摘 要

火灾在生活中经常发生，每一次重大火灾给人们带来的不仅是经济上的巨大损失，还有对人身安全造成的威胁。因此人们为了应对突发的火灾，研制出了各式各样的灭火器，各种灭火器各有特色，而本文研究的便是主要用于油品火灾和森林火灾的泡沫灭火器。本文主要研究不同工艺下石棉、海泡石、水镁石的发泡效果，即探究不同渗透剂、转速、原料配比等因素对泡沫灭火剂发泡的影响。实验过程中发现三种无机矿物的发泡效果均较为良好，用石棉制成的半成品泡沫灭火剂稳定性也较好，而海泡石和水镁石的制成的半成品浆体稳定性很差。由于三者的显微结构有类似之处，本文还试图通过对海泡石和水镁石进行改性处理，使其达到石棉的发泡效果，最终按照相关的行业标准要求，研制出满足使用要求的、高效的无机矿物发泡灭火剂。

关键词：浆体；发泡倍数；消泡时间；一次发泡；二次发泡；表面改性。

Abstract

Fire often occurs in life. Every major fire brings not only enormous economic losses, but also threats to personal safety. Therefore, in order to cope with the sudden fire, all kinds of fire extinguishers have been developed, and all kinds of fire extinguishers have their own characteristics, and this paper is the foam extinguisher which is mainly used for oil fire and forest fire. This paper mainly studies the foaming effect of asbestos, sepiolite and brucite under different processes, that is, the influence of different permeation agents, rotational speed and raw material ratio on foam extinguishing agent foaming. During the experiment, the foaming effect of the three inorganic minerals was better. The stability of the semi-finished foam extinguishing agent made of asbestos was better, and the semifinished slurry made by sepiolite and brucite had poor stability. As the microstructure of the three is similar, this paper also attempts to modify the sepiolite and brucite to achieve the foaming effect of asbestos. Finally, according to the requirements of the related industry standards, a highly efficient inorganic mineral foam extinguishing agent is developed to meet the requirements of the industry.

Key words：slurry, Foaming multiple, Defoaming time, A foaming, secondary foaming, Surface modification.

目录

摘 要 3

Abstract 4

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.1.1近年来的重大火灾和灭火现状。 1

1.1.2 泡沫灭火剂的分类 2

1.1.3 泡沫灭火剂的灭火机理 2

1.2 常见泡沫灭火剂的研究现状 3

1.3 研究内容和研究目的 3

第二章 实验 5

2.1 实验仪器和耗材 5

2.1.1实验原料 5

2.1.2实验仪器 5

2.2 实验测量方法 5

2.2.1一次发泡效果表征测量方法 5

2.2.2二次发泡效果表征测量方法 6

2.2.3吸水当量的测量 6

2.3三种无机矿物显微结构的观察 6

2.4实验方案： 7

2.4.1实验流程 7

2.4.2实验研究内容 7

第三章 实验结果与机理分析 8

3.1 实验原料显微结构观察结果分析 8

3.2 一次发泡影响因素的探究 10

3.2.1不同棉水比和转速对石棉一次发泡效果的结果分析 10

3.2.2探究不同渗透剂对其与不同原料及混合情况下发泡效果的影响。 12

3.3 二次发泡影响因素的探究 14

3.3.1探究原料与水的最终比对二次发泡的影响 14

3.3.2各原料在450r/min转速下的吸水当量的测试 15

3.3.3 探究转速对原料二次发泡效果和吸水当量的影响。 17

3.4海泡石的改性处理 20

3.4.1酸洗处理 20

3.4.2水玻璃溶液处理 22

第四章 结论和展望 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 概述

1.1.1近年来的重大火灾和灭火现状。

火灾的发生可以通过一系列的防护措施来减少，但始终无法杜绝。每一次重大火灾的发生给人类带来的不仅仅是经济上的巨大损失，还有对人生安全造成的威胁，这样的事例不胜枚举。就我国而言，近十年以来，我国发生的较大火灾就有600多起，特重大火灾也有40多起。这些火灾中较大等级以上的火灾占比不高，但这其中每一次重大火灾给人们带来的损失都是巨大的，而且这些火灾在我国范围内造成的不仅是经济上巨大的损失，同时还威胁到了人们的生命安全。此外，与其他国家比，我国所遭受的火灾灾情并不算严重。比如与美国相比，在近10年期间，美国所发生的火灾次数，造成的经济损失和人员伤亡要比我国高10倍^[1]。由此看来，火灾影响范围广，对全世界造成的损失很大，合理的应对处理火灾灾害极为重要。

经统计分析造成巨大经济损失的特重大火灾中，油品火灾和森林火灾的发生次数占比很高，这两类火灾造成的直接经济损失都相对较大，并且伤亡人数也较高。例如，2009年，印度某油库发生泄漏引发火灾爆炸，该次火灾造成直接经济损失约7亿多美元，并造成重大伤亡 ^[2]；在2010年3月期间，仅仅短短5天，广西百色市发生的森林火灾就有约300多起，经济损失难以估计^[3]。类似的这两类火灾还有很多，油品火灾和森林火灾之所以对人们造成的损失如此巨大，是因为他们都具有相同的特性：火灾一旦发生，蔓延速度快，作用范围广，并且容易复燃，传统的灭火方法对这两种火灾作用甚微。近些年来，人们正在努力尝试着以更加有效地方式来防治这几类火灾。

从近70年的历史火灾数据看，我国发生的火灾次数和死亡人数总体呈下降趋势^[4]。究其原因，可分为两点：一，人们对火灾的认识有了进一步的了解，在火灾的预防上采取了很多措施，降低了火灾发生的可能性；二，人们应对已发生的火灾的处理方式有了明显的进步，火灾的蔓延得到了遏制。然而，即使人们对火灾的防护措施做得再好，也难以完全的避免火灾的发生，而倘若火灾仍然发生了，这就需要我们采取最有效的方法去扑灭它，以最大程度减少损失。

要有效的扑灭火灾需要我们针对不同的火灾采取不同的灭火方式，在长期的实验学习中，人们将火灾以可燃物的类型和燃烧特性分为A、B、C、D、E、F六类^[5]。在此，本文主要研究A、B两类火灾，其中A类火灾指固体物质火灾，这种物质通常具有有机物质性质，森林火灾便属于这类火灾。而B类火灾指液体或可熔化的固体物质火灾，油品火灾便属于这类火灾。长期以来人们都是使用一般的灭火器来应对这两种火灾，然而不仅灭火速度慢，难以遏制火势，并且不够彻底，常常出现复燃的现象，这样的灭火效率极低。经过长时间的实验，人们发现泡沫灭火器较普通灭火器而言，处理油品火灾和森林火灾的能力想对较强，因此研究出高效的泡沫灭火剂对促进防火事业的发展意义重大。

1.1.2 泡沫灭火剂的分类

泡沫灭火剂的定义是指能与水相容，并且可以通过化学反应或机械方法产生灭火泡沫的灭火剂。自1877年Johnson首次提出可以将泡沫用于扑灭火灾至今，泡沫灭火剂已有一百多年的历史^[6]。人类对在泡沫灭火剂的长期研制过程中，取得了巨大的成果，研制出了各种各样的泡沫灭火剂。泡沫灭火剂的种类繁多^[7]，其分类情况可如下：

（1）根据灭火机理的不同，可分为两种：化学泡沫灭火剂和空气泡沫灭火剂^[8]

（2）根据发泡倍数的不同，可以分为三种：分别为低倍数泡沫、中倍数泡沫和高倍数泡沫。

（3）根据用途的不同可以分为两种：普通型和多功能型泡沫灭火剂。

（4）根据发泡基的不同，可以分为两种：蛋白型和合成型泡沫灭火剂。

此外，还有很多其他的分类标准。泡沫灭火剂种类众多，不同种类的泡沫灭火剂在灭火机理上也不尽相同。

1.1.3 泡沫灭火剂的灭火机理

泡沫灭火剂的灭火作用机理主要包括水的冷却作用、泡沫隔绝空气的窒息作用、泡沫的遮断作用^[9]，具体如下：

（1）冷却作用。原料与渗透剂作用产生的泡沫中会携带大量的水，而且产生的泡沫可轻易吸附在可燃物表面，泡沫可对可燃物起到润湿作用，燃烧过程中，泡沫可吸走大部分热量，其次水的蒸发也可以对可燃物起到冷却作用。

（2）窒息作用。对于一般的可燃物，泡沫灭火剂产生的泡沫可紧密粘附在可燃物表面，形成一层覆盖层，起到隔绝空气的作用，产生的泡沫越是紧密和稳定，隔绝空气的效果越好，灭火效率越高。

（3）遮断作用。泡沫在一定作用下会相互粘结在一起形成泡沫层，这种泡沫层可以为燃烧物表面遮断燃烧产生的热辐射，以此增大燃烧物继续燃烧的难度，使得火灾蔓延速度变慢，为进一步扑灭火灾打下基础。

除去这三种常规主要机理外，有些泡沫灭火剂由于自身原料结构和性能上的特点使其还具有一些独有的灭火机理。

1.2 常见泡沫灭火剂的研究现状

常规泡沫灭火剂产生的泡沫在针对油品火灾和森林火灾时，由于火灾的温度很高，泡沫灭火剂产生的泡沫不够稳定，灭火效果不佳。长期的实验发现，影响泡沫灭火剂灭火性能的因素有很多，例如不同种泡沫产品所使用的原料、渗透剂、稳定剂等物质的种类以及配比不同时，便会影响泡沫灭火剂的发泡效果。这些因素造成各类泡沫灭火剂在铺展速度、泡沫稳定性及灭火效果等方面会产生巨大差异^[10-11]。除此之外，利用机械方法例如搅拌发泡产生的泡沫的稳定性还与搅拌时间、搅拌速度以及搅拌机种类有关，这些因素将影响发泡速度和发泡倍数，这也将直接影响泡沫的灭火时间^[12]。有许多专家学者尝试着采取不同的试验工艺来改善泡沫灭火剂的各种性能，对各种原料的产生的泡沫进行研究，得出了许多值得借鉴的结果，泡沫灭火剂的研究日趋完善。

在泡沫灭火剂的研究过程中，涌现了许多优秀的学者和知名教授，他们为泡沫灭火剂的研究发展做出了巨大贡献，例如Sani 等^［13］将纳米黏土加入水相泡沫中,得到的泡沫可在常温下稳定数小时，提高了泡沫的稳定性; 陈伟红等^［14-15］将空心玻璃微珠与泡沫灭火剂混合发泡制备成三相泡沫，并测定其发泡、稳泡及热稳定性，发现性能较为优异；秦波涛和王德明等教授^[16-17]还通过调节温度，原料、水、渗透剂之间的比例来改变泡沫灭火剂的发泡状态，观察记录泡沫稳定性情况，此外他们还通过实验研究几种发泡剂对三相泡沫性能的影响，获得了大量有利于泡沫灭火剂制备的数据。针对泡沫灭火剂的研究还有很多，获得的成果也不在少数，然而，实际上，泡沫灭火剂的研究仍不完善，现阶段的泡沫灭火剂在重大油品火灾上仍然难以处理，例如上海某油品公司因燃油泄露导致火灾爆炸，现有的泡沫灭火剂产生的泡沫由于密度较小稳定性不高，容易被热气流推开或受热破裂，难以起到泡沫灭火剂的窒息作用、冷却作用和遮断作用，最终燃油全部烧尽，直接经济损失达10亿元。因此，我们需要更加深入研究泡沫灭火剂的各种性能，确定更加具体的工艺参数，以为满足不同的灭火要求。此外我们还需要开阔视野，广泛的学习各类有关该方面的知识，寻找更加优良的原料和处理方法，制备出发泡速度快、泡沫稳定性好的优良泡沫灭火剂，如此，才能更好地推进防火事业的发展。

1.3 研究内容和研究目的

长期研究过程中发现无机矿物石棉与水和渗透剂作用后具有优良的发泡效果，在此作用下，石棉吸水量大，发泡速度快，是一种优良的发泡基体原料。经过试验探究发现，石棉的这种发泡效果可能是来源于它的那种纤维状的显微结构，便于将产生的泡沫连接在一起，在油品火灾和森林火灾的灭火上作用良好。此外，本文还通过研究与石棉具有较类似的显微结构的海泡石和水镁石的发泡效果，并对其进行表面改性。查阅资料发现，这三种无机矿物在一定工艺下的发泡效果尚佳，然而在一次发泡后成为半成品浆体时，稳定性较差，在储存上有一定的困难。

研究的基本内容：

1. 对石棉的发泡效果进行全面的探究，研究石棉的发泡机理和发泡工艺，探究渗透剂、分散剂和原料配比等因素对其发泡效果的影响。
2. 寻找其他与石棉结构性能类似的无机矿物，对其进行改性处理使其接近石棉的发泡效果。

目标：

通过实验确定石棉一次发泡和二次发泡的工艺参数，使以石棉为原料的泡沫灭火剂达到最佳的发泡效果和灭火效果；同时针对海泡石和水镁石，通过对比二者与石棉的结构性能上的差异，寻求改善海泡石和水镁石发泡效果的方法。

第二章 实验

2.1 实验仪器和耗材

2.1.1实验原料

（1）原料（X）:石棉、海泡石、水镁石

（2）无水乙醇,蒸馏水等

（3）37%的浓盐酸

（4）分散剂：质量分数34%的水玻璃溶液

（5）渗透剂（Y）：顺丁烯二酸二异辛酯磺酸钠（A）、顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠（B）

2.1.2实验仪器

场发射扫描电子显微镜 Regulus8100 日本日立高新技术公司

2.2 实验测量方法

2.2.1一次发泡效果表征测量方法

一次发泡效果表征因素：发泡速度、发泡倍数、消泡时间、消泡后的浆体稳定性。其中发泡后的浆体稳定性为主要因素，在先确保该性质满足生产的要求后，发泡倍数和速度及其他性质才有意义。

一次发泡在工业生产中的作用是为了先提前将原料与渗透剂混合均匀，便于最终使用时能够快速高效的发泡，因此表征一次发泡的效果主要因素是消泡后的浆体稳定性，以此确保储存上的方便。其次是另外三个条件，由于二次发泡除了水并不加入其他物质，因此在一定程度上一次发泡的强度可以反映二次发泡的强度。由于实验条件的制约，这些数据在测量上可能不是很精准，但在定性分析上仍能起到重要作用。

发泡速度测量方法：在搅拌下记录试样开始发泡和发泡完全的搅拌时间即体积开始增长和体积不在变化时的搅拌时间。

发泡倍数测量方法：取1000ml大烧杯，装满水，用量筒测其体积。将一次发泡后的样品全部转入烧杯中，以此测出发泡后样品的总体积。原始体积的计算，由于水占主体，默认为原料密度与水一致，二者质量和便作为原始体积。发泡后总体积与原始体积之比则是发泡倍数。需要补充说明的是，发泡倍数该数据对于泡沫灭火剂较为重要，但通常对数值的精确度不高，因此该种测试方法可行。因此，在定性判断两种情况下的发泡倍数大小时，还可以通过将一次发泡样品装满烧杯，比较二者消泡后的高度来判断二者的发泡倍数大小。

消泡时间测试方法：自然静置一段时间，记录其体积不在变化，状态不再改变的时间。

消泡后的浆体稳定性测量方法：观察其自然静置消泡后的浆体与水的分层情况。

2.2.2二次发泡效果表征测量方法

二次发泡效果的表征与一次发泡效果的表征有所类似，如发泡倍数，发泡速度等依旧重要，但消泡时间等性质不再需要测量，只需保证发泡时的泡沫相对稳定即可。

2.2.3吸水当量的测量

吸水当量反应的原料与水和渗透剂的结合能力，对发泡效果的表征同样起到重要的作用。在此，将吸水当量定义为，将原料进行一次或二次发泡，静置后其不出现分层的最大的水与原料之比。

吸水当量的测试方法：设置一浓度梯度的棉水比进行一次或二次发泡，消泡后观察其刚好出现分层的样品，将其水与原料之比记为吸水当量。

2.3三种无机矿物显微结构的观察

针对石棉、海泡石、水镁石的显微结构进行观察主要采取了两种方式：一，将三种无机矿物溶于乙醇溶液或蒸馏水中，制样后在透反射偏光显微镜下直接观察其显微结构；二、对三种原料做SEM分析，更加具体的观察试样的结构。

2.4实验方案：

2.4.1实验流程

2.4.2实验研究内容

1.探究不同棉水比和转速对石棉一次发泡的影响。棉水比取1:4,1:5,1:6,1:7，转速取140r/min，285r/min和450r/min。

2.探究不同渗透剂对其与不同原料及混合情况下发泡效果的影响。渗透剂有A和B两种，原料有石棉，水镁石和海泡石以及两两混合和三者混合。

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