Комплексный функциональный наполнитель для огнетушащего порошкового состава Российский патент 2025 года по МПК A62D1/00 C09C1/28 C01B33/12 

Изобретение относится к составу комплексного функционального наполнителя огнетушащего порошка на основе фосфатов аммония. Функциональный наполнитель является ключевым компонентом при изготовлении огнетушащего порошкового состава, обеспечивая его свободное течение и гидрофобные свойства. Применение комплексного функционального наполнителя, полученного в одностадийном процессе золь-гель синтеза, позволяет, с одной стороны, сократить материальные и энергетические ресурсы, затрачиваемые на его изготовление, и, с другой стороны, улучшить текстурные характеристики частиц наполнителя, введение которых в состав огнетушащего порошка повышает эффективность его применения.

Известен состав и способ получения огнетушащего порошка (RU2216371C2) на основе бикарбоната натрия, сульфатов, фосфатов щелочных и щелочноземельных металлов. В данном составе в качестве гидрофобизированной высокодисперсной добавки (0,5-4,5 масс.%) используются аэросил, белая сажа, шамотно-каолиновый порошок, отходы слюд, тальк, обладающие насыпной плотностью не более 200 кг/м²и влажностью не более 0,35 масс.%. Состав также содержит целевую добавку для повышения текучести - кремнезем, алюмосиликаты и силикаты, карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов. Количество добавки для текучести составляет 35,0-70,0 масс.%.

Недостатком данного способа является сложный многокомпонентный состав функционального наполнителя, который в тоже время требует дополнительного использования в огнетушащем составе добавки для течения, снижающей количество тушащего компонента в порошке до 50 масс.%.

Известен огнетушащий порошковый состав (RU 2370295 C2), в котором в качестве функционального наполнителя используется гидрофобизированная смесь белой сажи с размером частиц 20-35 нм и микроталька в соотношении 1:(0,1-2). Микротальк обладает следующим содержанием массовой доли частиц, определенной по седиментационному методу, масс.%: менее 20 мкм - не менее 97; менее 10 мкм - не менее 82; менее 5 мкм - не менее 5. В качестве гидрофобизирующей жидкости используют сополимер силоксана и формальдегида. В качестве основного компонента используют аммофос, фосфориты природные, бикарбонат натрия, сильвинит, хлористый натрий, хлористый калий, талькомагнезит, магнезит, кремнезем, нефелин, флогопит, сульфат аммония. Способ получения функционального наполнителя включает смешение в шнековом смесителе гидрофобизирующей жидкости, порошков белой сажи и микроталька при 10-30°С до полного распределения жидкости по поверхности порошковой добавки. Изобретение позволяет повысить огнетушащую способность, влагоотталкивание, текучесть и снизить склонность к влагопоглощению и слеживанию.

Недостатком данного состава является введение в него высокодисперсной функциональной добавки талька, размер частиц которого достигает 20 мкм. Микроразмерный тальк в составе функционального наполнителя затрудняет распределение гидрофобных частиц белой сажи по поверхности тушащих компонентов и снижает эффективность их применения в огнетушащем порошке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом, взятым за прототип, является способ получения наполнителя, описанный в патенте «Огнетушащий порошок многоцелевого назначения» (RU 2155088 C1), на основе аммофоса (1 - 35 масс.%) и сульфата аммония (0,001 - 50 масс.%), в котором используется высокодисперсный гидрофобный диоксид кремния, обработанный кремнийорганическими соединениями. Диоксид кремния представляет собой осажденный кремнезем с удельной поверхностью не ниже 80 м²/г или пирогенную двуокись кремния с удельной поверхностью 150-400 м²/г и насыпной плотностью от 50 до 200 г/дм³включительно, а также степенью гидрофобности не ниже 95% в количестве 0,5-5,0. В качестве наполнителя может быть использован нерастворимый в воде минерал или смесь минералов в количестве до 100%: доломит, тальк, талькомагнезит, апатит, магнезит, кальцит, флогопит, мусковит. Представленный наполнитель позволяет повысить текучесть (0,34-0,43 кг/с), огнетушащую способность, кажущуюся насыпную плотность, снизить влагопоглощение (0,7-1,8 масс.%), устранить слеживаемость порошка и улучшить в целом остальные эксплуатационные характеристики.

Недостатком данного способа является необходимость дополнительной стадии поверхностной модификации высокодисперсного диоксида кремния и придания ему гидрофобных свойств. Кроме того, частицы аморфного диоксида кремния с высокой удельной поверхностью склонны к формированию прочных агломератов, что затрудняет их распределение по поверхности частиц тушащих компонентов в процессе смешения. В это же время, содержание в составе нерастворимого в воде минерала или его смеси с гидрофобным диоксидом кремния, может составлять до 70 масс.%. Этот факт сказывается на огнетушащей способности состава, снижая показатели удельной эффективности пожаротушения по классам А и В, значения которых составляют 0,38 и 0,91 кг/м², соответственно.

Задачей настоящего изобретения является способ получения сферических супергидрофобных частиц диоксида кремния с определенными текстурными характеристиками и морфологией частиц, обеспечивающими высокую гидрофобность и свободное течение компонентов огнетушащего порошка и его высокую тушащую эффективность.

Для решения поставленной задачи предлагаются определенное соотношение компонентов и последовательность их ввода в процессе золь-гель синтеза, позволяющие получить сферические супергидрофобные частицы диоксида кремния без проведения дополнительного процесса их поверхностной модификации. Введение гидрофобизирующего соединения в реакционную смесь осуществляется после ввода источника диоксида кремния и формирования геля посредством неполярного миграционного агента.

Целью данного решения является повышение пожаротушащей эффективности порошковых составов на основе фосфатов аммония путем использования частиц диоксида кремния с размером от 20 до 80 нм (Фиг. 1) и краевым углом смачивания более 150° в качестве наполнителя.

Технический результат достигается за счет сферической формы и монодисперсности наноразмерных частиц диоксида кремния, с одной стороны, и супергидрофобных свойств их поверхности, с другой стороны. Введение супергидрофобного наполнителя предотвращает возникновение непосредственных точечных контактов между отдельными частицами фосфатов и снижает дисперсионные и электростатические взаимодействия между компонентами системы. Требуемое количество наполнителя (не более 7% масс.) позволяет увеличить в составе содержание смеси тушащих компонентов до 93% масс., что обеспечит высокую удельную эффективность пожаротушения.

В процессе получения частиц диоксида кремния с различными текстурными свойствами (размером частиц и удельной поверхностью) предложено варьировать количество воды (моль) по отношению к другим компонентам синтеза, соблюдая соотношения: ТЭОС (тетраэтоксисилан, Si(OC₂H₅)₄) 1 : ПМГС (полиметилгидросилоксан, (CH₃(H)SiO)_n) 0,006 : NН₄OH 1,5 : C₂H₅OH 9,5 :H₂O 22-32.

Схема получения частиц функционального наполнителя выглядит следующим образом:

1) в заранее приготовленный водно-спиртовый раствор с выбранными мольными соотношениями [H₂O]/[C₂H₅OH] вводится раствор аммиака, затем источник кремния ТЭОС;

2) в образовавшийся гель с маточным раствором при перемешивании вносится ПМГС, растворенный в гексане, который выполняет роль миграционного агента;

3) содержимое реактора вместе с маточным раствором переносится в ротационный испаритель для удаления жидкой фазы при температуре 90°С, помещается в испарительную емкость и выдерживается на воздухе до достижения сухого состояния.

Предлагаемое соотношение компонентов для получения комплексного функционального наполнителя огнетушащего порошкового состава может быть проиллюстрирован следующими примерами изготовления.

Пример 1. Мольное соотношение компонентов ТЭОС 1 : ПМГС 0,006 : NН₄OH 1,5 : C₂H₅OH 9,5 : H₂O 34, не позволяет получить функциональный наполнитель, состоящий из отдельных частиц сферической формы, продуктом синтеза является силикагель с размером гранул 1 – 4 мм.

Пример 2. Мольное соотношение компонентов: ТЭОС 1 : ПМГС 0,006 : NН₄OH 1,5 : C₂H₅OH 9,5 : H₂O 32, позволяет получить функциональный наполнитель со следующими характеристиками сферических частиц диоксида кремния: размер ~20 нм, удельная поверхность - 37 м²/г, краевой угол смачивания воды - 162,3±0,3°;

Пример 3. Мольное соотношение компонентов ТЭОС 1 : ПМГС 0,006 : NН₄OH 1,5 : C₂H₅OH 9,5 : H₂O 28, позволяет получить функциональный наполнитель со следующими характеристиками сферических частиц диоксида кремния: размер ~50 нм, удельная поверхность - 23 м²/г, краевой угол смачивания воды - 163,0±1,2;

Пример 4. Мольное соотношение компонентов ТЭОС 1 : ПМГС 0,006 : NН₄OH 1,5 : C₂H₅OH 9,5 : H₂O 25, позволяет получить функциональный наполнитель со следующими характеристиками сферических частиц диоксида кремния размер ~80 нм, удельная поверхность - 20 м²/г, краевой угол смачивания воды - 152,6±0,8°;

Пример 5. Мольное соотношение компонентов ТЭОС 1 : ПМГС 0,006 : NН₄OH 1,5 : C₂H₅OH 9,5 : H₂O 22, не позволяет получить монодисперсные частицы функционального наполнителя. В результате синтеза средний размер частиц составляет ~200 нм, при это значительно сокращается удельная поверхность наполнителя - 3 м²/г, снижается значение краевого угла смачивания воды - 148,0±1,4°.

Для проведения испытаний наполнитель смешивали с измельченным фосфатом аммония, имеющим следующее соотношение фракций: 7,74% (315 - 200 мкм), 27,63% (200 - 100 мкм), 41,32% (100 - 50 мкм), 23,31% (<50 мкм). Доля комплексного функционального наполнителя в готовом огнетушащем порошковом составе не превышает 7 масс.%.

Использование частиц диоксида кремния, полученных согласно предложенному составу компонентов реакционной смеси, в сравнении с прототипом позволяет получать огнетушащие порошки с большей тушащей способностью по классам А и В, высокой водоотталкивающей способностью и текучестью. Это позволяет применять огнетушащий порошковый состав с предлагаемым наполнителем в переносных и автоматических системах пожаротушения.

При сравнении огнетушащих порошковых составов на основе фосфатов аммония, огнетушащая способность состава, содержащего сферические супергидрофобные частицы диоксида кремния, полученные по формуле изобретения, выше, в сравнении с составом, содержащим гидрофобизированный высокодисперсный диоксид кремния, полученный осаждением или пирогенным способом. За счет супергидрофобных свойств дисперсных компонентов наполнителя способность к водоотталкиванию огнетушащего состава может сохраняться до 600 мин., а склонность к влагопоглощению не превышать 1,40 %. Текучесть составов с комплексным функциональным наполнителем улучшена на 15% в сравнении с прототипом. В тоже время, тушащая способность состава с предложенным наполнителем выше на 60% по классу А и на 50% по классу В, чем у аналога.

Сравнение огнетушащих составов проводилось в соответствии с требованиями НПБ 170-98 «Порошки огнетушащие общего назначения» и ГОСТ Р 53280.4-2009 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 4. Порошки огнетушащие общего назначения. Общие технические требования и методы испытаний» приведено в таблице 1.

Таблица 1 Свойства огнетушащих порошковых составов на основе фосфатов аммония с применением различных функциональных наполнителей

Состав Кажущаяся плотность, кг/м Массовое содержание влаги, % Склонность к влагопоглощению, % Способность к водоотталкиванию, (W) Текучесть, кг/с (остаток, %) Тушащая способность, кг/м неуплотненного порошка уплотненного порошка по классу А по классу В Прототип 755 1140 0,32 1,8 420>W>300 0,33 (3,80) 0,38 0,91 Пример 2 806 1136 0,17 1,40 не менее 600 0,28 (3,71) 0,16 0,43 Пример 3 806 1136 0,19 1,45 не менее 600 0,30 (3,77) 0,17 0,46 Пример 4 806 1163 0,22 1,47 420>W>360 0,32 (3,79) 0,19 0,48

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Частицы комплексного функционального наполнителя.

Изобретение относится к способам получения наполнителя для огнетушащего порошкового состава на основе фосфатов аммония. Предложен способ получения сферических супергидрофобных частиц диоксида кремния для огнетушащего порошка, характеризующийся соотношением компонентов для одностадийного процесса получения тетраэтоксисилан : полиметилгидросилоксан : NH₄OH : C₂H₅OH : H₂O, составляющим 1:0,006:1,5:9,5:(22-32). Предложенный способ позволяет получить сферические супергидрофобные частицы диоксида кремния, размер которых варьируется в диапазоне 20-80 нм, а среднее значение краевого угла смачивания воды превосходит 150°. Применение сферических супергидрофобных частиц диоксида кремния в составе огнетушащих порошков для ручных и автоматических систем пожаротушения обеспечивает их высокую удельную огнетушащую способность, свободную текучесть и супергидрофобные свойства основных компонентов. 1 ил., 1 табл., 5 пр.

Способ получения сферических супергидрофобных частиц диоксида кремния для огнетушащего порошка, состав реакционной смеси для одностадийного процесса получения которых включает следующее мольное соотношение компонентов, используемых в золь-гель синтезе: ТЭОС (тетраэтоксисилан, Si(OC₂H₅)₄) 1 : ПМГС (полиметилгидросилоксан, (CH₃(H)SiO)_n) 0,006 : NН₄OH 1,5 : C₂H₅OH 9,5 : H₂O 25-32, в котором варьирование количества воды по отношению к другим компонентам позволяет получить сферические частицы диоксида кремния размером от 20 до 80 нм, удельной поверхностью от 37 до 20 м²/г и средним значением краевого угла смачивания более 150°.