Функциональный наполнитель для огнетушащего порошкового состава
FUNCTIONAL FILLER FOR A FIRE EXTINGUISHING POWDER COMPOSITION

Настоящее изобретение относится к составу функционального наполнителя для огнетушащего порошкового состава на основе фосфатов аммония. Функциональный наполнитель является необходимым компонентом при изготовлении огнетушащего порошкового состава, обеспечивая его свободное течение и гидрофобные свойства. Применение предлагаемого наполнителя в составе огнетушащего порошка позволяет повысить эффективность его применения.
Известен огнетушащий порошковый состав (Патент РФ № 2570464) с повышенной огнетушащей способностью, включающий целевую добавку для текучести, полиметилгидросилоксан в качестве гидрофобизирующей органической жидкости и основной компонент на основе аммофоса и сульфата аммония - остальное. В качестве целевой добавки состав содержит минеральный порошок МП-1, а основной компонент дополнительно содержит карбамид, при следующем соотношении, мас. %: минеральный порошок МП-1 - 20 - 60%, гидрофобизирующая жидкость 0,1 - 1,0 %, основной компонент до 100 %.
Недостатком данного изобретения является высокая доля целевой добавки для текучести, содержание которой достигает 20 - 60 мас. %, а также присутствие сульфата аммония в составе основного компонента. Тем самым существенно снижается доля активного огнетушащего компонента - фосфатов аммония и, следовательно, огнетушащая способность состава.
Известен огнетушащий порошковый состав многоцелевого назначения (Патент РФ 2335315), содержащий высокодисперсную добавку (0,1 - 10 %), гидрофобизирующую жидкость (0,1-0,5 %) и целевую добавку для текучести, отличающийся тем, что в нём присутствует адсорбент остаточной и конденсирующейся влаги - технический силикагель (0,5-5 %), а в качестве целевой добавки для текучести - баритовый концентрат с размером частиц менее 125 мкм (10-30 %).
Недостатком данного изобретения является сложность состава функционального наполнителя, в котором каждый из компонентов отвечает за определенную характеристику порошка. Общая доля всех добавок может достигать 45 %, что существенно снижает содержание тушащего компонента в составе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом, взятым за прототип, является состав, описанный в «Способ получения огнетушащего порошкового состава» (Патент РФ № 2523468), с повышенной огнетушащей способностью и высокими показателями гидрофобности. В данном составе в качестве функциональной добавки используют диоксид кремния (БС-120), обработанный полиорганогидросилоксаном, при этом фосфаты аммония, диоксид кремния и гидрофобизирующая жидкость измельчаются совместно при массовом соотношении 90÷97, 2,5÷5, 0,5÷5 масс. %, а затем смешиваются с сульфатом аммония.
Недостатком данного способа является большой расход гидрофобизирующей жидкости (до 5 масс. %) для покрытия им основного компонента состава. Также высокое содержание сульфата аммония (до 50 %), вводимого с целью снижения влагопоглощения и повышения плотности порошка, сокращает количество тушащего компонента и тем самым снижает пожаротушащую способность состава.
Задачей настоящего изобретения является создание функционального наполнителя, который помимо высокой гидрофобности и свободного течения порошкового состава, обеспечивает его повышенную огнетушащую эффективность.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать диоксид кремния в виде мезопористых частиц МСМ-48 размером 100-400 нм (пр.1, табл.1), полученных темплатным гидротермальным синтезом, совместно с пирогенным диоксидом кремния марки Aerosil 380 со средним размером частиц 7 нм, обработанными гидрофобизирующим соединением полиорганогидросилоксаном в среде органического растворителя.
Создание функционального наполнителявключает проведение темплатного гидротермального синтеза мезопористых частиц, обработку частиц диоксида кремния в среде органического растворителя гидрофобизирующей жидкостью полиорганогидросилоксаном, с последующим выпариванием растворителя, сушкой и смешением компонентов.
2
Целью предлагаемого способа является повышение пожаротушащей эффективности порошковых составов на основе фосфатов аммония путем увеличения их площади удельной поверхности (более 100 м/г).
2
Технический результат достигается за счет высокой площади удельной поверхности (≈ 1000 м/г) мезопористых дисперсных частиц диоксида кремния, являющихся основным компонентом функционального наполнителя. Мезопористая структура частиц обеспечивает высокую удельную поверхность порошкового состава, в отличие от применяемого диоксида кремния марки БС-120. Степень поглощения тепла инертными частицами порошкового состава является функцией площади их поверхности, большая площадь поверхности частиц способствует большей скорости поглощения тепла. Введение в состав функционального наполнителя пирогенного диоксида кремния со средним размером частиц 7 нм марки Aerosil 380 дополнительно снижает взаимодействие между дисперсными компонентами путем увеличения объема межчастичной пористости порошкового состава. Модификация поверхности дисперсных компонентов в среде органического растворителя обеспечивает супергидрофобное состояние поверхности со значением краевого угла смачивая более 160° и способностью к водоотталкиванию более 600 мин.
Получение компонентов функционального наполнителя включает в себя следующие стадии:
1. Получение мезопористых дисперсных частиц диоксида кремния:
2
Синтез мезопористого диоксида кремния с биконтинуальной пористой структурой MCM-48 осуществляется методом темплатного гидротермального синтеза в щелочной среде при следующих мольных соотношениях реагентов: TEOS 1 : СТАВ 0,4 : NaOH 0,4 : HO 100, где в качестве прекурсора диоксида кремния используется тетраэтоксисилан (TEOS), в качестве структурообразующего агента - цетилтриметиламмония бромид (CTAB).
CTAB растворяется в щелочной среде при температуре 30-40°C при перемешивании на магнитной мешалке, затем по каплям добавляется TEOS, смесь постепенно нагревается до 50-80°C при перемешивании, затем образовавшийся гель помещается в автоклав и подвергается гидротермальной обработке при 120°С в течение 48-ми часов. Полученный осадок отфильтровывается, промывается дистиллированной водой до нейтрального значения рН, высушивается при температуре 80°С. Темплат удаляется прокаливанием образцов на воздухе при температуре 650°С в течение 5-ти часов, полученный порошок мезопористых частиц диоксида кремния МСМ-48 измельчается в дисковой мельнице.
2. Гидрофобизация компонентов:
Дисперсные компоненты предварительно высушиваются при 200°C в течение 2 часов для удаления сорбционной влаги. Процесс гидрофобизации проводится при кипячении частиц диоксида кремния и полиметилгидросилоксана, взятых в соотношении 80/20 масс. %, в среде гексана в колбе с обратным холодильником в течение 4 часов. Растворитель удаляется с помощью ротационного испарителя при температуре 90°C. Дисперсные компоненты высушиваются при 50°C в течение 10 минут, а затем подвергаются термической обработке при 200°C в течение 2 часов с целью закрепления полимерной пленки гидфрофобизатора на поверхности частиц диоксида кремния.
Предлагаемый состав функционального наполнителя для огнетушащего состава может быть проиллюстрирован следующими примерами изготовления.
Пример 1. Смешение компонентов функционального наполнителя - частиц диоксида кремния МСМ-48 и Aerosil 380 - производится в дисковой мельнице в течение 10 минут при соотношении компонентов 65/35 мас. %. Смешение фосфатов аммония и функционального наполнителяв соотношении 88/12 мас. %. в барабанном смесителе в течение 1 часа.
Пример 2. Смешение компонентов функционального наполнителя - частиц диоксида кремния МСМ-48 и Aerosil 380 - производится в дисковой мельнице в течение 10 минут при соотношении компонентов 75/25 мас. %. Смешение фосфатов аммония и функционального наполнителяв соотношении 87/13 мас. %. в барабанном смесителе в течение 1 часа.
Пример 3. Смешение компонентов функционального наполнителя - частиц диоксида кремния МСМ-48 и Aerosil 380 - производится в дисковой мельнице в течение 10 минут при соотношении компонентов 85/15 мас. %. Смешение фосфатов аммония и функционального наполнителяв соотношении 86/14 мас. %. в барабанном смесителе в течение 1 часа.
Для проведения испытаний функциональный наполнитель вводили в огнетушащий порошковый состав на основе фосфатов аммония, 60 % которого составляют частицы размером менее 50 мкм (средний диаметр 15 мкм) и 40 % частиц размером 50 - 315 мкм (средний диаметр 280 мкм).
Использование заявленного состава функционального наполнителя по сравнению с прототипом позволяет получать огнетушащие порошки с большей пожаротушащей и водоотталкивающей способностью, текучими свойствами, обеспечивающие свободное течение. 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 функциональный наполнитель по формуле изобретения, выше, в сравнении с составом, содержащим гидрофобизированную белую сажу БС-120 в качестве наполнителя. За счет супергидрофобных свойств дисперсных компонентов наполнителя способность к водоотталкиванию огнетушащего состава сохраняется не менее 600 мин., а краевой угол смачивания составляет более 160°. Удельная энергия течения составов с предлагаемым функциональным наполнителем меньше, чем у прототипа не менее чем на 15 %.
Сравнение огнетушащих составов проводилось с помощью порошкового реометра FT4 Powder Rheometer (Freeman Technology), ганиометра RameHartModel 500, анализатора ТГА/ДСК TGA/DSC 1 analyzer (MettlerToledo). Результаты экспериментов приведены в таблице 1.
Таблица 1 Свойства огнетушащих порошковых составов на основе фосфатов аммония с применением различных функциональных наполнителей.
Состав
Удельная энергия течения, мДж/г
Способность к водоотталкиванию, мин
Плотность неуплотненного/уплотненногопорошка, г/см<sup>3</sup>
Прототип
7,64
не менее 300
758/1064
Пример 1
6,25
не менее 600
714/1020
Пример 2
6,34
не менее 600
735/1042
Пример 3
6,48
не менее 600
746/1065