磷酸铵盐干粉灭火剂.doc

磷酸铵盐干粉灭火剂摘要：本文概述了磷酸铵盐干粉灭火剂的灭火原理、原料组分、配方设计、生产工艺及过程要点，并探讨了相关质量问题产生的原因及相应解决方法。关键词：磷酸铵盐；干粉灭火剂；斥水性；吸湿性；灭火性能；结块；粒径前言 磷酸铵盐干粉灭火剂简称ABC干粉灭火剂，其中磷酸二氢铵(NH4H2PO4)起主要灭火作用，其余辅料起防结块、添加剂等功能。磷酸铵盐干粉灭火剂主要分三类：1)以磷酸铵盐或焦磷酸铵盐为基料的干粉；2)以磷酸铵盐或硫酸铵盐为基料的混合干粉；3)以聚磷酸铵盐为基料的干粉。磷酸铵盐干粉灭火剂较之BC类干粉灭火剂用途更广泛，除具有BC灭火剂灭火功能外，还可灭A类固体火灾；不但能扑灭平面火灾，还能灭三维立体空间火灾。此外，磷酸铵盐干粉灭火剂因灭火效率高，速度快，原料来源广泛，对环境、人畜无毒害，不需要特殊动力及使用温度宽广等特点，已经获得很广泛应用。因磷酸铵盐灭火剂的多功能用途，为使用单一灭火剂替换各种各样高度专门化灭火剂提供了更大方便。另外，目前世界范围内掀起了淘汰哈龙灭火剂的环保运动，我国计划在2005年全面淘汰哈龙121l，2010年淘汰哈龙1301。因此，寻找开发新型环保灭火剂替代哈龙灭火剂势在必行，磷酸铵盐干粉灭火剂有望成为替代哈龙灭火剂的一类理想产品。2 灭火原理 窒息、冷却、辐射及对有焰燃烧的化学抑制作用是磷酸铵盐干粉灭火效能的集中体现。其中化学抑制作用是灭火的基本原理，起主要灭火作用。磷酸二氢铵在燃烧火焰中吸热分解出氨和磷酸，随后生成P205。每一步反应均是吸热反应，故有较好的冷却作用；分解产生的游离氨能与火焰燃烧反应中产生的OH自由基反应，减少并终止燃烧反应产生的自由基，降低了燃烧反应速率，当火焰中游离氨浓度足够高，与火焰接触面积足够大，自由基中止速率大于燃烧反应生成的速率，链式燃烧反应被终止，导致火焰熄灭。此外，高温下磷酸二氢铵分解，在固体物质表面生成一层玻璃状薄膜残留覆盖物覆盖于燃烧物表面，冷却后形成脆性覆盖物使燃烧表面与空气隔绝，当覆盖物达到一定厚度时能够阻止复燃，阻止燃烧进行。3 磷酸铵盐干粉灭火剂组分及配方设计 磷酸铵盐干粉灭火剂主要由活性灭火组分、疏水成分、惰性填料及其它成分组成。疏水成分主要有硅油和疏水白炭黑；惰性填料种类繁多，主要起防振实、块，改善于粉运动性能、电性能，催化线型硅油聚合以及改善与泡沫灭火剂的共容等作用。3.1 灭火组分 磷酸铵盐干粉灭火剂中主要灭火组分是磷酸铵盐，硫酸铵与氯化钠经常作为辅助灭火组分加入，它们主要弥补、增强磷酸二氢铵扑灭B、C类火灾的灭火效能。3.1.1 磷酸二氢铵 磷酸铵盐是磷酸铵盐干粉灭火剂的核心，配方设计总是围绕磷酸铵盐来进行的。磷酸二氢铵盐的物理和化学性质对磷酸铵盐干粉灭火剂性能有重要影响。因此，首先要了解磷酸铵盐的物理和化学性能，清楚磷酸铵盐干粉灭火剂性能与磷酸二氢铵盐密切关系对于干粉灭火剂配方设计和生产工艺过程控制是很关键的。3.1.1.1 物化性能 磷酸二氢铵：五色透明四方晶体，比重：1.803 g/cm3(19)，熔点190，在空气中稳定，在100时小部分分解，溶于水，呈酸性。工业上将磷酸与氨按照一定比例进行中和反应生成。工业级NH4H2PO4含量98.0%，水不溶物0.1%，价格较高；化肥级NH4H2PO4国外含量约90%，国内精制级含量为88%，普通级70%左右。国内厂家由于生产规模小及受技术、设备等因素影响不同厂家生产的NH4H2P04质量参差不齐，所含杂质也不同，故磷酸二氢铵的吸湿率也各不相同。3.1.1.2 化肥级磷酸铵盐 生产磷酸铵盐干粉灭火剂的磷酸铵盐有工业级和化肥级之分，化肥级中磷酸二氢铵含量较低，价格也较低。但需注意的是只有磷酸二氢铵化肥才能用来制造干粉灭火剂，别的磷酸铵盐化肥均不能用来生产干粉灭火剂。工业上采用如下方式制备磷酸二氢铵：NH3+H3PO4 NH4H2PO4。磷矿石中含有MgO、A1203、Fe203，等杂质，用湿法制磷酸时，它们与磷酸和氨反应。例如，与MgO反应生成磷酸铵镁。这些杂质存在会增加磷酸铵盐化肥粘结性与吸湿性，当然也影响到磷酸铵盐干粉灭火剂的抗结块性和吸湿性。因此，使用不同厂家化肥级磷酸铵盐时应慎重考虑其杂质种类和含量。3.1.1.3 生产中磷酸铵盐用量计算国标中对磷酸铵盐干粉灭火剂中的磷酸二氢铵含量有规定，而实际上国内磷酸铵盐纯度是用P2O5或N的百分含量来表示的，因此不能直接用P205。或N的百分含量替代NH4H2PO4的含量来计算磷酸铵盐的用量。首先需要将P205或N的百分含量转化成磷酸二氢铵的含量，然后计算磷酸二氢铵盐的用量。尽管磷酸铵盐的纯度可以分别用P205、N的百分含量表示，但实际上应用P2O5含量来计算所得结果更接近真实值。NH4H2PO4中P205理论含量为61.7%将某NH4H2PO4中P205。含量与理论含量61.7%相除，即得NH4H2PO4百分含量。这样，磷酸铵盐干粉灭火剂中NH4H2PO4百分含量可表示为：(磷酸铵盐投入量P2O5%/61.7%) 100%/(磷酸铵盐投入量+生产中不挥发辅助料)。这一点和碳酸氢钠及氯化钠干粉灭火剂有很大不同，实际生产中应该予以重视。3.1.2 硫酸铵与氯化钠 硫酸铵盐作为辅助灭火组分，主要弥补、增强磷酸二氢铵干粉灭火剂扑灭B、C类火灾的效能。在磷酸铵盐干粉灭火剂中加入25%30%硫酸铵盐，可明显提高灭火效能。 物化性能：纯品为无色正交结晶，商品为白色或微带颜色结晶，比重1.769g/cm3，235分解，易溶于水，水溶液呈酸性反应，不溶于乙醇、丙酮。在潮湿环境中吸收水分而结块，与碱类物质作用放出氨气。 硫酸铵与磷酸铵盐之间并非简单的惰性混合，实验表明二者之间存在化学接触反应。磷酸铵盐吸湿率很高，而硫酸铵吸湿率很低，将二者按照一定比例混合进行吸湿实验，结果发现混合物吸湿率高于混合物加权平均值，说明二者部分发生反应，生成了硫、磷酸铵。硫、磷酸铵吸湿率较高，且吸湿率随吸湿率时间和磷酸铵盐混合比例增加而明显升高。3.1.3 氯化钠 氯化钠：白色立方晶系结晶体，呈细小结晶分，粉末状，无臭、味咸、中性。密度：2.165 g/cm3，熔点810，沸点1413，有杂质存在时易潮解，溶于水、甘油。NaCl百分含量98.0%，是食盐的主要成分。 在磷酸铵盐干粉灭火剂中加入氯化钠15%35%，同样可明显提高其灭BC类火灾的能力，还可灭轻金属火，是真正的ABCD干粉灭火剂。32 疏水组分 硅油和疏水白炭黑构成千粉灭火剂疏水组分，共同围绕在灭火剂粒子周围形成叠加斥水场，协同保持干粉的斥水防潮性。3.2.1 硅油 硅油：线型聚硅氧烷，根据主链硅原子侧基所连接的基团划分，用于干粉灭火剂的硅油分甲基硅油、乙基硅油、甲基含氢硅油、乙基含氢硅油等，其中甲基含氢硅油(202)最常用。含氢硅油中，侧链乙基、甲基与硅原子个数之比小于2，R/Si2时，由于侧基无氢原子，线型聚硅氧烷分子间作用力很弱，水解交联反应慢，硅油固化需要很长时间，导致干粉虽经长时间聚合，仍有粘手感觉。当2/3R/Si2，其中H/R0.9/1.01.1时，由于活性氢原子，存在分子间氢键作用，分子相互易接近，利于交联，聚合物固化后机械性能好。若H含量过高，交联密集，聚合物性脆，易受机械搅拌力破坏；若H含量过低，聚合物固化不好，发软，影响干粉运动性能和斥水性能。 线型硅油交联聚合后形成三维立体网状结构，交联反应需要以下条件：有水和催化剂存在。催化剂常用路易斯质子酸，如活性白土，它是膨润土经硫酸处理而成的多孔高比表面粉料。在催化剂存在下，线型硅油经稀释后，在高速搅拌下，分散到灭火剂粒子表面水解、交联，催化反应为均相催化。固化完成后，在于粉粒子表面形成了硅油膜，其中疏水基CH：朝外，因甲基电子云成柱状分布立体空间较大，故分子间距大，甲基内聚能密度小，斥水性强。硅油膜覆盖在粒子表面，由于它的疏水基CH3有极强的斥水性，使液膜在形成过程中无法形成膜状，水膜无法很好地润湿粒子表面，而是缩成球形，减少了粒子与粒子表面间的接触面积，析出的晶体连接脆弱，结块趋势显著减弱，从而赋予干粉斥水性能。 硅油聚合时最好使用稀释剂稀释，这样可使硅油螺旋型结构变成无规则蜷曲状，显示出分子极性，有利于在灭火粒子表面展开，进行下一步交联反应。3.2.2 疏水白炭黑 疏水白炭黑由白炭黑经硅油疏水化处理而成，白炭黑表面存在醇羟基，与含氢硅油发生脱氢反应而键合起来。此外，白炭黑毛细孔中的吸附水也与含氢硅油发生脱氢反应，硅油聚合物在白炭黑表面的物理吸附作用是主要的。 疏水白炭黑加入后，由于粒径极细(1000目以上)，充分分散到粒子间，进一步补充硅油未能覆盖的地方。粒子间疏水白炭黑不但起到物理分隔作用，更主要的是对相临粒子液膜产生排斥作用，使它们不易连接起来，降低了结块趋势。疏水白炭黑和硅油在斥水性上相互弥补，共同形成叠加斥水场。3.3 惰性填加组分 隋性添加剂多为非水溶性的天然矿物，价格便宜，来源广泛，是干粉灭火剂必不可少的，大致有以下二类：3.3.1 防振实结块类 具有鳞片状结构，富有弹性的填料，如云母、石墨、蛭石等。云母在于粉中最为常用，细度为250目左右最好，云母具有优异的电绝缘性能，加入云母后赋予灭火剂良好的电绝缘性能，还能明显提高干粉抗振实性能。3.3.2 改善干粉运动性能、催化硅油聚合类 这类填料有助于提高于粉运动性能，防止干粉自灭火器中喷出时气阻现象发生，如多孔类矿物有沸石、珍珠岩、菱镁矿等，非孑L类矿物有滑石、硅酸盐、碳酸盐、磷酸盐等，以及硅油聚合催化剂如酸性活性白土(Al2034SiO3nH2O)，活性白土还具有防止干粉生物霉变，利于贮存等特点。碱土金属碳酸盐也是良好的催化剂。此外，像氧化钙、氢氧化钙、二硫化钼、氮化硼以及某些工业废渣均是干粉的很好填料。 干粉灭火剂的松密度在国标上有严格下限限制，松密度过小或过大均影响干粉其它性能，为了使松密度合乎要求，可通过惰性填料的合理搭配来调节。多孔、非多孔结构填料比表面积大于灭火组分，两者松密度相差很大，合理搭配可起到抗结块和有效调节干粉松密度作用。3.4 磷酸铵盐干粉灭火剂的配方设计 磷酸铵盐干粉灭火剂外观由很细微的粉末组成，使用时，先与氮气迅速混合，然后依靠气压自喷嘴喷向火源。灭火组分如磷酸铵盐因吸湿性很强，易于发生结块而无法长期保持松散粉末状态。同时因粉体运动性能不好，很难做到气、粉迅速均匀混合。因此，配方设计中，首先考虑必须对灭火组分粒子进行疏水化表面处理，使易溶于水的粒水变为难溶于水，这样可以有效降低吸湿率，提高抗结块性能，在储存期内保持松散粉末状态。其次，添加改善粉体运动性能的某些惰性填料。 根据国标规定，我国干粉中NH4H2PO4百分含量有50%和70%之分，因此，磷酸铵盐干粉灭火剂中磷酸二氢铵用量范围基本固定。此外，还可添加15%25%的硫酸铵或氯化钠进行辅助灭火。含氢硅油一般用量4%。左右，疏水白炭黑4%左右，其余皆为惰性填料。如果干粉需要颜色，加入0.15%氧化铁黄或0.12%0.15%氧化铁红，可将干粉染至淡黄或粉红颜色。此外，可加入0.0l%的荧光红或荧光黄也能达到所需的近似颜色效果。4 磷酸铵盐干粉灭火剂的生产工艺 磷酸铵盐干粉灭火剂生产工艺简述：首先烘烤含水率较高的磷酸铵盐、硫酸铵等原材料，然后送入超细粉碎机粉碎，在混合器中按照配方加入辅助原材料如碳酸钙、活性白土、云母粉等搅拌、升温，加人称量过的磷酸铵盐、硫酸铵粉碎料，快速搅拌混合均匀。加入稀释好的硅油，1015分钟后加人疏水白炭黑，恒定温度下继续烘烤至出料，检验、称量、包装、入库。工艺简图如图1。 5 磷酸铵盐干粉灭火剂生产过程要点现将磷酸铵盐干粉灭火剂生产过程中各个生产要点简述如下。5.1 磷酸铵盐粉碎 磷酸铵盐灭火组分颗粒较粗，使用前必须经过超细粉碎机粉碎到国标所要求的粒径及分布范围内。国内大多采用机械式气流粉碎机及球磨机等。从微观机械化学理论讲，粉碎是个可逆过程，一方面物料颗粒变细，比表面积增大；另一方面，表面自由能促使物料颗粒重新团聚，粒径变大，比表面积减小。正反可逆过程速度相等时，粉碎达到平衡，物料粒子尺寸达到该平衡状态条件下的最小值。要想追求更细小粒子，必须打破粉碎平衡，使平衡向超细粉末方向移动。因此，简单有效的方法是加入20um的粒子灭火效能锐减。所以，磷酸铵盐干粉灭火剂灭火效能同时决定于磷酸二氢铵纯度与底盘粒子的比例，二者的乘积是一个重要表征灭火效能的参数。 干粉灭火剂灭火效能是小粒子与大粒子灭火效能之和。按灭火效能定义，有如下关系式： 如果知道sa就可求出，在实际生产中根据Xk控制干粉大、小粒子的级配，可获得具有最佳灭火效果的干粉。 国内有的厂家生产的磷酸铵盐干粉灭火剂灭火能力差甚至无法灭火，究其原因是其灭火组分粒径粗以及底盘中细粉含量、尤其是粒径20 pm的磷酸铵盐粒子过少造成的。6.6 松密度 磷酸铵盐类干粉灭火剂松密度有下限规定，若松密度太小，则无法保证钢瓶干粉充装量。因此，应该检查粉碎系统并调整粉碎机，调整配方中不同物料，配比来达到松密度要求。6.7 抗振实性 有的干粉在充装钢瓶静置一段时间后，插入吸管很费力。可通过如下方法解决：提高云母粉、活性白土及其它防振实填料的用量比例，调节相互间搭配。灭火原料应一次性全部粉碎且注意粉碎工艺的稳定性。6.4 磷酸铵盐干粉灭火剂生产中的结快现象 磷酸铵盐类干粉灭火剂生产厂家会遇到这样情况：在生产过程中加完硅油水后，遭遇一段时间停电，结果发现混合器中磷酸铵盐已经结块，有时结块很大且很坚硬，很难从混合器里清理出来。结块严重情况下，电机无法带动搅拌器，甚至烧坏电机。有时即使不停电，也会发生结块现象。究其原因，主要是由于磷酸二氢铵溶解度增大造成的。磷酸二氢铵溶解度大，且随温度升高明显增大。实验证明，温度从60到100，磷酸二氢铵溶解度增大110%。混合物在混合加热过程中，物料中水分不断向外迁移，粒子表面气相中水蒸汽分压逐渐增大。当体系中水蒸气不能及时排出时，饱和水蒸汽开始在粒子表面发生冷凝，溶解部分磷酸二氢铵粒子表层，形成磷酸二氢铵饱和溶液。随着温度升高，溶解度增大，溶解饱和液粘度增加，粉体变为粘滞液体，体系阻力增大，加重电机负荷，直至停止运转。溶解持续进行，导致体系温度下降，饱和磷酸二氢铵溶液开始析出结晶，随温度不断降低，大量磷酸二氢铵晶体持续析出，析出后的相临粒子连结在一起，逐步形成硬块。 因此，要防止磷酸铵盐干粉灭火剂在混合器内结块，首先要保持抽风除湿设备正常工作，及时抽走混合器内蒸发的水分，降低水蒸汽分压；其次是控制混合料中的水分含量尽可能低。7 磷酸铵盐干粉灭火剂现状与前景 与水、泡沫、二氧化碳等灭火剂