Исследование составов для тушения пожаров на основе водных растворов полиакриламида01.11.2023 10:01

Актуальность. В связи с увеличением роста природных пожаров необходимо создание новых более эффективных, экономичных, экологически чистых пожаротушащих составов.

Целью данной работы является создание новых составов для тушения пожаров на основе водных растворов полиакриламида, обладающих улучшенными антипиреновыми (огнезащитными) и огнетушащими свойствами.

В качестве компонентов для пожаротушащего состава использовались:

Полиакриламид (ТУ 2414–002–74301823–2007) — это полимер белого цвета без запаха (структурная формула представлена на рисунке 2.1.1; растворим в воде, формамиде, ледяной уксусной и молочной кислотах, глицерине; набухает в пропионовой кислоте, пропиленгликоле, диэтилсульфоксиде; нерастворим в метаноле, этаноле, ацетоне, гексане. Тстекл≈ 200 °С,  молярная масса достигает ≈1·106. Наличие в полимере карбоксильных групп (в результате омыления амидных) может оказать большое влияние на вязкость полиакриамида, так как изменение вязкости с разбавлением будет носить «полиэлектролитный характер».

Структурная формула полиакрилами

Силикат натрия (ГОСТ P 50418–92) — антипиренная добавка; порошок белого цвета, состоящий из бесцветных кристаллов орторомбической сингонии, без запаха. Активно поглощает из воздуха влагу и углекислоту. При комнатной температуре растворяется в воде, образуя кристаллогидраты с пятью, девятью или десятью молекулами воды (в зависимости от окружающих условий), концентрированные растворы образуют коллоид гидрозоля (SiO2 ∙ nH2O). В горячей воде и при сильном нагревании разлагается. Водный раствор имеет щелочную среду, т.к. гидролиз идет по аниону.

Суперфосфат (ТУ 2182–003–56937109–2002) — наиболее распространённое простое минеральное фосфорное удобрение. Фосфор в суперфосфате присутствует в основном в виде монокальцийфосфата и свободной фосфорной кислоты.

Аммофос (ГОСТ 18918–85) — это сложное концентрированное соединение, представленное в виде комплекса фосфорно-азотных подкормок, полученное путем нейтрализации ортофосфорной кислоты аммиаком. Состав аммофоса: в аммофос входят 2 фосфата:
моноаммонийфосфат (NH4H2PO4) и диаммонийфосфат
((NH4)2HPО4). При сочетании этих двух
элементов и образуется аммофос, формула которого представляется в таком виде:
NH4H2PO4 + (NH4)2HPO4.

Гидрокарбонат натрия (пищевая сода) представляет собой мелкозернистое порошкообразное вещество снежно-белого цвета — кислая натриевая соль угольной кислоты (ГОСТ 32802–2014).

Характеристика образца прототипа (в качестве образца прототипа использовался ранее изученный состав на основе 1% раствора карбоксилметилцеллюлозы.

Состав прототип схож по рецептуре с разрабатываемыми составами. Используются водорастворимые полимеры (прототип — крбоксиметилцеллюлоза; разрабатываемые составы — полиакриламид), фосфорсодержащая антипиренная добавка аммофос и гидрокарбонат натрия.

В отличие от состава прототипа, в разрабатываемый состав не входят поверхностно-активные вещества. В качестве дополнительной антипиренной добавки в разрабатываемые составы в различных соотношениях добавлялся силикат натрия. 

Методика изготовления исследуемых составов

1. для получения  раствора с концентрацией 10% готовим раствор (А): — навеску полиакриламида (ПАА) помещали в колбу (500…1000 мл) с водой, температурой до 40…50оС и перемешивали до полного растворения;

2. готовим раствор (Б) —  в небольшое количество воды в разных концентрациях и соотношениях при перемешивании   добавляем: суперфосфат, аммофос, силикат натрия  и соду;

3. в раствор (Б) постепенно с перемешиванием добавляли раствор (А) полученные растворы доводили водой до метки. Все рассчитывается до получения 100 массовых частей целевого продукта.

Для приготовления растворов используется питьевая вода. Её жёсткость не превышает 3,0 мг-экв/л (мягкая вода). При необходимости проведения испытаний в жёсткой воде необходимо руководствоваться рекомендациями ГОСТ Р 50588–2012.

Условия окружающей среды при постановке опытов: температура воздуха и воды 20±2 оС, давление 84–106,7 кПа, относительная влажность воздуха 60–70%.

Подробная рецептура водополимерного пожаротушащего состава на основе полиакриламида представлена в таблице 1.

Таблица 1

Определение вязкости рабочих растворов огнетушащих составов

 Вязкость водополимерного пожаротушащего состава является одной из важных характеристик его свойств. Она характеризует способность раствора к растеканию на горизонтальных и стеканию с вертикальных поверхностей. Кроме этого, более вязкие огнегасящие растворы меньше дробятся на мелкие капли, что важно при тушении пожаров. Благодаря высокой вязкости, водополимерные огнетушащие составы дольше удерживаются на горящей поверхности, образуя при этом пленку, тем самым препятствуют доступу кислорода и повторному возгоранию.

Таблица 2 — Результаты определения удельной и относительной вязкости исследуемых растворов (условных единиц вязкости)

На основании полученных экспериментальных данных исследования вязкости рабочих образцов на основе раствора полиакриламида можно сделать вывод о том, что образцы 1 и 2, содержащие антипиренные добавки (аммофос и суперфосфат), показали следующий результат: увеличение вязкости  до 1,5…2 раза соответственно по сравнению с водой и прототипом.

В образцах 4 и 5, содержащих в совокупности с фосфорсодержащей/ азот-фосфорсодержаще    й антипирнной добавкой и силикат натрия, относительная вязкость в 3,5 раза больше по сравнению с водой и в 3 раза больше по сравнению с прототипом.

На рисунке 1 и 2 наглядно представлена динамика изменения вязкости и времени истечения рабочих растворов, с.

Рисунок 1

Рисунок 2

Благодаря высокой вязкости, составы на основе полимеров могут покрывать и удерживаться
практически под любым углом к поверхности, на которые они наносятся, что
позволяет им тушить огонь, вытесняя кислород и охлаждая поверхности, предотвращать
распространение огня и дополнительно защищать поверхности от повторного
перегрева, от воспламенения посредством общей устойчивости к испарению, оттоку
и горению.

Определение растекаемости огнетушащих составов по горизонтальной гидрофобной и гидрофильной поверхности

 Составы на основе полимеров являются более вязкими, чем вода, и, сопротивляются испарению, стеканию и сжиганию при воздействии высоких температур (например, огня) за счет водопоглощающих, увеличивающих вязкость компонентов.

Дополнительное представление о возможности состава удерживаться на наклонной или горизонтальной поверхности  дает растекаемость.

Таблица 3 — Результаты растекаемости исследуемых растворов на гидрофобной (полипропиленовой) подложке

Таблица 4 — Результаты растекаемости исследуемых растворов на гидрофильной (деревянной) подложке

В ходе исследования выяснилось, что площадь растекания воды на гидрофобной поверхности увеличилась на 3,58 см², на гидрофильной  до 5,26 см². Площадь растекания состава-прототипа на гидрофобной и гидрофильной поверхности увеличилась на 2,01 см² и 2,52 см² соответственно. Площадь растекания образца 1 по гидрофобной подложке составила 1,99 см², по гидрофильной подложке — 2,32 см². Наименьшим результатом характеризуется образец 5 — площадь растекания по гидрофобной и гидрофильной поверхности составила 1,08 см² и 1,02 см² соответственно.

Рисунок 2 — Гистограмма изменения площади растекания составов в зависимости от рабочей поверхности с течением времени

Важным показателем эффективности огнетушащего состава является его способность сопротивляться горению. Составы, обладающие этим свойством, способны защищать поверхности от повторного возгорания.

Таблица 5 — Результаты исследования на сопротивление горению деревянных образцов

Согласно данным таблицы 5, при обработке деревянной поверхности рабочими составами  4 и 5, содержащих силикат натрия, фосфорсодержащие/азот-фосфорсодержащие антипиренные добавки — возгорание деревянных поверхностей от источника  воспламенения отсутствует, но при этом наблюдается обугливание (потемнение) деревянной поверхности.

Деревянный образец, обработанный составом 3, содержащим силикат натрия, обуглился (потемнел) на 10,13 секунде.

Деревянный образец, обработанный составами 1 и 2, содержащими фосфорсодержащие добавки, оказался менее стойким к обугливанию: время обугливания 8,12…8,56с соответственно.

Самые высокие результаты показали деревянные образцы, обработанные составами 4 и 5, содержащими в совокупности силикат натрия и фосфорсодержащий компонент — воспламенения не произошло; площадь обуглившийся поверхности 3,4…2,6 см соответственно.

Также по результатам испытаний вычисляют потерю массы образца по формуле

где m — потеря массы образца в ходе испытания, %; m1 — масса образца до испытаний; m2 — масса образца после проведения испытаний.

Таблица 6 — Результаты потери массы деревянных образцов после проведения испытаний на сопротивление горению

Исходя из данных таблицы 6, можно сделать вывод о том, что все исследуемые составы (в том числе и состав прототип) показали огнезащитные (огнезадерживающие) свойства, относящиеся к 1 и 2 группам огнезащитных средств — потеря массы до 25%.

Деревянные образцы, пропитанные составами 4 и 5, содержащими антипиренные фосфорсодержащую/азот-фосфорсодержащую добавки и силикат натрия, характеризуются, как трудносгораемая древесина (потеря массы 7,5 — 7% соответственно).

Оценка результатов исследования

Кроме описанных исследований, также проводилось измерение угла стекания образцов и проверка времени тушения (описание данных исследований пока опускаю в данной публикации). Общие результаты исследования представлены в таблице 7.

Таблица 7

Сравнивая свойства разработанных огнетушащих составов, можно сделать следующие выводы:

• установлено, что использование полиакриламида, в качестве основы для пожаротушащего состава, увеличивает его вязкость по сравнению с водой и образцом прототипом в 3,5 и 3 раза соответственно. Также увеличению относительной вязкости способствовало добавление в составы силиката натрия и фосфорсодержащих/азот-фосфорсодержащих добавок (относительная вязкость образцов с содержанием фосфорсодержащих/азот-фосфорсодержащих добавок и силиката натрия в 1,43 раза выше, чем у образцов, не содержащих данных добавок);

• установлено, что составы на основе полиакриламида обладают меньшей растекаемостью по сравнению с водой и составом прототипом, как по гидрофильной, так и по гидрофобной подложках. Составы, не содержащие силиката натрия и фосфорсодержащих/азот-фосфорсодержащих добавок, оказались более растекаемыми (~2 раза по сравнению с образцами, содержащими данные добавки);

• установлено, что наибольшим углом стекания как на гидрофильной, так и на гидрофобной поверхности, характеризуются составы, содержащие антипиренные (фосфорсодержащие/азот-фосфорсодержащие) добавки и силикат натрия (угол стекания с гидрофильной поверхности в 1,4 раза больше, чем у воды, и в 1,2 раза больше, чем у состава прототипа; угол стекания с гидрофобной поверхности в 2,75 и 1,26 раза больше, чем у воды и состава прототипа соответственно);

• установлено, что содержание фосфорсодержащих добавок (суперфосфат, аммофос) и силиката натрия в пожаротушащем составе способствует улучшению огнезадерживающих свойств древесины, обработанной разрабатываемыми составами. Площадь обгоревшей поверхности деревянных образцов, обработанных разрабатываемыми составами, сокращается до 23% по сравнению с деревянными образцами, обработанными водой и составом прототипом;

• установлено, что потеря массы деревянных образцов, обработанных разрабатываемыми составами, в результате воздействия пламени снижается в 4 раза по сравнению с деревянными образцами, обработанными водой, и в ~2 раза по сравнению с деревянными образцами, обработанными составом прототипом;

• установлено, что содержание в пожаротушащем составе антипиренных фосфорсодержащих добавок и силиката натрия способствует уменьшению времени тушения модельного очага возгорания (время тушения в 4 раза меньше, чем при тушении водой; время тушения в 2,5 раза меньше, чем при тушении составом прототипом).

Таким образом, при оценке эффективности принятых решений можно отметить, что использование полиакриламида в качестве основы пожаротушащего состава, добавление антипиренных добавок фосфорсодержащих/азот-фосфорсодержащих, силиката натрия в пожаротушащий состав способствует улучшению его свойств, учитываемых при пожаротушении.

© Habrahabr.ru