《Powder Technology》：Study on extinguishing wood crib fires using ammonium polyphosphate-modified dry water
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本研究通过高速分散法制备了APP改性干水灭火剂，优化了固液比1:10、分散速度6000rpm、时间90s等参数，显著提升了灭火效率（瞬时冷却率提高9.76%，平均冷却率提高61.43%）和阻燃效果（减少40%剧烈燃烧持续时间，延长30%阴燃时间），机理涉及隔离、吸热、链式反应中断及自由基捕获。
Jianshe Xu|Quan Wang|Yaoyong Yang|Dingyu Feng|Rui Li|Kaiyan Lu|Yingjian Cao
安徽科技学院化学与爆破工程学院，中国淮南232001
摘要
为了开发高效的森林灭火剂，本研究通过高速分散技术优化了核壳结构干水的制备工艺。引入了阻燃剂聚磷酸铵（APP）对干水进行改性。研究了所得材料的物理性质，包括堆积密度、流动性、粒径、保水能力和热稳定性。通过热电偶监测系统收集木材堆中心轴的温度数据，评估了其灭火效率和阻燃性能。结果表明，最佳的制备参数为：固液比（mSiO?:msol）为1:10，分散速度为6000 rpm，分散时间为90秒，可得到无团聚的均匀干水颗粒。与纯水基干水（Pure-DW）相比，聚磷酸铵改性的干水（APP-DW）具有更高的堆积密度、更小且更集中的粒径、更好的流动性、更强的保水能力，以及TG曲线上的多阶段质量损失特征。在木材堆表面温度方面，APP-DW的瞬时冷却速率提高了9.76%，10秒内的平均冷却速率提高了61.43%。此外，在故意重新点燃的情况下，改性干水使点火更加困难，燃烧强度降低了40%，闷烧时间延长了30%。这种性能的提升归因于APP-DW的隔离作用、吸热效果、链反应的中断以及对自由基的捕获。本研究为开发快速灭火和高效阻燃的森林灭火剂提供了理论基础。
引言
全球每年都会发生频繁的森林火灾。例如2020年持续数月的澳大利亚丛林大火，以及美国加利福尼亚西部的反复发生的野火，这些火灾造成了人员伤亡、建筑物破坏、土地荒芜以及动植物损失等严重后果[1]、[2]、[3]。这些灾害不仅对社会发展构成严重威胁，还对当地生态系统造成巨大破坏。因此，有效预防和扑灭森林火灾已成为重要的研究课题。
干水（DW）是一种由疏水性气相二氧化硅包裹液滴组成的粉末材料，含水量超过90%。它已被广泛研究用于气体储存[4]、[5]、灭火[6]、[7]、[8]和爆炸抑制[9]、[10]、[11]、[12]等领域。近年来，人们对其在灭火中的应用给予了极大关注。与传统灭火剂（如卤代烃、干粉、泡沫和水基系统[13]、[14]、[15]、[16]）不同，干水具有核壳结构，结合了干粉和水基灭火剂的优点。它具有环保、高效、不导电和低成本等优点，在各种类型的火灾中表现出优异的灭火性能[17]、[18]、[19]。关于干水的制备工艺，Forny等人[20]采用了高速分散和逐步水雾化混合方法。前者需要高速剪切和剧烈混合原料，而后者则涉及高压液雾化和快速混合；高速分散方法被认为更为简单可行。Han等人[21]通过加入吉兰胶和含氢甲基硅油制备了一种新型凝胶基干水，用于扑灭木材堆和油池火灾。与传统干粉和超细干粉的对比实验表明，干水的灭火效果优于传统干粉，与超细干粉相当。Wang等人[22]将氢氧化铝加入疏水性气相二氧化硅中，并使用离子液体作为液核，改善了固体壳层和内部液体的表面/界面性质，从而提高了干水的保水能力、流动性和灭火性能。He等人[23]通过添加硅胶溶液制备了HSESG干水。通过与氮气和纳米SiO2粉末灭火剂的比较，验证了干水的有效性，并观察了灭火前后的微观结构变化。他们发现干水壳层在受热时会发生断裂，形成空隙，有助于释放液核，从而促进灭火效果。Kong等人[24]使用不同的化学灭火成分制备了干水，证明添加剂改善了流动性、保水能力等物理性质。Wang等人[25]研究了释放压力对干水灭火性能的影响，发现0.6–0.7 MPa的压力范围可实现最大的灭火效果。
尽管现有研究通过修改液核和固体壳层改善了干水的物理性质[26]、[27]、[28]，并在评估其灭火性能方面取得了进展，但目前的研究主要集中在监测火焰温度参数[29]、[30]和评估外部灭火效果上。对于火源内部温度梯度的演变规律的研究仍不够充分。值得注意的是，火源的中心轴区域自由基浓度最高，放热反应最为剧烈。其温度场的动态演变特性不仅可以准确描述燃烧强度，还为灭火剂的精确使用提供关键数据支持。此外，实际森林火灾场景中的重新点燃现象尚未得到系统研究。特别是，对于初始灭火后阻燃效果的持续性和其背后的机制了解仍然有限。聚磷酸铵（APP）作为一种广泛用于阻燃材料的添加剂[31]、[32]、[33]，在燃烧过程中加入阻燃胶合板时会影响烟雾毒性，并显著提高聚乳酸（PLA）和聚丙烯（PP）等工业材料的阻燃性能。因此，将APP引入干水灭火剂中，并研究其在扑灭木材堆火灾过程中的粉末-包裹液核壳结构变化及其灭火和阻燃效果，对于研究森林火灾抑制和阻燃机制以及消防安全工程应用具有重要意义。
为了提高干水（DW）灭火剂对木材堆火灾的灭火效果，本研究通过高速分散技术优化了干水的制备参数。引入阻燃剂聚磷酸铵作为改性剂，成功制备了具有核壳结构的聚磷酸铵改性干水（APP-DW）。与纯水基干水（Pure-DW）相比，通过测试堆积密度、流动性、保水能力、粒径和热稳定性等性质对其性能进行了评估。进行了基于喷雾的灭火试验和对木材堆火灾的受控重新点燃实验。使用线性排列的热电偶监测木材堆中心轴的温度变化，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察灭火前后干水颗粒的微观结构，分析了颗粒结构的变化。研究了APP-DW的灭火和阻燃性能及其背后的机制。
材料与设备
材料：疏水性HB-139纳米SiO2（纯度≥99.0%）：该材料是通过用聚二甲基硅氧烷改性亲水性气相二氧化硅（HL-200，比表面积为200 m2/g）制备得到的，平均粒径为7–14 nm，由湖北汇孚纳米材料有限公司提供。聚磷酸铵（APP）（纯度≥99.0%）：聚合度（n）< 20，水溶性>90 g/100 mL，由上海麦克林生化科技有限公司提供。松木
干水灭火剂的制备
图3显示了不同固液比制备的干水样品。当固液比（mSiO?:msol）为1:6或1:8时，二氧化硅粉末过量，导致部分粉末未包覆，从而制备出质量较差、容易产生粉尘的干水。相反，当固液比为1:12或1:14时，液体过量，粉末量不足，无法完全包裹液体，导致未包覆的液体在分散器底部积聚。
结论
干水（DW）是一种高效且新型的灭火剂，其独特之处在于具有粉末-包裹液体的核壳结构。本研究建立了热电偶温度采集系统，用于监测木材堆中心轴的温度变化，以研究聚磷酸铵改性干水（APP-DW）的灭火效率和阻燃性能。主要结论如下：
(1)制备过程
作者贡献声明
Jianshe Xu：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析。Quan Wang：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Yaoyong Yang：研究、数据分析。Dingyu Feng：验证、数据管理。Rui Li：撰写——审稿与编辑。Kaiyan Lu：研究、数据管理。Yingjian Cao：验证、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了安徽省重大科技项目（项目编号：2024AH040070）和安徽省重点研发项目（项目编号：2023g07020002）的财政支持。
