论文总字数：25589字

摘 要

本研究首先选取疏水性二氧化硅和蒸馏水作为原材料，运用控制单一变量的方法，进行一系列实验探究核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的最佳配方设计，最终的结论是固液配比为1:8、搅拌速度为4000r/min以及搅拌时间为40s。然后，对核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的斥水性和流动性进行测试，实验现象表明斥水性良好，而测量的休止角为26.37°，对照标准可知其流动性良好，能够满足实验要求。最后，分别选择NH₄H₂PO₄和NaCl溶液与疏水性二氧化硅混合制备核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂，发现化学添加剂并不会破坏灭火剂的结构，进而探究最佳灭火剂的灭火效能以及NaCl和NH₄H₂PO₄两种不同的化学添加剂对灭火剂灭火效能的影响。利用实验室现有条件搭建了一个小型的灭火装置（1m×1m×1m），通过灭火时间、最小灭火剂用量以及抗复燃性表征灭火剂的灭火效能，结果表明混有化学添加剂的灭火剂在灭火时间和最小灭火剂用量方面都比普通灭火剂少，尤其是混有NH₄H₂PO₄的灭火剂更为明显。因此两种化学添加剂都能够改善核壳纳米二氧化硅灭火剂的灭火效能，相比之下，NH₄H₂PO₄的作用更加突出。

关键词：核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂 最佳配方设计 理化性能 化学添加剂 灭火效能

Core-shell nano-silica particle fire extinguishing agent formula design and fire extinguishing efficiency research

Abstract

This study first selected hydrophobic silica and distilled water as raw materials, and used a method of controlling a single variable to conduct a series of experiments to explore the optimal formulation design of the core-shell nano-silica particle fire extinguishing agent. The final conclusion is that the solid-liquid ratio is 1:8, stirring speed is 4000r/min and stirring time is 40s. Then, the water repellency and fluidity of the core-shell nano-silica fire extinguishing agent were tested. The experimental phenomenon showed that the water repellency was good, and the measured angle of repose was 26.37°. The control standard shows that the fluidity is good and can meet the experimental requirements. Finally, we choose NH₄H₂PO₄ and NaCl solution and hydrophobic silica to prepare core-shell nano-silica particles fire extinguishing agent. It is found that chemical additives will not destroy the structure of the fire extinguishing agent, and then explore the best fire extinguishing agent's fire extinguishing efficiency The effect of two different chemical additives of NH₄H₂PO₄ on the extinguishing efficiency of the extinguishing agent. A small fire extinguishing device (1m×1m×1m) was built using the existing conditions in the laboratory, and the fire extinguishing efficiency of the fire extinguishing agent was characterized by the fire extinguishing time, the minimum amount of fire extinguishing agent and the resistance to recombustion. The fire extinguishing time and the minimum amount of fire extinguishing agent are less than ordinary fire extinguishing agent, especially the fire extinguishing agent mixed with NH₄H₂PO₄ is more obvious. Therefore, both chemical additives can improve the fire extinguishing efficiency of the core-shell nano-silica fire extinguishing agent. In contrast, the role of NH₄H₂PO₄ is more prominent.

Keywords: Core-shell nano-silica particle fire extinguishing agent, Best formula design, Physical and chemical properties, Chemical additives , Fire extinguishing efficiency

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 研究的目的与意义 2

1.2.1 研究的目的 2

1.2.2 研究的意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4 课题主要研究内容 4

1.5 技术路线图 5

第二章 核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的制备和理化性能 6

2.1 核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的制备机理和方法 6

2.2 实验材料和仪器 7

2.2.1 实验材料 7

2.2.2 实验仪器 8

2.3 核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的粒径分布和最佳制备条件 11

2.3.1 核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂粒径分布的测定 11

2.3.2 固液配比的影响 11

2.3.3 搅拌时间的影响 13

2.3.4 搅拌速度的影响 14

2.4 核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的理化性能 16

2.4.1 斥水性 16

2.4.2 流动性 17

2.5 本章小结 19

第三章 核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的化学处理和灭火机理 20

3.1 化学添加剂的选择 20

3.2 混有NH4H2PO4的核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂 20

3.3 混有NaCl的核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂 22

3.4 混有添加剂的核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的灭火机理 23

3.4.1 混有NH4H2PO4的核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的灭火机理 23

3.4.2 添加NaCl的核壳纳米二氧化硅颗粒灭火剂的灭火机理 23

3.5 本章小结 24

第四章 化学添加剂对灭火效能的影响 25

4.1 实验装置的搭建 25

4.2 实验步骤 26

4.3 实验结果与分析 26

4.3.1 灭火实验图 26

4.3.2 化学添加剂对灭火时间的影响 27

4.3.3 化学添加剂对灭火剂最小用量的影响 28

4.3.4 化学添加剂对灭火剂抗复燃性的影响 28

4.4 本章小结 29

第五章 结论、不足与展望 30

5.1 结论 30

5.2 不足与展望 30

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 选题背景

自党的十一届三中全会召开以来，我国经济从快速发展阶段逐步进入到稳定持续发展阶段。在此期间，我们的衣食住行各方面条件都得到了极大的改善，其中建筑方面的变化尤为明显。无论是民用住房还是商业用房都呈现出集中分布的状态，并且为了尽可能地节约占地面积，新建楼房的楼层数多达几十层。凡事有利必有弊，这引发了一系列问题，比如人员过度集中，火灾隐患极剧增多且不易被发现，这给消防救援工作带来了前所未有的挑战。火灾是最常见的灾害之一，对于人类的生命和财产的摧毁能力是难以想象的^[1]。以2019年为例，全国发生火灾23.3万起，死亡1335人，受伤837人，直接财产损失36.12亿元。巨大的代价和血淋淋的教训足以让我们警醒，敲响重视火灾，重视消防安全的警钟。所以，目前看来，对于各个场所消防设施的完善迫在眉睫，尤其是对新型高效灭火剂的研究和开发。

人类最早用水来灭火，水资源丰富，并且易于获取和使用，不过水作为传统的灭火剂有一定的局限性，它只适用于部分火灾^[2]。随着时代的发展，火灾发生的原因多种多样，需要更多针对性强和灭火效能高的灭火剂被开发。20世纪60年代，哈龙灭火剂因其灭火及时有效，无残留物存在等优点在世界各国被广泛应用，并且被称为最高效的灭火剂。但后来研究发现，其所产生的氯原子和溴原子严重破坏大气臭氧层，危及人类的生存和发展，因此被明令禁止使用^[3]。中国积极响应国际号召，于1989年9月11日正式成为《保护臭氧层公约》的缔约者，这意味淘汰哈龙灭火剂的行动已经在国内开始。中国以实际行动向全世界表明，为了维护全人类的利益我们责无旁贷^[4]。此后从现实的需要出发，专家制备了泡沫灭火剂和二氧化碳灭火剂，用来扑灭计算机房火灾和实验室高度精密仪器的火灾。泡沫灭火剂是一种无污染、环保的灭火剂，在世界范围内被广泛适用，其在灭火时可燃物表面被泡沫覆盖，起到了阻隔空气的作用，有效阻碍燃烧的进行。与此同时，泡沫受热蒸发形成的水蒸气稀释了燃烧区氧气的浓度^[5]。二氧化碳灭火剂是一种典型的惰化气体灭火剂，通过稀释氧气、降温、窒息的物理抑制作用达到灭火的目的。但由于二氧化碳是一种温室气体，浓度达到一定高度会对人的健康产生威胁，所以二氧化碳灭火剂不适合在人员密集的场所使用^[6]。细水雾是相对于水喷雾的概念，它是指使用特殊喷嘴、通过高压喷水产生的水微粒。细水雾灭火剂具有灭火效果优良、绿色环保以及适用范围广的优点，但它也有不足之处，对水质的要求太高，而且相对于气体灭火剂，其灭火时间较长，不适用一些与水发生会强烈反应的物质，比如氢氧化钠^[7]。干粉灭火剂虽然灭火效率高，并且对环境无污染，但是它缺乏冷却作用，在扑灭火灾之后，容易引起复燃，产生二次危害。

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