ОГНЕТУШАЩИЙ ПОРОШКОВЫЙ СОСТАВ Российский патент 2006 года по МПК A62D1/00 

Предлагаемое техническое решение относится к области средств для пожаротушения и может быть использовано для снаряжения автоматической взрывозащиты (АВЗ) и прочего оборудования - порошковых автомобилей, стационарных порошковых установок, передвижных и ручных огнетушителей.

Известен огнетушащий порошковый состав (патент США №4149976, Comissariat Energie Atomigue), принятый как наиболее близкий аналог заявленному техническому решению в качестве прототипа. Этот состав для повышения огнетушащих свойств порошка в качестве активного компонента содержит кристаллогидрат карбоната натрия Na₂СО₃*H₂O в количестве от 47,4 мас.% (пример 1) до 61,4 мас.% (пример 2) с содержанием кристаллизационной воды от 1 до 16 мас.%. Остальную долю огнетушащего порошка составляют добавки, обеспечивающие коррекцию его эксплуатационных свойств.

Недостатки огнетушащего порошкового состава по пат. США №4169976 состоят в следующем.

Во-первых, состав отличается низким содержанием кристаллизационной воды. Это снижает его теплопоглощающую способность порошка, делает его нестабильным во времени и в конечном счете отрицательно влияет на огнетушащую способность порошкового состава.

Другим недостатком огнетушащего порошкового состава является его высокая гигроскопичность. Кристаллогидрат Na₂CO₃*Н₂О так же, как и его исходная соль, Na₂CO₃ хорошо растворим в воде. При 20°С растворимость карбоната натрия равна 21,8 г в 100 г воды (см. Свойства неорганических соединений. Справочник - Ефимов А.И. и др. - Л.: Химия, 1983, стр.165). Составы, содержащие в качестве активных тушащих компонентов гигроскопические неорганические соли, склонны к слеживанию вследствие переменной влажности окружающей среды, возникающей при изменении температуры даже в герметически закрытых емкостях. Это приводит к ухудшению текучести, следовательно, к ухудшению огнетушащих свойств порошков. Такие огнетушащие порошки требуют включения в них в большом количестве добавок, предохраняющих их от слеживания и повышающих их устойчивость в процессе хранения, а также добавок, повышающих текучесть порошков (все это так называемые добавки, обеспечивающие коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка).

Однако введение добавок в состав огнетушащего порошка снижает относительное содержание активного компонента в нем, а следовательно, и огнетушащую способность порошка. Кроме того, подготовка добавок, их измельчение, классификация, дозировка, перемешивание с активным компонентом усложняют технологический процесс подготовки смеси огнетушащего порошка и, следовательно, удорожают процесс производства его и повышают стоимость порошка.

Цель изобретения - повышение тушащей эффективности как активного компонента, так и самого огнетушащего порошкового состава путем повышения стабилизации теплопоглощающей способности, близкой к теплоте испарения воды, а также путем снижения количества добавок, обеспечивающих коррекцию эксплуатационных свойств порошка, и увеличения содержания активного компонента при одновременном сохранении огнетушащих свойств порошка (в частности, теплопоглощающей способности) в течение длительного времени (в том числе и при его хранении).

Кроме того, дополнительная цель изобретения состоит в расширении ассортимента активных компонентов огнетушащих порошков.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагается огнетушащий порошковый состав, который включает активный компонент и добавки, обеспечивающие коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка.

Состав огнетушащего порошка отличается тем, что в качестве активного компонента он содержит нерастворимый в воде кристаллогидрат неорганической соли или смесь таких кристаллогидратов. Порошковый состав отличается также тем, что содержание связанной воды в составе кристаллогидратов неорганической соли составляет 25-62 мас.%. Соотношение компонентов в огнетушащем порошковом составе составляет, мас.%:

нерастворимый в воде кристаллогидрат

или смесь таких кристаллогидратов90,0-97,8добавка, обеспечивающая коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка2,2-10,0

Огнетушащий порошковый состав отличается также тем, что в качестве нерастворимого в воде кристаллогидрата неорганической соли предпочтительно использовать соединения:

MgCl₂*5Mg(OH)₂*7H₂O,

MgNH₄PO₄*6H₂O,

Mg₃(PO₄)₂*22H₂O,

MgCO₃*Mg(OH)₂*3H₂O

CaCl₂*3Са(ОН)₂*12H₂O,

Al₂(SO₄)₃*6Ca(OH)₂*26H₂O,

Al₂O₃*SO₃*9Н₂O

Огнетушащий порошок отличается также тем, что в качестве активного тушащего компонента он содержит смесь кристаллогидратов с добавкой активного тушащего компонента другого типа.

Это позволяет получить следующий технический эффект:

- повысить огнетушащую эффективность порошка за счет повышения теплопоглощающей способности до величины, практически не отличающейся от теплоты испарения воды, и за счет оптимизации температурного интервала поглощения тепла;

- повысить огнетушащую способность порошка за счет уменьшения концентрации кислорода в зоне горения водяным паром, образующимся при термическом разложении кристаллогидратов. Объем водяного пара, отнесенный к нормальным условиям, может достигать, например, у Mg₃(PO₄)₂*22H₂O 700 л на 1 кг огнетушащего порошка;

- повысить огнетушащую эффективность порошка путем обеспечения негигроскопичности активного компонента за счет его низкой растворимости (не более десятых долей процента), в результате чего обеспечить стабильность качества огнетушащего порошка во времени (в том числе и при длительном хранении);

- повысить огнетушащую способность огнетушащего порошкового состава за счет увеличения доли активного тушащего компонента и уменьшения количества добавок, обеспечивающих коррекцию эксплуатационных свойств порошка; последнее позволяет уменьшить затраты, связанные с подготовкой добавок, упростить технологический процесс, удешевить процесс производства и снизить стоимость порошка;

- дополнительное снижение стоимости огнетушащих порошков достигается за счет включения в их состав самого дешевого и доступного реактива - воды;

- расширить ассортимент веществ, применяемых в качестве активного компонента для получения огнетушащих порошков.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

Фиг.1 - дериватограмма нерастворимого в воде кристаллогидрата MgNH₄PO₄*6H₂O;

Фиг.2 - дериватограмма традиционно применяемого в качестве активного компонента огнетушащего порошка аммофоса.

Предлагается огнетушащий порошковый состав, включающий активный компонент и добавки, обеспечивающие коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка.

В качестве активного компонента состав содержит нерастворимый в воде кристаллогидрат неорганической соли или смесь таких кристаллогидратов. При этом нерастворимые кристаллогидраты характеризуются тем, что содержание связанной (кристаллизационной) воды в них составляет 25-62 мас.%. Верхний предел содержания кристаллизационной воды в кристаллогидратах обусловлен отсутствием сведений в литературе и практических данных о существовании нерастворимых в воде кристаллогидратов с большим чем 62% содержанием кристаллизационной воды.

Оптимальное соотношение компонентов в предлагаемом огнетушащем порошковом составе составляет, мас.%:

Нерастворимый в воде кристаллогидрат неорганической

соли или смесь таких кристаллогидратов90,0-97,8Добавки, обеспечивающие коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка2,2-10,0

В качестве нерастворимого в воде кристаллогидрата неорганической соли предпочтительно использовать соединения:

MgCl₂*5Mg(OH)₂*7H₂O,

MgNH₄PO₄*6H₂O,

Mg₃(PO₄)₂*22H₂O,

MgCO₃*Mg(OH)₂*3H₂O

CaCl₂*3Ca(OH)₂*12H₂O,

Al₂(SO₄)₃*6Са(ОН)₂*26Н₂O,

Al₂O₃*SO₃*9H₂O

и др.

Изучение литературы показало, что известно не менее 40 соединений этого класса. Однако требуется проведение дополнительных исследований по определению их свойств.

В качестве добавки, обеспечивающей коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка, подразумеваются нейтральные традиционно применяемые гидрофобизирующие, антислеживающие вещества, вещества, повышающие текучесть и др.

В качестве антислеживающей добавки можно использовать смесь аэросила с высокодисперсными гидрофобными веществами. Гидрофобизирующие добавки применяются для сохранения тушащих свойств порошков при их длительном хранении. В качестве гидрофобизирующих добавок применяют органические вещества, нерастворимые соли жирных кислот, например стеарат кальция, кремнийорганические соединения. В качестве добавок для повышения текучести можно применять мелкодисперсные вещества, имеющие хорошую химическую и механическую стойкость, например слюду, каолин, алюмосиликат, глинозем.

Возможно использовать в качестве активного тушащего компонента как один кристаллогидрат, так и смесь кристаллогидратов либо смесь кристаллогидратов с целевой добавкой активных тушащих компонентов другого типа, например аммофос, хлорид калия. Они могут быть добавлены в тушащие порошки на основе кристаллогидратов солей для придания им специальных свойств. Например, фосфаты аммония (аммофос) образуют на поверхности горящих твердых тел пленку, препятствующую доступу кислорода к горящей поверхности, тем самым способствуя тушению и предотвращая повторное загорание (тление).

Способы получения нерастворимых в воде кристаллогидратов неорганических солей различны, но, как правило, они предусматривают смешивание растворов исходных компонентов с последующим образованием осадка.

Пример 1.

При прибавлении к нейтральному или слабощелочному раствору фосфата щелочного металла раствора соли магния образуется аморфный осадок фосфата магния, который затем становится кристаллическим и при этом приобретает состав Mg₃(PO₄)₂*22H₂O (см. стр. монографии Г.Реми Курс неорганической химии, Т.1. М.: Мир, 1972, 827 с.).

Пример 2.

Кристалогидрат состава MgCl₂*5Mg(OH)₂*7H₂O образуется в процессе затворения т.н. магнезиального цемента (цемента Сореля). Процесс проходит по следующей реакции:

5MgO+MgCl₂+12H₂O=MgCl₂*5Mg(OH)₂*7H₂O

(см. стр.226 книги В.Шульце, В.Тишер, В.П.Эттель Растворы и бетоны на нецементных вяжущих. М.: Стройиздат, 1990, 240 с.).

Пример 3

Кристаллогидрат Al₂O₃*SO₃*9Н₂O, другое написание формулы (AlO)₂SO₄*9H₂O, встречается в природе в кристаллическом состоянии в виде минерала вебстерита (см. стр.359 монографии Г.Реми Курс неорганической химии, М.: Мир, 1972, 824 с.).

Требуемые физические свойства кристаллогидратов (размер частиц, насыпной вес, удельная поверхность) могут быть получены - у одних при синтезе, другие могут требовать предварительной подготовки в ходе получения огнетушащего порошкового состава, заключающегося в их подсушивании, размалывании и т.п.

Для приготовления огнетушащего порошкового состава из негигроскопичных нерастворимых в воде кристаллогидратов неорганических солей можно применять любые из существующих в настоящее время способы приготовления огнетушащих порошков с использованием сушки, дробления, смешивания, исключая химическое взаимодействие, как в а.с. SU 1787456 А.

Ниже приведены примеры способов приготовления огнетушащих порошковых составов на основе нерастворимых в воде кристаллогидратов неорганических солей (примеры 4-9).

Пример 4 (аналогично а.с. SU 1692598 А1)

Активный компонент (кристаллогидрат) высушивается при температуре 90-95°С до постоянной температуры. После этого он размалывается до дисперсности 10⁵-10⁸ см^-1. Далее он перемешивается с аэросилом в следующем соотношении, мас.%

Основной компонент98Аэросил2

Пример 5.

Активный компонент (кристаллогидрат) высушивается при температуре 90-95°С до постоянной температуры. Белая сажа высушивается при температуре 120-125°С до содержания остаточной влаги не более 0,5%. Белая сажа смешивается с кремнийорганической гидрофобизируюшей жидкостью и все компоненты перемешиваются до достижения однородной смеси с коэффициентом однородности не более 10%.

Соотношение компонентов следующее, мас.%

Активный компонент97,5%-97,8Белая сажа2Кремнийорганическая жидкость0,2-0,5

Пример 6.

Активный компонент (кристаллогидрат) высушивается при температуре 90-95°С до постоянной температуры и размалывается на мельнице до частиц диаметром не более 100 мкм. Активный компонент другого класса (аммофос, хлорид калия, сульфат аммония, криолит, бикарбонат натрия и т.д.) также подсушивается и размалывается до частиц такого же размера или меньше. Далее все компоненты смешиваются в следующем соотношении, мас.%.

Нерастворимый кристаллогидрат30-70Активный компонент другого класса25-68Гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость0,2-0,3Белая сажа с удельной поверхностью не менее 100 м²/г1,0-2,0;Алюмосиликат или кремнезем3,0-10,0

Пример 7 (аналогично а.с. SU 1333348 A1)

Состав готовят смешиванием, измельчением и просеиванием компонентов в следующем соотношении, мас.%:

Антислеживающие добавки1,0-5,0Добавки для текучести0,5-7,0Активный компонент (кристаллогидрат)остальное

Пример 8

Активный компонент сушится при 90±5°С до содержания влаги не более 0,5%. Далее он измельчается до фракции 0,1-0,05 мм. Полученный продукт смешивается с добавками, корректирующими его свойства до однородной смеси в следующем соотношении, мас.%

Активный компонент (кристаллогидрат)91Добавки для текучести, например шамотный порошок7,5Аэросил1,5

Пример 9 (аналогично а.с. SU 1460331 А1)

Огнетушащий порошок получают путем размалывания просушенных компонентов в шаровой мельнице в течение 5 мин при следующем их соотношении, мас.%.

Кристаллогидрат95,0-99,1Аэросил0,9-5,0

Механизм тушения огня с использованием в качестве активного компонента нерастворимых в воде кристаллогидратов заключается в следующем.

Термическое разрушение указанных соединений происходит путем спонтанного разрушения их в условиях высоких температур с образованием водяного пара и газообразного аммиака или диоксида углерода.

Пример 10

MgNH₄PO₄*6H₂O→MgHPO₄+6Н₂O_(пар)+NH_43(газ)

Пример 11

MgCO₃*Mg(OH)₂*3H₂O→2MgO+3Н₂O_(пар)+СО_2(газ)

Пример 12

Mg₃(PO₄)₂*22H₂O→Mg₃(PO₄)₂+22Н₂O_(пар)

При термическом разложении кристаллогидратов происходит поглощение тепла, для некоторых соединений превышающее 2100 кДж/кг кристаллогидрата. Это приводит к снижению температуры в зоне горения и образованию большого объема газообразных продуктов, которые преграждают доступ кислорода в эту зону.

Активный тушащий компонент, состоящий из нерастворимых в воде кристаллогидратов, поглощает тепло в интервале температур 90-300°С, при этом выделяется до 770 л пара и газообразных продуктов (приведенных к нормальным условиям). Все это обеспечивает высокую эффективность тушения.

Был исследован синтезированный автором шестиводный магнийаммонийфосфат MgNH₄PO₄*6H₂O. Дериватографический анализ этого кристаллогидрата показал следующее: На фиг.1 видно, что предлагаемое вещество начинает интенсивно разлагаться при температуре около 100°С и теряет практически все летучие компоненты до 250°С. Этот интервал температур считается наиболее благоприятным для борьбы с огнем. Потеря массы составила 54%, что выше расчетной (50,8%). Вероятно, здесь повлияла адсорбированная на поверхности порошка вода. Результаты дериватографического анализа совпадают с данными, приведенными в книге Р.Г.Лепилиной и Н.М.Смирновой Термограммы неорганических фосфатных соединений. Справочник. Л.: Наука, 1984, 334 с.

На том же дериватографе был проделан анализ аммофоса, традиционно применяемого в качестве активного тушащих порошков. Результаты дериватографического анализа аммофоса показаны на фиг.2. Энергия разложения аммофоса, рассчитанная по площади пиков на дифференциальной температурной кривой, примерно в 8 раза ниже, чем у шестиводного магнийаммонийфосфата, причем разложение начинается при более высокой температуре.

Тепловая энергия разложения была рассчитана по площади пиков ДТА на дериватограммах. На рисунках эти пики заштрихованы. Количественная оценка, сделанная сравнением площадей пиков исследуемых соединений и эталонного вещества - бензойной кислоты, дала общую теплоту разложения шестиводного магнийаммонийфосфата 1990 кДж/кг, что удовлетворительно совпало с данными термохимического расчета - 2140 кДж/кг.

Результаты лабораторных исследований порошков, приводимых в примерах описания к изобретению, приведены в таблице 1.

Таблица 1Огнетушащая способность порошков для пожаров класса «В»Марка порошкаТушащая концентрация, кг/м²Пирант0,70ПСБ-30,66П-1А1,06Пример 4, Кристаллогидрат MgNH₄PO₄*6H₂O - 98 мас.%,
Аэросил - 2 мас.%
Содержание связанной воды в порошке - 43,2 мас.%0,48Пример 5, Кристаллогидрат Mg₃(PO₄)₂*22H₂O - 97,5 мас.%
Белая сажа - 2 мас.%
Кремнийорганическая жидкость ПЭС-5 - 0,5 мас.%
Содержание связанной воды в порошке - 58,7 мас.%0,41Пример 6, Кристаллогидрат MgNH₄PO₄*6H₂O 70 мас.%,
Компонент другого класса - (NH₄)₂SO₄ - 25,8 мас.%,
Кремнийорганическая жидкость - 0,2 мас.%
Белая сажа - 1,0 мас.%
Кремнезем (кизельгур) - 3 мас.%
Содержание связанной воды в порошке - 30,9 мас.%0,59Пример 7, Антислеживающая добавка (аэросил) - 1,0
Добавки для текучести (кремнезем) - 2,0 мас.%
Кристаллогидрат Al₂O₃*SO₃•9Н₂O - 97 мас.%
Содержание связанной воды в порошке - 45,7 мас.%0,55Пример 8, Кристаллогидрат Mg₃(PO₄)₂*22H₂O - 91 мас.%
Шамотный порошок - 7,5 мас.%
Аэросил - 1,5 мас.%
Содержание связанной воды в порошке - 54,8 мас.%0,43Пример 9, Кристаллогидрат MgNH₄PO₄*6H₂O - 99,0 мас.%
Аэросил - 1,0 мас.%
Содержание связанной воды в порошке - 43,6 мас.%0,46Отдельный пример, не вошедший в описание
Кристаллогидрат CaSO₄*2Н₂O - 98 мас.%
Аэросил - 2 мас.%
Содержание связанной воды в порошке - 20,5 мас.%0,99

Количество добавок, корректирующих эксплуатационные свойства огнетушащего порошка, влияют на их огнегасящую способность. В таблице 2 приведены результаты гашения модельного очага пожара площадью 0,1 м². Приведено минимальное количество порошков, требуемое для тушения пламени. Огнетушащая способность порошков для модельного очага пожара класса «В»

Таблица 2Наименование образцаМинимальная масса для тушения очага, гИнертный порошок (кварцевый песок)Более 3,0ПСБ-30,5Пирант1,5Порошок на основе бикарбоната натрия (Япония)1,0Испытуемый порошок + 1% стеарата кальция0,4Испытуемый порошок + 3% стеарата кальция0,6Испытуемый порошок + 5% стеарата кальция1,0Испытуемый порошок + 3% лаурилсульфата кальция1,5

Видно, что увеличение количества гидрофобизирующей добавки (стеарат кальция) ухудшает гасящие свойства порошков.

Низкая, не более 0,3 г/л, растворимость кристаллогидратов в воде играет важную роль при хранении огнетушащих порошковых составов. Адсорбция паров воды из окружающей атмосферы даже в герметичных емкостях при понижении температуры и последующая десорбция при ее повышении не сопровождается растворением основного компонента - кристаллогидрата огнетушащего порошка и не приводит к сращиванию мелких кристаллов между собой. Именно это сращивание является основной причиной слеживаемости порошков и других неорганических соединений (например, минеральных удобрений). Это свойство нерастворимых в воде соединений, в данном случае кристаллогидратов, позволяет снизить количество добавок, обеспечивающих такие характеристики огнетушащего порошка, как низкую слеживаемость и высокую текучесть при обеспечении стабильности огнетушащих свойств порошка во времени. Например, шестиводный магнийаммонийфосфат более двух лет хранился в емкости, защищенной только от пыли, при этом не слежался и не потерял сыпучести.

Изобретение относится к области средств тушения и может быть использовано для снаряжения автоматической взрывозащиты и прочего оборудования пожаротушения. Порошковый состав включает активный тушащий компонент в виде нерастворимого в воде кристаллогидрата неорганической соли или смеси таких кристаллогидратов в количестве 90,0-97,8 мас.% и добавки, обеспечивающие коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка в количестве 2,2-10,0 мас.%. Содержание связанной воды в составе кристаллогидратов неорганической соли составляет 25-62 мас.%. Изобретение обеспечивает повышение тушащей эффективности и расширяет ассортимент материалов, используемых в качестве активных компонентов огнетушащих порошков. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Огнетушащий порошковый состав, включающий активный тушащий компонент и добавки, обеспечивающие коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка, отличающийся тем, что в качестве активного компонента он содержит нерастворимый в воде кристаллогидрат неорганической соли или смесь таких кристаллогидратов, содержание связанной воды в составе кристаллогидратов неорганической соли составляет 25-62 мас.%, а соотношение компонентов составляет, мас.%:

Нерастворимый в воде кристаллогидрат неорганической соли или смесь таких кристаллогидратов90,0-97,8Добавки, обеспечивающие коррекцию эксплуатационных свойств огнетушащего порошка2,2-10,0

MgCl₂·5Mg(OH)₂·7H₂O,

MgNH₄PO₄·6H₂O,

Mg₃(PO₄)₂·22H₂O,

MgCO₃·Mg(OH)₂·3H₂O,

CaCl₂·3Ca(OH)₂·12H₂O,

Al₂(SO₄)₃·6Са(ОН)₂·26Н₂O,

Al₂O₃·SO₃·9Н₂O.