现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (5) : 120-124. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.05.021

科研与开发

低密度固体阻燃材料的制备及与泡沫灭火剂复配应用研究

栾国华 ¹ ,
段绘州 ² ,
李鑫 ¹ ,
吴韬 ²^,^*

作者信息 +

Study on preparation of low-density solid flame-retardant materials and their combined application with foam fire-extinguishing agent

LUAN Guo-hua ¹ ,
DUAN Hui-zhou ² ,
LI Xin ¹ ,
WU Tao ²^,^*

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文章历史 +

Received		Published
2026-01-06		2026-05-20
Issue Date	Revised Date
2026-05-18	2026-01-06

PDF (6782K)

摘要

为提高B类火灾的灭火效率,以空心玻璃微珠为基体,聚磷酸铵为阻燃剂,羟丙基甲基纤维素为阻燃协效剂,制备了一种低密度固体阻燃材料,并对材料形貌、极限氧指数、密度、体积电阻率、隔热等性能进行表征。结果表明,材料的阻燃隔热性能优异[极限氧指数>60%,导热系数<0.05 W/(m·K),密度<0.41 g/cm³,低于常规易燃液体],抗静电能力强(体积电阻率 <10⁶ Ω·m)。在与泡沫灭火剂复配使用中,铺设一层阻燃浮力小球明显抑制原油燃烧火焰高度与强度,有效降低原油储罐火灾的灭火时间(由600 s降低至120 s),明显提高灭火效率,为应对油品储罐火灾提供了新思路。

Abstract

To improve the fire extinguishing efficiency of Class B fires,a low-density solid flame-retardant material using hollow glass microspheres as the matrix,ammonium polyphosphate as the flame retardant,and hydroxypropyl methylcellulose as a synergistic agent was prepared in this study.Morphology,limiting oxygen index (LOI),density,volume resistivity,and thermal insulation properties of material were characterized.Results showed that the material exhibits excellent flame-retardant and thermal insulation performance (LOI greater than 60%,thermal conductivity less than 0.05 W·m^-1·K^-1),low density (less than 0.41 g/cm³,lower than that of conventional flammable liquids),and strong anti-static capability (volume resistivity less than 10⁶ Ω·m).By combing with a foam fire-extinguishing agent,a layer of the flame-retardant buoyant microspheres significantly suppressed flame height and intensity during crude oil combustion,effectively reduced the fire-extinguishing time of crude oil storage tank fires (from 600 s to 120 s),and markedly improved fire suppression efficiency.This study provides a new approach for addressing fires in oil storage tanks.

Graphical abstract

关键词

B类火灾 / 储罐灭火实验 / 空心玻璃微珠 / 泡沫灭火

Key words

class B fire / storage tank fire test / hollow glass microspheres / foam fire extinguishing

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栾国华,段绘州,李鑫,吴韬. 低密度固体阻燃材料的制备及与泡沫灭火剂复配应用研究[J]. 现代化工, 2026, 46(5): 120-124 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.05.021

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目前扑灭如原油等易燃液体(B类)火灾主要采用泡沫灭火剂^[1-2],但在强热辐射的条件下,泡沫易破裂蒸发,难以实现快速有效灭火^[3-6]。开发在易燃液体表面稳定覆盖并能与泡沫灭火剂高效协同的固体阻燃浮力材料,是提高灭火效能的关键途径之一^[7-8]。近年来国内外研究者展开了大量的研究:Liu等^[9]合成了一种阻燃聚丙烯材料,极限氧指数为31.7%,达到了UL-94 V-0的耐燃等级。但由于材料表面疏水,难以与泡沫灭火剂复配使用。Liu等^[10]设计了一种以聚氨酯为基体,亚甲苯膦酸盐为阻燃剂的复合材料,极限氧指数达30.5%,但该种材料密度大(约为1.2 g/m³)浮于易燃液体表面。Lin等^[11]开发了一种阻燃硅橡胶材料,极限氧指数为31.2%,在垂直燃烧试验中达到了FV-0等级。密度虽然低于常规易燃液体(如原油),但由于硅橡胶材料存在大量贯通孔,无法在易燃液体表面形成稳定覆盖。

本研究以空心玻璃微珠为基体、聚磷酸铵为阻燃剂,羟丙基甲基纤维素为阻燃协效剂,制备了一种低密度固体阻燃材料,并对材料的阻燃、抗静电及隔热等性能进行表征。并进一步将该材料与泡沫灭火剂复配使用,开展原油储罐灭火实验。

1 实验部分

1.1 主要原料

空心玻璃微珠,K-15,美国3M公司;羟丙基甲基纤维素,工业级,上海麦克林生化科技有限公司;聚磷酸铵(n<20,溶解度>90 g/100 mL),分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;去离子水,自制;俄罗斯原油,新疆塔里木油田。

1.2 低密度固体阻燃材料的制备

将一定质量的羟丙基甲基纤维素、聚磷酸铵与去离子水混合,在室温下使用磁力搅拌器搅拌1 h,得到悬浮液;再加入一定质量的空心玻璃微珠,室温下搅拌30 min,得到凝胶;放入球形模具中固化成型(温度为100℃,时间为5 h),冷却至室温,得到浮力小球。并将少量环氧值为0.45 eq/100 g的双酚A型环氧树脂、二缩水甘油醚、N,N-二甲基苄胺混合液涂于浮力小球表面,得到固体阻燃浮力小球,记为SDF,不同样品的原料投料质量如下表1。

1.3 性能测试与表征

采用日立科学仪器有限公司生产的扫描电子显微镜(Hitachi Regulus8100)对阻燃浮力材料的形貌进行分析。材料的极限氧指数(LOI)依据GB/T 2406.2—2009标准,采用上海程思智能科技有限公司生产的极限氧指数仪(F101D)进行测定,样品尺寸为10 mm×6 mm×2 mm。垂直燃烧性能按照 GB/T 8333—2008标准,利用英国FTT公司生产的水平垂直燃烧仪(FTT0082)进行测试,样品尺寸为350 mm×40 mm×10 mm。采用苏州晶格电子有限公司生产的电阻率仪(ST2643)在220 V测试电压下评价材料的抗静电性能。导热系数使用瑞典Hot Disk公司生产的导热系数仪(TPS2500S)进行测定。通过浸渍法测量材料的密度,并对其浮力性能进行表征。阻燃浮力小球与泡沫灭火剂复配灭火实验分别在直径50 cm和3 m的模拟储罐(高1 m)上进行,采用俄罗斯原油作为易燃液体的模型油。

2 结果与讨论

2.1 阻燃性能

材料的极限氧指数测试结果如图1(a),所有样品的LOI均大于60%,表明其具有良好的阻燃性能。随着阻燃剂-聚磷酸铵与协效剂-羟丙基甲基纤维素比例的增加(如SDF-3、SDF-4、SDF-5),材料的LOI呈现显著上升趋势。这可能是由于聚磷酸铵与羟丙基甲基纤维素协同作用:聚磷酸铵受热释放含磷自由基及氮气等不燃气体同时,其分解生成的磷酸类物质可作为酸源,催化羟丙基甲基纤维素脱水成炭,形成致密、稳定的炭层。二者通过气-固相协同^[12-13],有效隔绝热量与氧气传递共同提升了阻燃效率[图1(b)]。样品SDF-5表现出最优的阻燃性能,其LOI为74%。

为进一步确定SDF-3的阻燃性能,进行垂直燃烧测试,结果如图2。随燃烧时间延长,材料表面炭化面积逐渐扩大,这是由于火焰热辐射引发了表面物质炭化。移开火焰后,材料仅保持炭化状态并伴随白烟释放,未发生持续燃烧,表明具有良好的自熄性。第二次燃烧后,炭化面积虽继续增加,但增速明显减缓,说明材料表面形成的炭层能够有效维持阻燃性能。

2.2 材料浮力、隔热、抗静电性能

针对油类火灾对表面漂浮材料的性能需求,对系列材料的密度、抗静电性及隔热性能进行了表征。SDF材料的体积电阻率为2.425×10⁵~8.62×10⁵ Ω·m,均满足油品储运设备的防静电要求^[14],如图3(a)所示。材料导热系数均低于0.050 W/(m·K),表明其具有优异的隔热性能。这是由于材料的主体为空心玻璃微珠,且隔热性能随空心玻璃微珠比例增加而提升,其中SDF-3导热系数最低仅为0.043 W/(m·K)。为进一步直观展示材料的隔热性能,将SDF-3和SDF-5与聚氨酯材料(厚度均为1 cm的正方形板材)放置在150℃平台上加热30 min,材料表面温度如图3(c)所示,SDF材料表面温度明显低于聚氨酯材料,其中SDF-3表面温度仅为36.1℃,展现出最佳的隔热效果。所有样品的密度(0.28~0.41 g/cm³)均小于市面大部分隔热材料和典型油品密度(约0.8 g/cm³)^[15],如图3(b)所示^[16-18]。

2.3 材料结构表征

采用扫描电子显微镜对材料进行形貌表征,结果如图4所示。从图4(a)、(b)可以看出,材料主要由球状颗粒通过状网络纤维连接而成,球状颗粒粒径范围为20~80 μm,与空心玻璃微珠的粒径范围一致,可知球状颗粒为空心玻璃微珠。为进一步确定材料的化学组成,采用能谱对SDF-3样品进行了元素分析,结果如图4(d)和图4(e)所示。Si元素集中分布于球状颗粒,材料中空心玻璃微珠含有大量Si元素,进一步证实球状颗粒为空心玻璃微珠。

C元素主要集中在网状纤维中,结合材料的配方组成可以确定网状纤维为具有粘结剂作用的羟丙基甲基纤维素。P元素则分布在球状颗粒表面,表明聚磷酸铵可能与材料发生了化学键合。

为了进一步确定聚磷酸铵在材料中所处的化学环境,采用 ³¹P固体核磁分别对聚磷酸铵试剂和SDF-3样品进行表征,结果如图4(f)。聚磷酸铵的 ³¹P NMR谱显示3个特征峰:-44.428 ppm(归属为链状聚磷酸铵的桥接磷,P—O—P)、-9.69 ppm(中间磷,O—P—O)及24.903 ppm(端基磷,P

O)^[19-20]。SDF-3样品的谱图聚磷酸铵的特征峰,但这些峰均发生显著高场位移。这可能是由于聚磷酸铵中的磷氧键与空心玻璃微珠表面硅羟基(SiOH)发生脱水缩合^[21-22],形成P—O—Si键。

2.4 泡沫灭火剂复配灭火实验

为探究材料与泡沫灭火剂复配灭火效能,选取SDF-3阻燃浮力小球(直径为1 cm)开展灭火实验。结果如图5所示,在油品表面仅铺设一层阻燃浮力小球,火焰高度从200 cm快速降低至160 cm;当阻燃浮力微球与泡沫灭火剂复配使用时,灭火时间由 44 s(仅使用泡沫灭火剂)缩短至23 s,证明阻燃浮力小球与泡沫灭火剂复配后,明显提高了灭火效率,这可能是由于阻燃浮力小球在油品表面形成致密的覆盖层,当油品燃烧时,阻燃浮力小球快速释放磷氧自由基和氮气等不燃气体,抑制燃烧反应^[23],并与泡沫灭火剂协同隔绝油品与空气接触,同时阻燃浮力小球形成的碳层有效阻隔热辐射,提高了泡沫的稳定性,显著提高灭火效果,如图5(b)所示。而进一步提高阻燃浮力小球铺设层数,灭火效果改变不明显,这可能是由于小球层数过多导致泡沫无法有效渗透至油面,从而削弱了泡沫的冷却与窒息作用,降低了协同灭火的效果。

为进一步证实阻燃浮力材料与泡沫灭火剂的协同作用,在直径3 m的油品储罐中开展灭火实验。实验结果如图6所示,在灭火剂开始施加后的10 s时,未铺设阻燃浮力小球的油罐仍处于猛烈燃烧状态;与此同时,在阻燃浮力微球与泡沫的协同作用下,火势已得到有效控制,明火高度与范围急剧缩小。在持续作用120 s后,未铺设阻燃浮力小球的油罐仍有余焰持续燃烧,灭火效率不佳,这是由于火焰温度高,泡沫不能长时间稳定存在;相比之下,铺设了一层阻燃浮力小球的油罐已实现完全灭火,未铺设阻燃浮力微球的油罐在600 s才彻底熄灭。

3 结论

本研究以空心玻璃微珠为主要原料、聚磷酸铵为阻燃剂、羟丙基甲基纤维素为协效剂制备了一种固体阻燃浮力材料。材料的阻燃隔热性能优异[极限氧指数均大于60%,导热系数小于0.05 W/(m·K)],密度(小于0.41 g/cm³)低于常规易燃液体、抗静电能力强(电阻率小于10⁶ Ω·m),符合原油储罐对抗静电性能要求。

该材料可与泡沫灭火剂复配使用,有效提高B类火灾的灭火效率,明显缩短灭火时间(3 m直径原油储罐,灭火时间由600 s降低至120 s)。对快速扑灭原油储罐火灾具有重要的参考价值。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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