АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ (АОС) И СРЕДСТВО ОБЪЕМНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ
AEROSOL-FORMING COMPOSITION (AFC) AND TOTAL SATURATION AGENT

Изобретение относится к области объемного пожаротушения, в частности к средствам объемного пожаротушения, предназначенным для локализации и тушения пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидких (бензин и другие нефтепродукты, органические растворители и т.п.) и твердых материалов (древесина, изоляционные материалы, пластмассы и др.), а также электрооборудования (силовые и высоковольтные установки, бытовая и промышленная электроника и т.п.).
Известен состав для предотвращения и тушения пожаров в замкнутых объемах на основе окислительно-восстановительной системы твердых компонентов, включающий нитрат калия в качестве окислителя, идитол - в качестве горючего и инертную добавку - дициандиамид (SU 1764213 А1, 09.01.1995).
Для производства конечного устройства для тушения локальных очагов возгорания изготавливают аэрозольобразующие шашки. Предлагаемый состав измельчают прессуют в виде таблеток необходимой формы и размера из предварительно измельченных компонентов.
Однако такая конструкция устройства мини ГОА мало эффективна для предотвращения (флегментации) возгорания, вследствие срабатывания АОС только при образовавшемся пламени или высокой температуре, что приводит к оплавлению элементов, находящихся рядом с очагом возгорания, например в электрических устройствах, и/или отдельных электрических элементах электрического оборудования, что в свою очередь может привести к возгоранию этих соседних элементов, плохо сказываясь на безопасности в целом.
Наиболее близким по технической сущности заявленной системе является пиротехнический аэрозльобразующий огнетушащий композиционный материал, состоящий из окислителя, технологических добавок, объемно-структурированного фторопластом-4 горючесвязующего на основе термопластичного полимера, пластифицированного эфиром дикарбоновой кислоты (RU 2185865 С1, 27.07.2002).
Материал получают смешением суспензии поликонденсата формальдегида и фенола в органическом растворителе с дисперсией фторопласта-4 в эфире дикарбоновой кислоты. Полученную смесь смешивают с окислителем и технологической добавкой. Затем смесь подвергают термомеханическому воздействию при 70-90°C путем вальцевания при суммарной деформации 1000-3000. Готовое полотно помещают в формовочный пресс и получают изделия заданной геометрии.
2
3
Подавляющее большинство аэрозольобразующих составов (АОС) при эксплуатации обнаруживают 2 существенных недостатка: относительно высокую температуру продуктов сгорания, т.е. выделяемого огнетушащего аэрозоля (800-2000°C) при приемлемой огнетушащей эффективности, и близкое к предельно допустимому содержание токсичных газообразных продуктов сгорания, таких как монооксид углерода (CO), оксиды азота (NO, NO) и аммиак (NH). Высокая температура горения и продуктов сгорания АОС, с одной стороны, обусловлена использованием активных окислителей и одновременно поставщиков огнетушащих агентов - в основном это нитраты и перхлораты калия, натрия и др. С другой стороны, применением высокотеплотворных горючих из ряда углеводородных соединений (фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы и др.) и самого углерода. Горение таких АОС на воздухе сопровождается интенсивным свечением (пламенем) горячих газов и раскаленных частиц, которые оказывают значительное термическое воздействие на окружающую среду. Это исключает применение АОС в замкнутых и полузамкнутых объемах и помещениях, для которых собственно они и предназначены, т.к. огнетушащий эффект создается путем накопления аэрозоля до определенных огнетушащих концентраций (20-50 г/куб.м в пересчете на массу сгоревшего АОС).
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в создании системы пожаротушения аэрозольного типа, исключающей указанные выше недостатки.
2
Решению вышеперечисленных проблем посвящено достаточно много исследований и разработок. Известно о применении В АОС катализаторов и ингибиторов горения, позволяющих уменьшить содержание токсичных газов и снизить температуру продуктов сгорания (патент РФ 2091106). В качестве катализаторов горения авторы использовали оксиды, карбонаты и другие соединения железа, меди, никеля, кобальта, марганца, хрома или цинка и их смеси, а в качестве ингибиторов горения - неорганические или органические фосфоро- и азотсодержащие соединения, гидроксиды, карбонаты, бораты металлов или триоксид алюминия или их смеси. Оптимальное содержание катализаторов в АОС составляло 05-5,0 мас.%, т.к. содержание менее 0,5% неэффективно, а более 5% - каталитическое действие достигает насыщения. Содержание от 5 до 10 мас.% ингибитора существенно уменьшало протяженность пламени, а содержание от 15 до 20 мас.% практически переводило горение АОС в стадию беспламенной газификации. Содержание свыше 20 мас.% ингибитора ухудшало воспламеняемость АОС. Аэрозольобразующую основу АОС составляли нитрат калия, углерод и пластифицированные производные целлюлозы. Расчетные температуры горения АОС составляли 530-1230°C, показатель избытка окислителя - 0,6-0,8 от оптимального (требуемого для полного окисления), огнетушащая эффективность при горении на воздухе составляла 15-40 г/куб.м, содержание токсичных газов: CO - 0,01-0,02 объемн.%, NO и NO - 50-115 мг/куб.м. Следует заметить, что применение оксидов железа и меди в качестве катализаторов окислительно-восстановительных реакций при столь низких показателях избытка окислителя малоэффективно, а применение в качестве ингибиторов азотсодержащих соединений, в т.ч. солей аммония, разлагающихся с выделением аммиака, не способствует улучшению токсикологических
2
3
2
3
2
3
Известно о применении в АОС охладителя, катализатора окислительно-восстановительных процессов, дополнительного горючего и металлов: алюминия и/или магния (патент РФ 2193429). В качестве охладителя авторы использовали оксид, гидроксид алюминия, алюмосиликат или их смесь в количестве 1,5-6,0 мас.%, в качестве катализатора - оксиды железа и меди в количестве 0,05-5,0 мас.%, в качестве дополнительного горючего - азотсодержащие соединения в количестве 3-25 мас.%. Аэрозольобразующую основу составляли нитраты и/или перхлораты калия или натрия и идитол (феноло-формальдегидная смола). Содержание охладителя в пределах 1,5-60,0 мас.% придавало горению АОС малопламенный характер, а в пределах 15-130 мас.% - беспламенный. Огнетушащая эффективность АОС составляла 15-122 г/куб.м. При испытании АОС в генераторе, содержащем в качестве охладителя гранулы цеолита и обеспечивающем тушение всех модельных очагов горения, температура аэрозоля на выходе из генератора составила 338°C, при этом наблюдались искры и пламя. Содержание токсичных газов составило: CO - 0,15-0,17 об.%, NO и NO - более 300 мг/куб.м, NH - 550 мг/ куб.м. При испытании одного из образцов АОС в генераторе без цеолита также наблюдались искры и свечение аэрозоля, а содержание токсичных газов составило: CO - 0,25 об.%, NO и NO - 150 мг/куб.м, NH - 320 мг/ куб.м. При испытании того же образца АОС вне генератора на открытом воздухе содержание токсичных газов составило: CO - 0,05 об.%, NO и NO - 220 мг/куб.м, NH - 150 мг/ куб.м. Представленные авторами данные свидетельствуют о том, что при горении в генераторе АОС явно не хватает окислителя и он пересыщен соединениями азота.
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является создание АОС с приемлемой огнетушащей эффективностью и ГОА для предотвращения и тушения локальных возгораний, которые не содержали бы указанных недостатков.
Технический результат, достигаемый при реализации данной задачи, заключается в уменьшении веса и размеров генератора, исключении из конструкции жесткого корпуса, легкости обработки после использования, при высокой эффективности предотвращения и тушения возгораний, за счет изготовления безкорпусных ГОА с зарядом АОС, имеющего высокую огнетушащую эффективность, срабатывание при невысоких температурах, низкое содержание токсичных газов после срабатывания и значительно сниженной температурой продуктов сгорания, за счет введения в состав большого количества охладителя, который также является доокислителем токсичных газов при горении состава, что позволяет использовать такой АОС в качестве самостоятельного ГОА без корпуса и устанавливаемый в практически любом месте, что приводит к повышению безопасности в целом и расширению области применимости таких ГОА при простоте изготовления ГОА и его низкой стоимости.
Данные технические результаты достигаются тем, что АОС, содержащий нитраты и/или перхлораты калия или натрия и горючее-связующее идитол (феноло-формальдегидная смола), дициандиамид и доокислители токсичных газов, образующихся в процессе горения состава и одновременно выполняющих функции охлаждающих добавок, согласно изобретению дополнительно вводят термопластичный полимер от 20-50 масс% от всех компонентов для эластичности конечного состава. Входящие в АОС компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%: Идитол - 1,5-18,0; Дициандиамид (ДЦДА) - 3-25; Доокислители - 5-25; Нитрат калия - остальное.
2
3
В качестве доокислителей выбраны порошкообразные оксид железа (FeO) и/или оксид меди (CuO).
В предпочтительном варианте выполнения аэрозольобразующей композиции в качестве термопластичного полимера используют силикон или латекс.
В другом предпочтительном варианте выполнения аэрозольобразующей композиции ее изготавливают в виде эластичного листа необходимых размеров.
В другом варианте выполнения изобретения лист дополнительно армирован негорючим материалом, который может располагаться как между слоями листа, так и в теле листа. В этом случае в качестве негорючего материала используют металлическую сетку или ткань из базальтовых и/или кремнеземных волокон.
В следующем предпочтительном варианте лист на, по меньшей мере, одной поверхности имеет рисунок, образованный при вальцевании.
Кроме этого на поверхность листа, обращенную в сторону возгорания, может быть нанесен в виде тонкой пленки инициатор возгорания аэрозольобразующей композиции, воспламеняемый при температуре возгорания от 90-200°C.
В другом варианте выполнения системы инициатор возгорания выполнен в виде термошнура, который дополнительно содержит лист системы.
В качестве другого варианта выполнения изделия лист может дополнительно содержать электрозапуск аэрозольобразующей композиции.
2
3
В качестве доокислителей выбраны порошкообразные оксид железа (FeO) и/или оксид меди (CuO). Общеизвестно, что указанные соединения помимо каталитической активности в окислительно-восстановительных реакциях сами могут выполнять роль окислителя, восстанавливаясь до низших окислов или до металлов.
Основными «поставщиками» монооксида углерода при горении АОС являются т.н. реакции «генераторного» и «водяного газа»:
2
2C+O=2CO
2
2
C+HO=CO+H
А также реакции восстановления диоксида углерода:
2
CO+C=2CO
2
2
2
CO+H=CO+HO
Реакция восстановления CO углеродом при температурах до 400-450°C практически не протекает (сдвинута влево), но при температурах 800°C и выше степень превращения в CO достигает 90%. Поэтому необходимо снижать температуру продуктов сгорания АОС до значений 400-450°C. Реакция «водяного газа» является эндотермической, т.е. протекает с поглощением тепла, поэтому для ее торможения также необходимо снижать температуру продуктов сгорания.
Реакции восстановления оксида железа до металла хорошо известны из металлургии, в них участвуют такие продукты горения АОС, как углерод (C) и монооксид углерода:
2
3
2
FeO+CO=2FeO+CO
2
FeO+CO-Fe+CO
2
3
2
2FeO+3C=4Fe+3CO
Таким образом, оксид железа при температурах горения АОС является активным доокислителем токсичного монооксида углерода. Из неорганической химии также известна реакция превращения оксида железа в присутствии нитрата калия в сильнейший окислитель:
2
3
3
2
4
2
2
FeO+4KOH+3KNO=2KFeO+3KNO+2HO
Образующийся феррат калия по своей окисляющей способности превосходит даже широко известный перманганат калия. Из неорганической и аналитической химии также хорошо известна окисляющая способность оксида меди:
2
2CuO+C=CO+2Cu
2
CuO+H=H2O+Cu
3
2
2
3CuO+2NH=N+3Cu+3HO
Последняя реакция должна способствовать снижению содержания аммиака в продуктах сгорания АОС.
Благодаря высоким значениям плотности, теплопроводности и теплоемкости относительно других продуктов сгорания АОС, исходные оксиды железа и меди и восстановленные из них металлы остаются в зоне горения таблетки АОС в виде разогретых шлаков, тем самым снижая температуру уходящего аэрозоля.
Проведена серия опытов и испытаний образцов АОС с доокислителями, изготавливая различные средства объемного пожаротушения, предотвращающие и тушащие локальные возгорания.
Для испытаний изготавливали листы толщиной от долей миллиметров до нескольких сантиметров. Листы получали путем смешивания аэрозольобразующей композиции и термопластичного полимера с последующем вальцеванием образованной массы в ленту. Полученная система сама по себе уже является пожаротушащим средством.
В качестве аэрозольобразующей композиции может использоваться любой аэрозольтушащий состав.
В данном случае преимущество отдается аэрозольобразующей композиции, содержащей в мас.%: Идитол - 1,5-18,0; Дициандиамид (ДЦДА) - 3-25; Доокислители - 5-25; Нитрат калия - остальное.
Для упрочнения хрупкого, по своему составу мягкого аэрозольтушащего материала от разрушения при длительном хранении, а также от вибраций, от воздействия тепловых нагрузок предложенная система содержит термопластичный полимер при условии, что лист системы состоит на 50-80% из аэрозольобразующей композиции, а остальное - термопластичного полимера.
Количество аэрозольобразующей композиции зависит от объема и коэффициента герметичности защищаемого пространства и рассчитывается по обычной формуле для аэрозольных огнетушителей:
p
M=K×E×V;
M - масса АОН в кГ,
K - коэффициент герметичности (K замкнутого объема равен 1),
3
E - пожаротушащая эффективность АОН в кГ/м,
p
3
V - объем защищаемого пространства в м.
Термопластичный полимер, в качестве которого может использоваться кремнийорганические полимеры, такие как силикон, или синтетические полимеры - латексы, помимо прочностных характеристик придает системе дополнительную эластичность, что в свою очередь позволяет ее использовать в замкнутых объемах, например для огибания поверхностей с малыми радиусами закругления (для предотвращения пожара внутренних деталей транспортных средств), водоотталкивающие свойства.
Листы системы при необходимости можно армировать любыми достаточно прочными негорючими материалами: тканями, сетками, нитями и прочим. Причем армирующий негорючий материал может располагаться как в теле листа, так и на его поверхностях, образуя сэндвич.
Для повышения функциональности системы на поверхность листа/листов, обращенной в сторону очага возгорания, наносится тонкий слой (доли миллиметра) вещества - инициатора возгорания состава, который воспламеняется при температуре окружающей среды от 90 до 200 C°.
2
Площадь инициатор обычно составляет 1÷10 см, в зависимости от термочувствительности аэрозольобразующей композиции его масса примерно 0,1÷10 г.
Температура возгорания инициатора зависит от его химического состава и может легко варьироваться в нужных пределах. Инициатор может быть выполнен в виде тонкой пленки, прикрепляемой к листу в нужном температурном слое (чем выше высота установки, тем более низкотемпературным должен быть состав).
Система пожаротушения может обходится вообще без инициатора и работать за счет самовоспламенения аэрозольобразующей композиции, при температуре окружающей среды свыше 250C°.
Возможно применение обычных инициаторов (термошнура, электрозапуска), в этом случае система может использоваться как стандартная автоматическая система, а также возможно применение распространенных средств пожарной автоматики.
При добавлении в аэрозольобразующую композицию пигментов система может нести декоративную нагрузку за счет водоотталкивающих свойств и красивой поверхности. Поверхность листа может быть гладкой, рифленой, перфорированной, вельветообразной и вообще иметь любой рельеф (рельефный рисунок). Для дополнительных качеств внешняя поверхность листа может быть драпирована, покрашена, обработана любым другим способом, не ухудшающим технических характеристик аэрозольобразующей композиции.
Листы системы наклеиваются, пришиваются или прикрепляются любым известным способом к поверхности теплоизолирующего огнестойкого материала, например стекловойлока. Далее это изделие прикрепляется также любым известным способом к внутренней поверхности защищаемого пространства.
В ряде случаев, например в ограниченном пространстве, при защите оборудования в подземных выработках, в бункерах со стенами из негорючих материалов, при защите кабельных каналов и т.д., целесообразно отказаться от применения теплоизолирующего материала и прикреплять листы непосредственно к поверхности, в том числе и защищаемого оборудования, например двигателя, так как высокая эластичность позволяет описанному листу огибать любые поверхности.
Предлагаемая система пожаротушения может успешно применяться для защиты от пожара объектов, расположенных в герметичных или условно-герметичных пространствах.
Наиболее эффективно описанная система защищает от пожара моторные отсеки транспортных средств, одновременно выполняя роль тепло- и виброизолятора. Применение системы не требует изменений конструкторской документации защищаемых объектов, специальной квалификации персонала, технического обслуживания и не наносит вреда окружающей среде.
Срок годности предложенной системы от десяти и более лет.
Система прошла испытания с положительным результатом на автомобильном транспорте при тушении подкапотного пространства (моторного отсека и бензобака).