水系灭火剂的研究与发展
【摘要】综述了国内外水系灭火剂的研究现状，并讨论了水系灭火剂研究的发展方向。
火灾是人类的大敌。无论地面火灾还是井下火灾不仅造成了大量的人员伤亡，还造成了财产和自然资源的重大损失。据原劳动部统计，1994年全国共发生火灾（不含森林、草原、军队的火灾）4万起，死亡2748人，直接财产损失12.4亿元。1995年3.8万起，死亡2232人，伤3370人，直接财产损失10.8亿元。如何快速有效地扑灭火灾，最大限度地减少损失，一直是具有重要意义的研究课题。目前，灭火剂主要有水、泡沫、干粉、卤代烷、二氧化碳、氮气以及一些具有特殊用途的灭火剂，如用于扑灭轻金属火灾的7501灭火剂等。其中水是最常用的灭火剂。广泛用于扑来建筑、森林、草原和井下火灾。但水的流动性很强，大部分水常常未发挥作用就流失了，其利用率很低。例如，在扑灭森林火灾时，水喷洒到枝叶上时，大部分水很快滴到地面，起不到灭火作用。当水源较远时，付出很高的代价运来水，又未充分发挥作用，延误了灭火时间。又如扑灭建筑火灾时，流失水顺楼梯或缝隙向下层流动 动，不但失去灭火作用，而且对未着火的下层区域造成二次损失。再如在扑灭煤巷冒高浮煤自燃时，通过钻孔向燃烧区域注水，大部分水通过裂隙流到巷道，不但影响作业环境，而且由于水流冲刷，在煤体中形成更加连贯的孔隙，更有利于空气的侵入，灭火后，经过一定的时间，仍可能再次自燃。提高水的灭火性能，减少水的流失，是目前国内外火灾科学领域的前沿课题。
1 水系灭火剂研究现状
为了提高水的灭火性能，减少水的流失，人们进行了大量的研究工作。例如采用物理方法改变水的喷洒状态，利用水雾灭火；采用化学方法，通过在水中加入少量添加剂，改变水的物理化学性质，提高水在物体表面的粘附性，提高水的利用率，加快灭火速度。
1.1 水雾灭火剂
高压水通过直喷式或离心式喷嘴形成水雾。当水滴进入火焰区后，水份蒸发吸收大量热量，使火焰温度降低。同时蒸发产生的水蒸汽，降低了火焰区氧气的浓度。部分穿过火焰区的大水滴，到达燃烧物表面，降低了表面温度从而达到灭火效果。水雾还可用于扑灭电器、通讯机房、计算机房、医院等重要场所火灾，也可替代卤代烷灭火剂。
水雾若以水幕状喷出，还可用来遮挡火焰产生的红外辐射，防止火灾的蔓延。Coppalle研究了水幕对红外线的散射及吸收现象，并研究了水滴直径对水幕防红外辐射能力的影响。
1.2 含添加剂水系灭火剂
在水中加入添加剂，改变水的物理化学性质，可提高灭火效果。添加剂可分为以下几类：（1）吸水性颗粒；（2）表面活性剂；（3）增稠剂。增稠剂又可分为无机增稠剂（如水玻璃、无定形SiO2等）和有机增稠剂（如水溶性高聚物）。
（1）在水中加入吸水性颗粒添加剂。吸水性颗粒吸水并膨胀，从而使一部分水保持在颗粒中，一部分水仍成游离状态。当喷洒到物体表面后，部分游离水会流失，而吸水性颗粒则会停留在物体表面，形成覆盖层，增强灭火效果，减少水的流失量。
中川清一、伏见诚一（日本专利JP62/44271、JP01/94872）使用IM-300和IM-1000（一种丙稀酸与演粉共聚物颗粒）作为添加剂。该添加剂具有吸水膨胀性能，吸水倍数达1000倍。在扑灭模拟木材火灾实验中，使用1.0升，10秒钟内即可灭火；而使用水灭火时，需18升水，灭火时间达3分钟。将该灭火剂涂于木板表面，将木板面距火焰10cm处烘烤，在3分钟内不会燃烧。镇目龙平（日本专利JP03/292969）使用大阪有机化学工业株式会社生产的高吸水聚合物颗粒，平均粒度70～150微火，吸水率70～200倍，耐热温度150～200℃。他指出，由于大部分水被聚合物颗粒吸收，可有效地防止水的流失对财产和环境的二次破坏。
Von Bluecher（美国专利US4978460）在水中加入强吸水膨胀高分子聚合物颗粒添加剂，即丙烯酸或甲基丙烯酸盐共聚物，加入水中后吸水膨胀，但不溶于水。在水中按0.4%加入该添加剂，即可制成灭火剂，其中吸水颗粒的含水量占总水量的50%以上。粘度小于100mPa·S，灭火时间和灭火用水量可减少30～35%，水的流失可减少85%。为了防止高吸水颗粒在加入水中时胶结成块，影响其在水中的分散速度，可在高吸水颗粒中掺入聚乙烯醇300或400或磷酸二铵作隔离剂。隔离剂在吸水性颗粒之间形成屏障。由于隔离剂具有良好的水溶性，从而防止吸水性颗粒的胶结，加快其分散、吸水、膨胀速度。
（2）在水中加入表面活性剂可降低水的表面张力，提高水在憎水性物体（如塑料）表面的粘附性，从而提高灭火效果。
Takahashi利用普通水（Plain Water）和湿润性水（Wet Water）对10种普通塑料和3种泡沫塑料进行了来火试验。所谓湿润性水就是在水中加入表面活性剂。试验表明，湿润性水在大部分塑料表面的粘附量是普通水的两倍以上。用湿润性水灭火可减少灭火时间30～50%。他还研究了表面活性剂浓度与灭火时间的关系。结果表明，随着表面活性剂浓度增加，灭火时间不再减少。该浓度值大约是表面活性剂临界胶束浓度（CMC）的10倍。
（3）在水中加入增稠性添加剂，制成粘性水灭火剂，可使水的粘度增加，显著提高水在物体表面的粘附性能，在物体表面形成粘液覆盖层，减少水的流失，提高灭火速度。
Gogolin将硅酸钠凝胶溶液注入煤体，降低火区温度，封堵煤中裂隙，防止漏风，收到很好的灭火效果。
高云溪（中国专利CN88/103151）在水中加入水玻璃，配成20～40%的水溶液作为灭火剂。该灭火剂具有一定的粘度，能粘附于物体表面。在火焰的烘烤下，可逐渐变成阻燃的固体防护层。在高温下水玻璃还能发泡，使防护层变厚。从而隔绝空气，防止火的蔓延，扑灭火灾。尤其适用于森林等大面积火灾的灭火。
Buil、Loehnert（专利WO92/13602、WO93/25474）在水中加入无定形SiO2和水溶性高聚物（如聚乙烯醇等）作为增稠剂，制成灭火剂。可利用普通灭火器械喷洒。该灭火剂粘附在物体表面后，可防止火的蔓延，减少水的流失。
Baudouin（法国专利FR2615399）在水中加入铝酸盐矿物、水玻璃或纤维素衍生物制成灭火剂，用于扑灭森林火灾。其粘液可粘附在枝叶之上，起到灭火作用。与水相比，粘液不易流入土壤，亦不易蒸发，可在森林火区周围形成火灾隔离带。
Artsybashev（前苏联专利SU1544451）使用羧甲基纤维素钠作增稠剂，再加NH4 C1、脲等可制成灭火剂，提高灭火性能，用于扑灭森林火灾。冈本安弘（日本专利JP05/305135）用魔芋粉作增稠剂，同样起到防止水的流失，隔绝空气的作用。
2 水系灭火剂研究的发展方向
2.1 水雾灭火剂
为了提高水雾灭火剂的灭火能力，应进一步研究不同粒径的雾滴在火焰中的运动、蒸发状况，研究水雾的粒径分布、喷雾锥角、流量和动量。
2.2 含添加剂水系灭火剂
（1）确定灭火剂合适的粘度。灭火剂粘度大，有利于粘附于物体表面，但会增加管路输送阻力，喷洒困难。反之，若粘度较小，有利于输送和喷洒，但粘附力下降。
（2）赋予灭火剂触变流动性。灭火剂经过泵和管路输送，喷洒到物体表面。在此过程中，灭火剂所受的剪切速率相差很大。其在泵和管路中，剪切速率，可达5～15S，而在物体表面缓慢流动时，剪切速率只有0.01～0.1S。如果粘液为牛顿体，则在此过程中，粘度不发生变化。若为非牛顿体，且具有触变性，则粘度随着剪切速率的增加而变小，即在泵送和管路输送时，粘度较小，阻力亦小。一旦喷到物体表面后，剪切速率变小，粘度变大，粘附性增强，因此若灭火剂具有触变性，将对灭火极为有利。
（3）灭火剂液膜防热辐射性能。火灾发生后，火源周围的物体受强烈热辐射而升温，直至燃烧。当灭火剂喷洒到未着火物体表面后，形成液膜。液膜可遮挡一部分热辐射，延缓未着火物体温度升高，阻止火灾的蔓延。粘液膜遮挡热辐射的能力取决于液膜的厚度、蒸发速度以及添加剂的光谱特性，尤其是红外光谱特性。如果所选用的添加剂在大部分红外光谱范围内都能吸收红外光，则能提高液膜遮挡热辐射的能力，有效地防止火灾的蔓延。
（4）选用用量少的添加剂。添加剂的用量越少越好。添加剂的用量越大，成本越高。像水玻璃灭火剂，水玻璃含20～40%，显然用量太大。在选择添加剂时，其用量是一个重要因素。
【摘要】综述了国内外水系灭火剂的研究现状，并讨论了水系灭火剂研究的发展方向。
火灾是人类的大敌。无论地面火灾还是井下火灾不仅造成了大量的人员伤亡，还造成了财产和自然资源的重大损失。据原劳动部统计，1994年全国共发生火灾（不含森林、草原、军队的火灾）4万起，死亡2748人，直接财产损失12.4亿元。1995年3.8万起，死亡2232人，伤3370人，直接财产损失10.8亿元。如何快速有效地扑灭火灾，最大限度地减少损失，一直是具有重要意义的研究课题。目前，灭火剂主要有水、泡沫、干粉、卤代烷、二氧化碳、氮气以及一些具有特殊用途的灭火剂，如用于扑灭轻金属火灾的7501灭火剂等。其中水是最常用的灭火剂。广泛用于扑来建筑、森林、草原和井下火灾。但水的流动性很强，大部分水常常未发挥作用就流失了，其利用率很低。例如，在扑灭森林火灾时，水喷洒到枝叶上时，大部分水很快滴到地面，起不到灭火作用。当水源较远时，付出很高的代价运来水，又未充分发挥作用，延误了灭火时间。又如扑灭建筑火灾时，流失水顺楼梯或缝隙向下层流动 动，不但失去灭火作用，而且对未着火的下层区域造成二次损失。再如在扑灭煤巷冒高浮煤自燃时，通过钻孔向燃烧区域注水，大部分水通过裂隙流到巷道，不但影响作业环境，而且由于水流冲刷，在煤体中形成更加连贯的孔隙，更有利于空气的侵入，灭火后，经过一定的时间，仍可能再次自燃。提高水的灭火性能，减少水的流失，是目前国内外火灾科学领域的前沿课题。
1 水系灭火剂研究现状
为了提高水的灭火性能，减少水的流失，人们进行了大量的研究工作。例如采用物理方法改变水的喷洒状态，利用水雾灭火；采用化学方法，通过在水中加入少量添加剂，改变水的物理化学性质，提高水在物体表面的粘附性，提高水的利用率，加快灭火速度。
1.1 水雾灭火剂
高压水通过直喷式或离心式喷嘴形成水雾。当水滴进入火焰区后，水份蒸发吸收大量热量，使火焰温度降低。同时蒸发产生的水蒸汽，降低了火焰区氧气的浓度。部分穿过火焰区的大水滴，到达燃烧物表面，降低了表面温度从而达到灭火效果。水雾还可用于扑灭电器、通讯机房、计算机房、医院等重要场所火灾，也可替代卤代烷灭火剂。
水雾若以水幕状喷出，还可用来遮挡火焰产生的红外辐射，防止火灾的蔓延。Coppalle研究了水幕对红外线的散射及吸收现象，并研究了水滴直径对水幕防红外辐射能力的影响。
1.2 含添加剂水系灭火剂
在水中加入添加剂，改变水的物理化学性质，可提高灭火效果。添加剂可分为以下几类：（1）吸水性颗粒；（2）表面活性剂；（3）增稠剂。增稠剂又可分为无机增稠剂（如水玻璃、无定形SiO2等）和有机增稠剂（如水溶性高聚物）。
（1）在水中加入吸水性颗粒添加剂。吸水性颗粒吸水并膨胀，从而使一部分水保持在颗粒中，一部分水仍成游离状态。当喷洒到物体表面后，部分游离水会流失，而吸水性颗粒则会停留在物体表面，形成覆盖层，增强灭火效果，减少水的流失量。
中川清一、伏见诚一（日本专利JP62/44271、JP01/94872）使用IM-300和IM-1000（一种丙稀酸与演粉共聚物颗粒）作为添加剂。该添加剂具有吸水膨胀性能，吸水倍数达1000倍。在扑灭模拟木材火灾实验中，使用1.0升，10秒钟内即可灭火；而使用水灭火时，需18升水，灭火时间达3分钟。将该灭火剂涂于木板表面，将木板面距火焰10cm处烘烤，在3分钟内不会燃烧。镇目龙平（日本专利JP03/292969）使用大阪有机化学工业株式会社生产的高吸水聚合物颗粒，平均粒度70～150微火，吸水率70～200倍，耐热温度150～200℃。他指出，由于大部分水被聚合物颗粒吸收，可有效地防止水的流失对财产和环境的二次破坏。
Von Bluecher（美国专利US4978460）在水中加入强吸水膨胀高分子聚合物颗粒添加剂，即丙烯酸或甲基丙烯酸盐共聚物，加入水中后吸水膨胀，但不溶于水。在水中按0.4%加入该添加剂，即可制成灭火剂，其中吸水颗粒的含水量占总水量的50%以上。粘度小于100mPa·S，灭火时间和灭火用水量可减少30～35%，水的流失可减少85%。为了防止高吸水颗粒在加入水中时胶结成块，影响其在水中的分散速度，可在高吸水颗粒中掺入聚乙烯醇300或400或磷酸二铵作隔离剂。隔离剂在吸水性颗粒之间形成屏障。由于隔离剂具有良好的水溶性，从而防止吸水性颗粒的胶结，加快其分散、吸水、膨胀速度。
（2）在水中加入表面活性剂可降低水的表面张力，提高水在憎水性物体（如塑料）表面的粘附性，从而提高灭火效果。
Takahashi利用普通水（Plain Water）和湿润性水（Wet Water）对10种普通塑料和3种泡沫塑料进行了来火试验。所谓湿润性水就是在水中加入表面活性剂。试验表明，湿润性水在大部分塑料表面的粘附量是普通水的两倍以上。用湿润性水灭火可减少灭火时间30～50%。他还研究了表面活性剂浓度与灭火时间的关系。结果表明，随着表面活性剂浓度增加，灭火时间不再减少。该浓度值大约是表面活性剂临界胶束浓度（CMC）的10倍。
（3）在水中加入增稠性添加剂，制成粘性水灭火剂，可使水的粘度增加，显著提高水在物体表面的粘附性能，在物体表面形成粘液覆盖层，减少水的流失，提高灭火速度。
Gogolin将硅酸钠凝胶溶液注入煤体，降低火区温度，封堵煤中裂隙，防止漏风，收到很好的灭火效果。
高云溪（中国专利CN88/103151）在水中加入水玻璃，配成20～40%的水溶液作为灭火剂。该灭火剂具有一定的粘度，能粘附于物体表面。在火焰的烘烤下，可逐渐变成阻燃的固体防护层。在高温下水玻璃还能发泡，使防护层变厚。从而隔绝空气，防止火的蔓延，扑灭火灾。尤其适用于森林等大面积火灾的灭火。
Buil、Loehnert（专利WO92/13602、WO93/25474）在水中加入无定形SiO2和水溶性高聚物（如聚乙烯醇等）作为增稠剂，制成灭火剂。可利用普通灭火器械喷洒。该灭火剂粘附在物体表面后，可防止火的蔓延，减少水的流失。
Baudouin（法国专利FR2615399）在水中加入铝酸盐矿物、水玻璃或纤维素衍生物制成灭火剂，用于扑灭森林火灾。其粘液可粘附在枝叶之上，起到灭火作用。与水相比，粘液不易流入土壤，亦不易蒸发，可在森林火区周围形成火灾隔离带。
Artsybashev（前苏联专利SU1544451）使用羧甲基纤维素钠作增稠剂，再加NH4 C1、脲等可制成灭火剂，提高灭火性能，用于扑灭森林火灾。冈本安弘（日本专利JP05/305135）用魔芋粉作增稠剂，同样起到防止水的流失，隔绝空气的作用。
2 水系灭火剂研究的发展方向
2.1 水雾灭火剂
为了提高水雾灭火剂的灭火能力，应进一步研究不同粒径的雾滴在火焰中的运动、蒸发状况，研究水雾的粒径分布、喷雾锥角、流量和动量。
2.2 含添加剂水系灭火剂
（1）确定灭火剂合适的粘度。灭火剂粘度大，有利于粘附于物体表面，但会增加管路输送阻力，喷洒困难。反之，若粘度较小，有利于输送和喷洒，但粘附力下降。
（2）赋予灭火剂触变流动性。灭火剂经过泵和管路输送，喷洒到物体表面。在此过程中，灭火剂所受的剪切速率相差很大。其在泵和管路中，剪切速率，可达5～15S，而在物体表面缓慢流动时，剪切速率只有0.01～0.1S。如果粘液为牛顿体，则在此过程中，粘度不发生变化。若为非牛顿体，且具有触变性，则粘度随着剪切速率的增加而变小，即在泵送和管路输送时，粘度较小，阻力亦小。一旦喷到物体表面后，剪切速率变小，粘度变大，粘附性增强，因此若灭火剂具有触变性，将对灭火极为有利。
（3）灭火剂液膜防热辐射性能。火灾发生后，火源周围的物体受强烈热辐射而升温，直至燃烧。当灭火剂喷洒到未着火物体表面后，形成液膜。液膜可遮挡一部分热辐射，延缓未着火物体温度升高，阻止火灾的蔓延。粘液膜遮挡热辐射的能力取决于液膜的厚度、蒸发速度以及添加剂的光谱特性，尤其是红外光谱特性。如果所选用的添加剂在大部分红外光谱范围内都能吸收红外光，则能提高液膜遮挡热辐射的能力，有效地防止火灾的蔓延。
（4）选用用量少的添加剂。添加剂的用量越少越好。添加剂的用量越大，成本越高。像水玻璃灭火剂，水玻璃含20～40%，显然用量太大。在选择添加剂时，其用量是一个重要因素。