一種凝膠滅火劑的制備與性能研究

張國榮 郭文杰 魯 蕓 劉冠群

(濱州學院 化工與安全學院， 山東 濱州 256600)

0 引言

水是消防滅火中的最常用物質(zhì)，水中添加滅火劑，如泡沫滅火劑凝聚成的泡沫可以對高處火災以及油類和固體表明形成包裹，滅火中能節(jié)約消防水量，提高滅火效率。與其它水基滅火基相比，凝膠滅火劑具備獨有的優(yōu)良特性，如吸水性和保水性好，粘度較高，可附著在固體燃燒物表明，可以有效處理高處火災，防止火災復燃。目前，國內(nèi)外水凝膠的研究較多，凝膠的種類繁多，但是普遍存在吸水倍數(shù)低、對水質(zhì)適應性差等缺點，本研究結(jié)合水凝膠的特點，加入溫敏單體，制備出一種保水性好，對滅火水質(zhì)適應性好，受熱析水的智能凝膠，為提高滅火效率，防止火災復燃具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 吸水性水凝膠的制備

1.1.1 儀器及材料

（1）材料：N-異丙基丙烯酰胺(分析純)、丙烯酸（分析純）、高嶺土、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA）（分析純）、過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉、氯化鈉、氯化鈣、溴化鉀（光譜純）。

（2）儀器：燒杯、玻璃棒、量筒、容量瓶、三口燒瓶、恒溫加熱磁力攪拌器、傅里葉變換紅外光譜儀；掃描電鏡；球磨儀。

1.1.2 樣品的制備

（1）分別配置300ml 80%、40%的丙烯酸溶液和NaOH溶液，靜置備用；

（2）按照表1單體比例配置復配體系。

表1 復配體系

2 性能研究

2.1 凝膠在蒸餾水中吸水倍率的測定

控制N-異丙基丙烯酰胺、高嶺土、KPS和NMBA四中材料作為變量進行復配實驗，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，N-異丙基丙烯酰胺對所制備的產(chǎn)品在蒸餾水中的吸水倍率影響最大，加入N-異丙基丙烯酰胺的量在一定范圍隨著加入量的增加，吸水倍率呈現(xiàn)增后減的趨勢，因此，并不是N-異丙基丙烯酰胺加入量越大性能越優(yōu)異，在實際生產(chǎn)中可以控制單體比例，使N-異丙基丙烯酰胺的用量達到最佳，使凝膠的吸水倍率最佳。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，所制備的水凝膠的吸水性能呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，在本研究中，當高嶺土加入的量為6g時，凝膠的吸水倍數(shù)最高，而且隨著高嶺土的含量的增加，吸水凝膠中的物理交聯(lián)結(jié)點越少，造成微觀的網(wǎng)絡密度降低，進而宏觀表現(xiàn)為吸水率的提高；當高嶺土的量大于6g時，由于物理交聯(lián)結(jié)點的增加，使得微觀網(wǎng)絡密度增加，影響了吸水性能，宏觀表現(xiàn)為吸水能力的降低。隨著凝膠中引發(fā)劑的用量的增加，凝膠吸水倍率呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，實驗當中，當引發(fā)劑用量為10ml時，凝膠達到最大吸水倍率。這是由于引發(fā)劑用量不足造成的微觀網(wǎng)絡密度較大，能夠收容較多的水分子。隨著交聯(lián)劑的用量增加，凝膠微觀聚合程度增大，微觀網(wǎng)絡密度增大，進而降低了凝膠的吸水能力。

2.2 水質(zhì)硬度對凝膠吸水倍率的影響

改變水中Na+、Ca2+離子成分來對水質(zhì)硬度進行表征對水質(zhì)硬度影響吸水倍率進行了研究，不同硬度水質(zhì)中水凝膠的吸水倍率如圖1所示。

圖1 Na+、Ca2+離子對凝膠吸水倍率的影響

與在蒸餾水中相比，水凝膠在硬度高的水中吸水倍率明顯降低，并且隨著水質(zhì)硬度的增加吸水別率降低；與Na+離子溶液相比，Ca2+離子溶液對凝膠吸水率的影響更大。凝膠溶脹度的降低主要受到加入到溶脹介質(zhì)中的鹽溶液的類型和濃度的影響。凝膠內(nèi)部電離出的離子與溶液中的離子差，是凝膠吸水別率降低的原因。高價陽離子在凝膠內(nèi)部具有對離子的聚集能力，使得凝膠微觀結(jié)構(gòu)交聯(lián)程度變大，宏觀上表現(xiàn)為吸水倍率的降低。隨著陽離子電荷的增加，凝膠的離子強度和交聯(lián)程度增加從而降低了凝膠的溶脹能力。因此，以上雙重原因造成了凝膠在高硬度水中吸水能力的降低。

2.3 單體對凝膠紅外光譜的影響

圖2 凝膠樣品及其原材料的紅外光譜

3 結(jié)論

（1）在水浴溫度 60℃，交聯(lián)劑 N,N-亞甲基雙丙烯酰胺 0.1g，引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)30%的過硫酸鉀10ml，單體N-異丙基丙烯酰胺0.4g，高嶺土6g時，凝膠吸水倍率最高，且耐鹽性、保水性方面都明顯高于其它條件下的凝膠。

（2）凝膠吸水別率受到水質(zhì)硬度的影響明顯降低，當溶液濃度相同時，凝膠在氯化鈉溶液中的吸水性要比在氯化鈣溶液中的吸水性高，

（3）隨著 N-異丙基丙烯酰胺用量的增加合成凝膠的吸水倍數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，本實驗當中，當使用量為0.4g時，凝膠的吸水性最好。

（4）水凝膠在蒸餾水中的吸水倍率隨高嶺土用量的增加，呈先增大后減小的趨勢，在高嶺土用量為6g時，凝膠吸水倍率達到最大值。

（5）凝膠中隨著交聯(lián)劑用量的增加，凝膠在水中的吸水性呈現(xiàn)下降趨勢。本實驗用量達到0.1g時，合成的凝膠吸水性最好。