纳米粉末灭火剂的应用

纳米粉末灭火剂的应用

一、纳米材料与纳米粉末灭火剂

众所周知，纳米材料是指组成相或晶粒结构控制在100纳米以下的尺寸的材料，也可以说是平均粒径或结构尺寸在100纳米以下的材料。由于材料尺寸的微细，纳米材料表现出许多传统晶体和非晶体所不具有的特殊性质，如小尺寸效应、表面效应、量子化效应、宏观量子隧道效应等。其中，纳米材料所特有的表面效应，为发展纳米粉末灭火剂提供了依据。

纳米粉末灭火剂就是将传统干粉灭火剂的固体粉末再加以微细化，使粉末尺寸达到纳米级而得到的一种高效灭火剂。

二、传统干粉灭火剂

干粉灭火剂是一种干燥的、易于流动的微细固体粉末，由主要能够灭火的基料（90%以上）和各种添加剂（如防潮剂、流动促进剂、防结块剂等）组成。根据基料的不同，大体可分为以下三大类：①以碳酸盐为基料的，如钠盐干粉、钾盐干粉；②以磷酸盐为基料的，如磷铵干粉；③以氯化钠、氯化钾、氯化钡等为基料的干粉。

1．干粉灭火剂的灭火机理。在灭火过程中，干粉灭火剂既具有化学灭火剂的作用，同时又具有物理抑制剂的特点，其灭火机理简要介绍如下：

（1）化学抑制作用：燃烧过程是一连锁反应过程，OH和H自由基是维持燃烧连锁反应的关键自由基，它们具有很高的能量，非常活泼，而寿命却很短，一经生成，立即引发下一步反应，生成更多的自由基，使燃烧过程得以延续且不断扩大。干粉灭火剂的灭火组分是燃烧的非活性物质，当把干粉灭火剂加入到燃烧区与火焰混合后，干粉粉末M与火焰中的自由基接触时，自由基被瞬时吸附在粉末表面，并发生如下反应：

M（粉末）＋OH（自由基）→MOH

MOH＋H（自由基）→M＋H₂O

通过上述反应，借助粉末的作用，消耗了燃烧反应中的自由基OH和H。但大量的粉末以雾状形式喷向火焰时，火焰中的自由基被大量吸附和转化，使自由基数量急剧减少，致使燃烧的链反应中断，最终使火焰熄灭。

（2）隔离作用：喷出的固体粉末覆盖在燃烧物表面，构成阻碍燃烧的隔离层。特别当粉末覆盖达到一定厚度时，还可以起到防止复燃的作用。

（3）冷却与窒息作用：粉末在高温下会放出结晶水或发生分解，这些都属于吸热反应，而分解生成的不活泼气体又可稀释燃烧区域的氧气浓度，从而起到冷却与窒息作用。

2．干粉灭火剂现状。干粉灭火剂具有灭火效率高、速度快、干粉基料来源广泛、价格低廉、对人畜无毒或低毒、对环境影。向小、适应范围广等优点，在当今灭火剂领域占有相当重要的地位。但目前使用的干粉灭火剂粉末颗粒通常在10微米～75微米之间，这种粒子弥散性相对较差，比表面积也相对较低，因而定量的粉体所具有的总比表面积较小，单个粒子的质量较大，沉淀速度较快，且粒子受热分解的速率较慢，导致其捕获自由基或活性基团的能力有限，其灭火能力也就十分有限，进而限制了干粉灭火剂的使用范围。

显然，干粉灭火剂的粉体粒度直接影响其灭火效果。因此，制备能在燃烧空间均匀分散且具有强表面吸附活性的粉体是提高干粉灭火剂效果的一种有效途径，也是干粉灭火剂的一个必然发展方向，而纳米粉末灭火剂正满足了这一要求。

三、纳米粉末灭火剂的可行性及应用前景

1．纳米粒子的表面效应。众所周知，纳米颗粒由于其尺寸的微细化而具有表面效应。表面效应就是指纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳米颗粒尺寸的减小而大幅度增加。假设纳米微粒为球形，其分子间距为0．3纳米，表面电子仅占一层。

由表可见，对直径大于100纳米的颗粒，表面效应可忽略不计。当直径小于10纳米时，一方面其表面原子数激增，而纳米微粒的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性质，因而极易与其他原子结合而趋于稳定，所以具有很高的化学活性；另一方面，纳米微粒的比表面积和表面能也得以大大提高。

当把传统干粉灭火剂制成纳米粉末灭火剂，在灭火过程中，粉末与火焰接触面积就会大大增加，粉末对自由基的吸附能力和选择性能也将大大提高，从而大大提高了灭火效率。

2．纳米粉末灭火剂发展中存在的问题及其解决方法。虽然纳米粉末灭火剂性能优异，具有极好的应用前景，但在大规模生产与实际应用中还存在一些问题，限制了纳米粉末灭火剂的推广与应用。这些问题主要有：

（1）制备工艺复杂：传统物理粉碎技术制得的粉末粒径尺寸最小可达微米级，但对于纳米颗粒，它就无能为力了。而其他一些纳米材料制备方法，如物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶——凝胶法等，制备工艺过程过于复杂，难以实现大规模生产。但经广大科技工作者的不懈努力，其他制备纳米材料的方法又被发现了，其中气流粉碎和喷雾干燥技术的出现为实现纳米粉末生产的规模化提供了可能，也为纳米粉末灭火剂的发展提供了强有力的技术保障。

（2）纳米粒子的不稳定性：Be11oni曾指出，4个原子以上的银原子簇具有抓取电子的能力从而长大为银颗粒，而4个银原子以下的团簇则具有给电子的性质，自身被氧化为更小团簇。这就是说，当颗粒变小，尤其是达到纳米量级时，颗粒已不再是一个惰性体，而是一个能供给电子和抓取电子的物体，是一个化学活性物质。由于纳米微粒结构上的特点，其表面很复杂，严重的表面原子缺乏，因此其化学活性很高；又由于纳米微粒巨大的表面能，使纳米微粒极易聚合，形成软团聚或硬团聚。纳米粉体的高的化学活性和表面能严重地影响了纳米粉末灭火剂在贮存、使用过程中的稳定性、分散性和流动性，因而也限制了纳米粉末灭火剂的发展。但这一问题可通过粉体表面改性处理而得到解决。纳米粉体表面改性就是针对纳米粒子的不稳定性实施的，通过对其表面进行物理或化学改性，可获得稳定、单分散且具有良好分散性的纳米粒子。

（3）生产成本高：目前，由于纳米粉体制备工艺较为特殊、复杂，制得的纳米颗粒还需进行表面改性处理，因此纳米粉末灭火剂的生产成本大大高于普通干粉灭火剂，这也是限制纳米粉末灭火剂发展的一个原因。

四、纳米粉末灭火剂的应用前景

哈龙灭火剂是一种性能极好的灭火剂，但它也是造成大气臭氧层严重破坏的罪魁祸首之一。早在1987年，43国签订《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》时首批就对哈龙灭火剂提出了控制时间表；1997年9月蒙特利尔缔约方会议又对淘汰哈龙灭火剂的时间进行了修改和调整。

目前，在世界范围内掀起了淘汰哈龙灭火剂的环保运动。我国在2005年全面淘汰了哈龙1211，2010年计划淘汰哈龙1301。因此，开发能够完全替代哈龙灭火剂的新型灭火剂，就成了国际消防科技领域最热门的研究课题之一，但纵观目前国内外的研究现状，短期内还很难找到一种能够为人们完全接受的哈龙替代品，而纳米粉末灭火剂以其优异的性能，在众多哈龙替代品中具有很强的竞争优势。