文章连载：气溶胶灭火剂的性能（7）

第三节 热气溶胶灭火剂的灭火机理

一、燃烧机理

1．燃烧

可燃物与氧化剂作用而发生的放热反应，通常伴有火焰，发光或发烟的现象称为燃烧。

2．燃烧的必要条件

任何物质发生燃烧都必须具备以下三个条件：可燃物、氧化剂和温度（引火源）。

三者缺一不可，三者的关系可用燃烧三角形来表示。

以上仅能代表无焰燃烧，我们平时所指的绝大部分燃烧均指的是有焰燃烧，有焰燃烧必须具备四个必要条件：可燃物、氧化剂、温度和未受抑制的链式反应。

3．燃烧的充分条件

具备了燃烧的必要条件，并不意味着燃烧必然会发生，燃烧还必须具备以下四个充分条件：一定的可燃物浓度，一定的氧含量，一定的点火热量，未受抑制的链式反应。以上即为燃烧的充分必要条件，灭火剂的灭火机理即为去掉其中的一个或几个条件，使燃烧中断。

4．燃烧机理

下面我们以聚合物为例来阐述燃烧的机理和过程，有机物聚合物的燃烧大致分为以下五个不同的阶段。

（1）加热阶段：由外部热源产生的热量给予聚合物，使聚合物的温度升高，升温的速度取决于外界热源供给能量的多少，接触聚合物的体积大小，火焰温度的高低，同时也取决于聚合物的导热容和导热系数。

（2）降解阶段

聚合物被加热到一定温度后，聚合物分子中最弱的键断裂，即发生降解，这一阶段取决于该键的键能大小，不同共价键能的大小见表3-3。

表3-3 不同共价健的键能

键 键能k/mol 键 键能k/mol

O-O146.7 C-H 414.8

C-N 805.9 O-H 465.1

C-Cl 339.4 C-F 431.6-515.4

C-C 347.8 C=C 611.7

C-O 360.3 C=O 750.9

N-H 389.7 C=N 892.5

由表3-1可以看出，O-O键是最弱的键，极易断裂；C=N健是最强的键，不易断裂。

（3）分解阶段

当温度上升到一定程度时，除弱键断裂外，强健也开始断裂，即发生裂解，产生低分子化合物。一般包括（1）可燃体：H2、CH4、C2H6、CH2O、CH2COCH2、CO等；（2）不燃性气体：CO2、HCl、HBr等；（3）液态产物：聚合物部分解聚为液态产物；（4）固态产物：聚合物可部分焦化为焦碳，也可不完全燃烧产生危害很大的烟雾。

聚合物不同其分解产物的组成也不同，但大多数为可燃烃类，而且所产生的气体多是有毒或有腐蚀性的。

（4）点燃阶段

当分解阶段所产生的可燃性气体达到一定浓度，且温度也达到其燃点或闪点，并有足够的氧或氧化剂存在时，开始出现火焰，这就是点燃，燃烧从此开始。

（5）燃烧阶段

燃烧释放出的能量使活性游离基引起链式反应，不断提供可燃物质，使燃烧自动传播和扩散，火焰愈来愈大，其反应过程用方程表示如下：

RH→R·+H·

H·+O2→HO·+O·

R·+O2→R1CHO+OH·

OH·+RH→R·+H2O

二、热气溶胶的灭火机理

1．灭火机理

不同的灭火剂具有不同的灭火机理。通过将燃烧所必须的四个条件中的一个或几个消除，使燃烧的五个阶段中的一个或某几个阶段的速度被加以抑制，即截断某一阶段来源或中断链式反应，停止游离基的产生，从而达到灭火的目的。一般根据燃烧四要素我们将灭火剂的灭火机理分为四类：隔离、窒息、冷却和化学抑制。表3-4中列举了几种常见灭火剂的主要灭火机理。

2．热气溶胶的灭火机理

热气溶胶灭火剂发生剂通过电启动或热启动后，经过自身的氧化还原反应使反应产物经冷却形成凝集型呈溶胶状态的灭火气溶胶，即气溶胶灭火剂。该灭火剂中，按质量百分比，60%为气体，其成分主要是N2，少量的CO2及微量的CO、NOx、O2和碳氢化合物；占灭火剂40%的固体微粒主要是金属氧化物（MeO），碳酸盐（MeCO3）和碳酸氢盐（MeHCO3）及少量金属碳化物。一般认为由上述方法产生的固体微粒热气溶胶同干粉灭火剂一样是通过若干种机理协同发挥灭火作用的，但主要是冷却机理和化学抑制机理。

表3-4 常见灭火剂的灭火机理

灭火剂名称 灭火机理

CO2、IG541、N2 窒息

水 冷却

泡沫 隔离、冷却

FM200、1301、1201、三氟甲烷等卤代烷类 化学抑制

干粉、超细干粉制成的冷气溶胶 冷却、隔离、化学抑制

按气溶胶灭火剂发生剂的灭火效能（平均100g/m3），其产生的惰性气体量对空间中的氧气浓度几乎不发生影响，因此其产生的惰性气体起不了窒息灭火作用。真正起灭火作用的是气溶胶中少量高度分散而细小的固体微粒。

如：固体微粒在火场中热熔、气化、分解的吸热降温作用（冷却机理）；固体微粒对活性燃烧自由基的消耗性化学反应气相及固相化学抑制作用（化学抑制机理）。惰性气体使局部氧含量下降的作用（窒息机理）。试验表明：热气溶胶的灭火剂在相对封闭的空间释放后，空间中的氧含量降低很小（<0.5%），所以气溶胶灭火过程中起主要作用的应是其固体微粒。

下面将以K型热气溶胶灭火剂为例来讨论热气溶胶灭火剂的灭火机理：

1 吸热降温灭火机理

K型热气溶胶产物中的固体微主要为K2O、K2CO3和KHCO3，这三种物质在火焰上均会发生强烈的吸热反应。

K2O在温度大于350℃时就会分解，K2CO3的熔点为891℃，超过这个温度就会分解，KHCO3在100℃开始分解，200℃时完全分解，这些都是强烈的吸热反应，另外，K2O和C在高温下还可能进行如下吸热反应：

K2O+C→2K+CO

2K2O+C→4K+CO2

能谱分析结果表明有可能生成K2C2，上述反应都是强烈的吸热反应，并且这些固体微粒在火场中发生上述化学反应之前，还需要从火焰中吸收大量的热发生热熔和气化物理吸热过程以达到上述反应所需的温度进行反应。任何火灾在较短的时间内所释出的热量是有限的，如果在较短的时间内，气溶胶中的上述固体微粒能够吸收火焰的部分热量，那么火焰的温度就会降低，则辐射到可燃烧物燃烧面用于气化可燃物分子和将已经气化的可燃烧分子裂解成自由基的热量就会减少，燃烧反应的速度就会得到一定程度的抑制，这种作用在火灾初期尤为明显。

2 化学抑制灭火机理

①气相化学抑制作用

通过上述的一系列吸热反应以后，气溶胶固体微粒所分解出的K可以以蒸气或失去电子以阳离子的形式存在。它与燃烧中的活性基团H· 、O·和·OH的亲合力反应能力要比这些基团以及这些基团与其它可燃物分子或自由基之间的亲合反应能力大得多，故可在瞬间与这些基团发生多次链式反应：

K+·OH→KOH

K+O·→KO

KOH+·OH→KO+H2O

KOH+H·→K+H2O

如此反复大量消耗活性基团，并抑制活性基团之间的放热反应，从而将燃烧的链式反应中断，使燃烧得到抑制。

②固相化学抑制

在前面的章节中，我们已经介绍过气溶胶中的固体微粒是很微小的（10-9 m -10-6 m之间），具有很大的比表面积和表面能，属典型的热力学不稳定体系，它具有强烈地使自己表面能降低以期达到一种相对稳定状态的趋势。因此上它可以有选择性地吸附一些带电离子，使其表层的不饱合力场得到补偿而达到某种相对稳定状态。另外这些微粒虽小，但相对于自由基团和可燃物裂解产物的尺寸来说却要大得多，相比对活性自由基团和可燃物裂解产物具有相当大的吸附能力。这些微粒在火场中被加热以致发生气化和分解是需要一定时间的，而且也不可能完全被汽化或分解。当它们进入火场以后，当受到可燃物裂解产物和自由活性基团的撞碰冲击后，瞬间对这些产物和基团进行物理或化学吸附，并可在其表面与活性的基团发生化学作用。可能发生以下反应：

K2O+2·H→2KOH

KOH+·H→KO+H2O

KO+·H→KOH

K2CO3+2·H→2KHCO3

通过以上化学或物理作用达到消耗燃烧活性自由基团的目的，另外吸附了可燃物裂解产物而未被汽化分解的微粒，可使得可燃物裂解的低分子产物不再参与产生活性自由基的反应，这将减少的自由基产生的来源，从而抑制燃烧速度。

3．惰性气体窒息机理

热气溶胶灭火剂是一种自携氧可燃混合烟火剂，其配方设计一般为正氧平衡和零氧平衡，这使得其在反应释放气溶胶的过程中不需消耗空中的氧，所以它一般不会降低防护区的氧含量。那么其所释放的惰性气体是如何局部对燃烧区的氧含量进行降低呢？这应该是通过CO2来实现的，因为CO2比空气重（CO2的分子量为44，空气的平均分子量为29），所以当火源较低时，CO2气体通过重力可下降到燃烧区取代空气使这一区域氧含量局部降低，另外气溶胶中大量的碳酸盐和碳酸氢盐在火焰上进行分解的过程中也会产生惰性的CO2，反应如下：

K2CO3→K2O+CO2

2KHCO3→K2CO3+CO2

这会使得燃烧区的氧浓度降低，达到窒息灭火的目的。

总的来说，热气溶胶的灭火作用是以上两种机理协同发挥作用的结果，其中以固体微粒的吸热降温和化学抑制作用为主，惰性气体的窒息作用为辅。

S型热气溶胶的灭火机理与K型热气溶胶的灭火机理从原理上来说是一致的，只是起灭火作用的固体微粒成分性质不同，除了钾盐和氧化钾以外，主要还有锶盐和氧化锶在起作用。