL刻度線，等待15 min至滅火劑進(jìn)入飽和狀態(tài)；(3)將試液混合均勻后，用小膠塞堵住下孔，將試液倒入；(4)將膠塞拔出的同時(shí)開始計(jì)時(shí)；(5)直至試液完全流出時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄流出時(shí)間為t，單位為s；(6)通過ISO2431標(biāo)準(zhǔn)中4#杯運(yùn)動(dòng)黏度公式計(jì)算運(yùn)動(dòng)黏度：u=1.37t-200/t。式中：μ為運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；t為時(shí)間，s。

2.8 滅火性能測試

滅B類火實(shí)驗(yàn)采用正對(duì)噴灑的實(shí)驗(yàn)方法，即裝有滅火劑的小瓶正對(duì)著火的吸酒精紙巾，施加過程中粉末均勻撒在著火面，滅火劑噴口與著火面的垂直距離為15 cm，引燃帶酒精的紙巾，使其自由燃燒30 s后再開始滅火，實(shí)驗(yàn)步驟：(1)準(zhǔn)備不銹鋼鐵盆，將其洗凈烘干，取兩張紙巾對(duì)折三次，取15 mL酒精，使紙巾完全浸濕，放至盆底；(2)將配好的藥品倒入滅火器，稱量，計(jì)為W1；(3)點(diǎn)燃火源，預(yù)燃30 s后開始噴粉，噴完后立即加入水，并記錄滅火用水；(4)稱量滅火瓶與剩余滅火劑的質(zhì)量記作W2，則實(shí)際消耗的粉末質(zhì)量為W=W1-W2；(5)重復(fù)以上步驟，滅火劑消耗量取平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸水性能測試結(jié)果

吸水性能測試結(jié)果見表2。由表2可以看出，粒徑越大的高分子吸水性樹脂吸水倍率反而小于同配比狀態(tài)下粒徑小的高分子吸水性樹脂，其中，200～400目吸水倍率最高，30～60目吸水倍率最低，這是由于粒徑大的高吸水性樹脂在吸水膨脹過程中一方面外界的水分還未擴(kuò)散到高吸水性樹脂的內(nèi)核，其內(nèi)部三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還未完全擴(kuò)展開，而另一方面，高吸水性樹脂分子外表面已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，分散到溶劑中變成了溶液。

表2 不同樣品的吸水倍率

3.2 保水性能測試結(jié)果

保水性能測試結(jié)果見表3。由表3可以看出，粒徑越大的高吸水性樹脂保水性能越好，但總體來說，在3 min時(shí)保水率介于96.5%～97.9%，7 min時(shí)，保水率介于91.2%～92.7%，13 min時(shí)保水率為89.0%～91.2%。不同粒徑的高分子吸水性樹脂對(duì)滅火劑保水率影響不大。

表3 不同樣品不同時(shí)間下的保水率

3.3 抗酸堿測試結(jié)果

表4為不同樣品的吸水倍率隨pH的變化，由表4可知，當(dāng)pH的范圍為1～12時(shí)，吸水倍率會(huì)先升高后降低，當(dāng)pH=7的時(shí)候，吸水倍率最高為78.9，當(dāng)pH介于5～9時(shí)，滅火劑的吸水倍率變化不大，可以滿足滅火劑的基本需求。而當(dāng)pH<5.0或pH>9.0時(shí)吸水倍率變化明顯，推測滅火劑由于酸堿性過大而引起高吸水性樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致吸水能力降低。

表4 不同樣品的吸水倍率隨pH的變化

3.4 黏度測試結(jié)果

表5為不同樣品的運(yùn)動(dòng)黏度。由表5可知，粒徑越大的高吸水性樹脂黏度值越小，并且當(dāng)聚丙烯酰胺比例越大的時(shí)候，黏度也會(huì)越大。與聚丙烯酰胺比例比較，粒徑大小對(duì)滅火劑的黏度影響比較小。

表5 不同樣品的運(yùn)動(dòng)黏度

3.5 滅火性能測試結(jié)果

表6給出了12種滅火劑滅B類火的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中純水所需要用水量最大，為20 mL，粒徑為30～60目，m(PAM)∶m(SAP)為1∶1.2時(shí)滅火劑滅火性能最好，用水量僅為10 mL。由于純水滅火劑為蒸餾水，其作用僅僅是蒸發(fā)為水蒸氣，靠著蒸發(fā)吸熱對(duì)火焰進(jìn)行冷卻作用，沒有其他化學(xué)組分的抑制作用幫助滅火，所以需要大量純水才可以達(dá)到滅火目的。添加了SAP和PAM組分的滅火劑，PAM-SAP由于其組分本身滅火作用再加上凝膠可以附著在火源表面，冷卻自由基的同時(shí)可以形成隔離層，把火源與空氣相互隔離，充分發(fā)揮其滅火效能，再加上其粒徑較大，較其他同類型滅火劑來說，更易附著在火源表面，故其使用量最少。普遍來說，粒徑對(duì)于滅火效率有較明顯的影響，尤其是用水量方面，隨著粒徑逐漸減小，用水量呈上升趨勢，推測可能是由于粒徑較大的吸水樹脂更易附著在火源表面來隔絕空氣，從而達(dá)到滅火的效果。

表6 各組滅火劑滅B類火所需水量

4 結(jié)論

本文主要以不同粒徑的高分子吸水性樹脂對(duì)PAM-SAP新型水系滅火劑的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)粒徑會(huì)影響滅火劑的吸水性能，其中，吸水倍率最高的是12號(hào)樣品。在相同配比條件下：粒徑越小，吸水倍率越好。(2)粒徑會(huì)影響滅火劑的保水性能，其中，3 min時(shí)保水性能最好的是5號(hào)樣品，7 min時(shí)保水性能最好的是1號(hào)樣品，13 min時(shí)保水性能最好的是9號(hào)樣品，在相同配比條件下，粒徑越小，保水性能越差。(3)粒徑會(huì)影響滅火劑的黏度值，其中，黏度值最大的是4號(hào)樣品，在相同的配比條件下，粒徑越小，黏度值會(huì)越大。(4)在抗酸抗堿測試中，滅火劑在不同pH下的吸水倍率隨著pH增大先增大后減小。當(dāng)pH=7時(shí)吸水倍率最高，為78.9。而當(dāng)pH在5～9時(shí)吸水倍率為50.3～78.9，滿足基本的滅火需求。當(dāng)pH<5或pH>9時(shí)吸水倍率過低，不能滿足基本的滅火需求。(5)在滅火性能測試中，滅火性能最好的是5號(hào)樣品，相較純水滅火來說可以節(jié)約50%的水。在相同配置比例下，粒徑越小，所需水量就越多。