АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩИЙ ОГНЕТУШАЩИЙ СОСТАВ Российский патент 1994 года по МПК A62D1/00 

Изобретение относится к разработке огнетушащих составов нового типа, предназначенных для средств объемного тушения пожаров в замкнутых и полузамкнутых объемах, например, для двигательных и багажных отсеков автотранспорта и авиатехники, гаражей, складов, трюмов морских судов, телевизоров и т. д.

Среди газовых огнетушащих средств широко распространены хладоны с эффективностью порядка 250 г/см³ защищаемого объема, которые согласно Монреальской международной конвенции запрещены к использованию в связи с разрушающим действием фтора и его производных на озоновый слой атмосферы.

Известны также различные огнетушащие порошки многоцелевого назначения на основе фосфатно-аммонийных солей, бикарбонатов калия или натрия, хлорида натрия, оксида бора, смесей аммофоса с хлоридами калия или натрия, гидроксида алюминия, сульфата аммония и др.

Порошкообразные смеси обладают значительной склонностью к влагопоглощению, слеживаемости, а также недостаточно высокой огнетушащей способностью и относительно длительным периодом подачи огнетушащего порошка в очаг пожара.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является состав для огнетушения по патенту США N 3972820, 1976, состоящий из следующих компонентов, мас. % :
Галоидное соедине-
ние (гексахлорбензол,
гексабромбензол и др. ) 25-85
Окислитель (хлораты
и перхлораты натрия или калия) 15-45
Связующее (эпок- сидная смола) 3-50
Данный огнетушащий состав выбран в качестве прототипа.

Состав-прототип представляет собой твердую смесь, полученную отверждением связующего. Композиция в присутствии катализатора отверждается при 70^оС в течение 17 ч.

Принцип действия такого состава заключается в испарении и подаче в очаг пожара галоидного соединения, обладающего способностью гасить огонь в результате горения твердой композиции.

Недостатком указанного состава является наличие галогенпроизводных в продуктах разложения огнетушащего состава, что делает их токсичными и химически агрессивными по отношению к оборудованию, которое может находиться в защищаемом объеме.

Ущерб, наносимый пожарами народному хозяйству, имеет громадные масштабы и оценивается сотнями миллионов рублей ежегодно.

Поэтому к огнетушащим средствам предъявляются высокие требования. Прежде всего необходимо обеспечить малое время тушения огня, мгновенное введение огнетушащего агента в очаг пожара, высокую огнетушащую эффективность, которая для новых современных средств должна составлять не более 50 г на 1 м³ защищаемого объема.

Целью изобретения является разработка аэрозольобразующего огнетушащего состава (ОТС) с эффективностью не более 50 г/м³, предназначенного для объемного тушения пожаров в замкнутых и полузамкнутых объемах.

Это достигается за счет использования в качестве окислителя - нитрата калия, в качестве активатора разложения нитрата калия - углерода. Горючим-связующим для данной композиции является пластифицированная нитроцеллюлоза. Реологические и технологические свойства состава обеспечиваются технологической добавкой, состоящей из индустриального масла и солей жирных кислот. Комплекс требуемых свойств обеспечивается оптимальным подбором всех компонентов и их соотношением.

Принцип действия предлагаемого ОТС заключается в том, что он при горении образует газообразные и высокодисперсные конденсированные продукты, представляющие собой аэрозоль с ингибирующими свойствами, который, попадая в очаг пожара, подавляет цепные реакции горения и гасит пламя.

Наличие ионов калия в продуктах сгорания аэрозольобразующего состава делает его огнетушащим.

Эффективность ОТС зависит от качества образующегося аэрозоля. Для получения высокодисперсного аэрозоля калия в продуктах сгорания ОТС необходимо, чтобы нитрат калия полностью разлагался в процессе его горения. Это обеспечивается использованием углерода с большой развитой поверхностью, который выполняет роль сорбента, способного увеличивать вязкость горящего слоя и удерживать нитрат калия на поверхности горения ОТС, облегчая его термораспад. Одновременно углерод является также активатором разложения нитрата калия.

Конкретные примеры композиций предлагаемого ОТС приведены в табл. 1, основные свойства ОТС представлены в табл. 2.

Основной характеристикой ОТС является его огнетушащая эффективность (ОТЭ) - это минимальная масса ОТС, которая обеспечивает гашение огня в объеме 1 м³ воздуха.

Чем выше в ОТС содержание нитрата калия, тем выше его ОТЭ. Однако более 70 % нитрата калия вводить в предлагаемый ОТС нецелесообразно, т. к. при этом потребуется вводить и большое количество углерода (чтобы обеспечить полное разложение нитрата калия при горении ОТС). Общее высокое содержание в составе дисперсных добавок (свыше 70 % KNO₃ и 15 % углерода) отрицательно влияет на механические и технологические свойства композиции. При содержании нитрата калия менее 40 % и углерода менее 5 % ухудшаются воспламеняемость и стабильность горения ОТС и уменьшается ОТЭ.

Рассматриваемые композиции предлагаемого аэрозольобразующего ОТС являются высоконаполненными композициями, в которых в качестве связующего используется пластифицированная нидроцеллюлоза. Соотношение между нитроцеллюлозой и пластификатором и их количество определяют комплекс физико-механических и технологических свойств ОТС и устанавливаются конкретно в зависимости от назначения и условий использования ОТС, т. е. с учетом требований по механической прочности, реологическим и др. свойствам.

В качестве пластификатора нитроцеллюлозы могут быть использованы диэтиленгликольдинитрат, триэтиленгликольдинитрат, их смеси или триацетин.

Для каждого вида пластификатора в соответствии с его пластифицирующей способностью подбирается оптимальное его количество по отношению к нитроцеллюлозе.

Диэтиленгликольдинитрат и триэтиленгликольдинитрат по комплексу физико-химических, химических свойств и пластифицирующей способности по отношению к нитроцеллюлозе являются идентичными и поэтому в составе ОТС могут быть взаимозаменяемыми или использоваться совместно в любом массовом соотношении.

Для пластификаторов - диэтиленгликольдинитрата, триэтиленгликольдинитрата и их смесей технологически приемлемым являются соотношения между нитроцеллюлозой и пластификатором от 50/50 до 40/60. Выше соотношения 50/50 растет вязкость ОТС, а ниже соотношения 40/60 композиция становится очень эластичной. В том и другом случае ухудшаются реологические характеристики ОТС, что приводит к технологическим затруднениям при переработке аэрозольобразующих составов.

Для триацетина по этим же соображениям оптимальными являются соотношения между нитроцеллюлозой и пластификатором от 68/32 до 45/55.

При практическом выборе количества и соотношения между нитроцеллюлозой и пластификатором необходимо также учитывать содержание в ОТС высокодисперсных твердых наполнителей.

При высоком наполнении композиции ОТС углеродом и нитратом калия (свыше 55 % KNO₃) для повышения вязкости системы с целью обеспечения удовлетворительных реологических характеристик в ОТС целесообразно вводить в качестве дополнительного связующего поливинилацетат (ПВА) в количестве от 1 до 10 % в зависимости от содержания в композиции дисперсных компонентов и требований к ОТС по механическим и эксплуатационным свойствам. Предпочтительным содержанием ПВА является до 5 % .

При содержании в композиции ПВА менее 1 % его действие как связующего проявляется в незначительной степени, а при содержании выше 10 % вязкость композиции увеличивается настолько, что вызывает технологические затруднения.

Необходимые показатели реологических и технологических свойств ОТС обеспечиваются использованием сочетания индустриального (приборного) масла и солей жирных кислот, например стеаратов натрия и цинка. Стеараты натрия и цинка являются идентичными соединениями как по химическому строению, так и по комплексу физико-химических свойств, поэтому в композициях ОТС могут взаимозаменяться или использоваться совместно в любых соотношениях без изменения всех их характеристик. По этим же причинам взаимозаменяемыми являются индустриальное и приборное масла.

Количество индустриального (приборного) масла менее 0,5 % и солей жирных кислот менее 0,02 % является недостаточным для снижения удельного внешнего трения - одной из основных характеристик, определяющих реологические свойства композиции, а количество более 2,5 % индустриального (приборного) масла и более 0,5 % солей жирных кислот ухудшает когезию и адгезию компонентов и механические свойства ОТС. Поэтому содержание в аэрозольобразующих составах индустриального масла в пределах от 0,5 до 2,5 % и солей жирных кислот от 0,02 до 0,50 % является оптимальным.

Для обеспечения равномерности распределения в композициях ОТС всех компонентов и сокращения времени их смешения допускается использование поверхностно-активных веществ, таких как сульфорицинат и желатин в количествах 0,1-0,3 % и 0,01-0,03 % соответственно.

В качестве антистарителей в ОТС вводятся централит и дифениламин, действие которых основано на связывании окислов азота, если выделение таковых по тем или иным причинам возникает в процессе изготовления и эксплуатации ОТС при повышенных температурах. В зависимости от условий эксплуатации ОТС подбирается состав и количество антистарителя. Как правило (из практики пороходелия), количество антистарителя от 0,5 до 2,0 % является достаточным для обеспечения необходимого запаса химической стойкости ОТС.

В практике пожаротушения ОТС используется в виде прессованных монолитных изделий в огнетушащем средстве - аэрозольном генераторе.

Изготовление ОТС осуществляется смешением всех компонентов в определенных пропорциях с последующим формированием на шнек-прессе изделий необходимых размеров и конфигураций.

Прессованный образец ОТС необходимой массы помещается в аэрозольный генератор, устанавливаемый в защищаемый объем. Генератор работает в автоматическом режиме. От воспламенителя, который представляет собой электрозапал или другой источник энергии, воспламеняется образец ОТС в генераторе. Горение ОТС сопровождается образованием большого количества газообразных и высокодисперсных конденсированных продуктов - аэрозоля, истекающих из генератора с большой скоростью. Аэрозоль заполняет защищаемый объем и, достигая пламя, гасит огонь.

Масса ОТС и количество генераторов рассчитываются в зависимости от объема защищаемого объекта, исходя из огнетушащей эффективности ОТС, конструкции генератора и коэффициента запаса 1,2-2,0.

Аэрозольобразующие ОТС в виде прессованных изделий просты и удобны в обращении, отличаются постоянной готовностью к использованию, быстродействием в сборке огнетушащего генератора, высокой эффективностью. Гашение пожара осуществляется за время сгорания образца ОТС и распространения образующегося аэрозоля в защищаемом объеме.

ОТЭ аэрозольобразующего состава широко проверена в лабораторных условиях при гашении горящих растворителей: ацетона, бензина, этилового и изопропилового спиртов.

Исследование ОТЭ аэрозольобразующих составов проводилось по следующим методам.

I метод. В вытяжном шкафу помещали горящую спиртовку, поджигали образец ОТС определенной массы и одновременно накрывали их стеклянным колпаком емкостью 10 л. Через прозрачное стекло колпака наблюдали за процессом тушения пламени спиртовки. За положительный результат принималось гашение пламени спиртовки за время не более 5 с после сгорания образца ОТС. Для сравнения проводили контрольный опыт по горению спиртовки под закрытым колпаком. Естественное затухание пламени спиртовки за счет расходования кислорода воздуха, заключенного под колпаком, происходило за 75 с.

II метод. В шкаф емкостью 85 л помещали чашу с 40 мл (S = 63 см²) бензина или другой ЛВЖ и образец ОТС определенной массы. Поджигали ЛВЖ в чаше, воспламеняли образец ОТС и закрывали дверцу шкафа. За положительный результат принималось гашение пламени ЛВЖ за время не более 5 с после сгорания образца ОТС. Для сравнения проводился контрольный опыт по горению ЛВЖ в закрытом шкафу. Время, в течение которого происходило затухание пламени ЛВЖ, составляло 35 с.

ОТЭ аэрозольобразующего состава определялась минимальной массой образца, обеспечивающего полное гашение пламени.

Результаты испытаний ОТС по I и II методу дают идентичные результаты по ОТЭ.

Результаты испытаний ОТЭ композиций аэрозольобразующего состава приведены в табл. 1, из которой следует, что ОТЭ предлагаемого ОТС составляет 20-46 г/м³.

Высокая ОТЭ аэрозольобразующего состава подтверждена испытаниями по тушению горящего двигателя грузового автомобиля ЗИЛ-130.

П р и м е р 1. Рецептура ОТС, мас. % : Нитрат калия 50,0 Углерод технический 10,0 Нитроцеллюлоза 17,17
Смесь диэтиленгли-
кольдинитрата с
триэтиленгликоль-
динитратом (в мас-
совом соотношении 70 : 30) 20,0 Централит 0,5 Дифениламин 0,5
Индустриальное мас- ло 1,5 Стеарат натрия 0,1 Сульфорицинат 0,2 Желатин 0,03
ОТС в виде отпрессованных изделий диаметром 48 мм и массой 50 г помещался в аэрозольный генератор.

4 генератора размещались в моторном отсеке грузового автомобиля ЗИЛ-130. Двигатель обливался бензином. Дополнительно по обе стороны двигателя устанавливались две чаши диаметром 200 мм с бензином. Общее количество бензина составляло 400 мл.

Бензин поджигался. После чего разгорания через 10 с закрывался капот и от электрозапала поджигался ОТС. После закрытия капота через жалюзи капота наблюдали отсвет и "языки" пламени. При поджигании ОТС отсек под капотом наполнялся большим количеством плотного белого дыма - аэрозоля, который выходил через жалюзи. Горение ОТС сопровождалось в течение 8 с, но огонь в двигательном отсеке был погашен до полного сгорания ОТС. После открытия капота и осмотра двигательного отсека наблюдали несгоревший бензин в обеих чашах.

П р и м е р 2. Рецептура ОТС, мас. % : Нитрат калия 63,0 Углерод технический 9,0 Нитроцеллюлоза 14,4 Триацетин 9,0 Поливинилацетат 2,0 Централит 0,3 Дифениламин 0,7 Приборное масло 1,5 Стеарат цинка 0,1
Условия опыта такие же, как в примере 1. Результат эксперимента тот же - огонь в двигательном отсеке ЗИЛ-130 погашен до полного сгорания ОТС. В чашах остался несгоревший бензин.

П р и м е р 3. Рецептура ОТС такая же, как в примере 1.

ОТС в виде отпрессованных изделий диаметром 48 мм и массой 50 г помещался в аэрозольный генератор.

3 генератора размещались в моторном отсеке грузового автомобиля ЗИЛ-130. По обе стороны от двигателя устанавливались две чаши диаметром 200 мл с бензином. Двигатель обливался бензином.

Общее количество бензина составляло 800 мл. Для имитации движения автомобиля через радиатор подавался сжатый воздух под давлением примерно 0,15 МПа. Бензин поджигался. После его разгорания в течение 10 с закрывался капот, и от электрозапала поджигался ОТС. Так же, как в примерах 1 и 2, огонь в двигательном отсеке был погашен до полного сгорания ОТС (время горения ОТС составляло 8 с). В обеих чашах остался несгоревший бензин.

Уровень основных характеристик аэрозольобразующих ОТС (табл. 2) свидетельствует о возможности их изготовления и использования. Продукты сгорания ОТС на воздухе не содержат токсичных компонентов. (56) Патент США N 3972820, кл. A 62 C 1/00, 1976.

Использование: аэрозольобразующий огнетушащий состав предназначен для объемного тушения в замкнутых и полузамкнутых объемах. Сущность изобретения: состав содержит, мас. % : нитрат калия 40 - 70; углерод 5 - 15; централит или дифениламин, или их смесь 0,5 - 2,0; индустриальное или приборное масло 0,5 - 2,5; соли стеариновой кислоты (стеарат натрия или стеарат цинка, или их смесь, или их смесь с сульфорицинатом и желатином) 0,02 - 0,5; пластифицированная нитроцеллюлоза или смесь ее с поливинилацетатом - остальное. При этом состав содержит в качестве пластификатора нитроцеллюлозы диэтиленгликольдинитрат или триэтиленгликольдинитрат, или их смесь, или триацетин. Состав содержит нитроцеллюлозу и диэтиленгликольдинитрат или триэтиленгликольдинитрат, или их смесь в массовом соотношении (40 - 50) : (60 - 50), а нитроцеллюлозу и триацетин - в массовом соотношении (45 - 68) : (55 - 32). 2 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩИЙ ОГНЕТУШАЩИЙ СОСТАВ, включающий окислитель и горючее-связующее, отличающийся тем, что он содержит в качестве окислителя нитрат калия, в качестве горючего-связующего - пластифицированную нитроцеллюлозу или ее смесь с поливинилацетатом и дополнительно содержит активатор - углерод, антистаритель - централит, или дифениламин, или их смесь, технологическую добавку - индустриальное или приборное масло, а также соли стеариновой кислоты (стеарат натрия, или стеарат цинка, или их смесь, или их смесь с сульфорицинатом и желатином) при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Нитрат калия 40 - 70
Углерод 5 - 15
Централит, или дифениламин, или их смесь 0,5 - 2,0
Индустриальное или приборное масло 0,5 - 2,5
Соли стеариновой кислоты (стеарат натрия, или стеарат цинка, или их смесь, или их смесь с сульфорицинатом и желатином) 0,02 - 0,5
Пластифицированная нитроцеллюлоза или ее смесь с поливинилацетатом Остальное
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит в качестве пластификатора нитроцеллюлозы диэтиленгликольдинитрат, или триэтиленгликольдинитрат, или их смесь, или триацетин. 3. Состав по п. 2, отличающийся тем, что нитроцеллюлоза и диэтиленгликольдинитрат, или триэтиленгликольдинитрат, или их смесь взяты в массовом соотношении (40 - 50) : (60 - 50), а нитроцеллюлоза и триацетин - в массовом соотношении (45 - 68) : (55 -32).