文章连载：气溶胶灭火剂的性能（8）

第四节 气溶胶灭火剂的性能

一、成分

气溶胶灭火剂的成分关系是灭火剂的性质，其中固相产物的多少、性质及粒度大小，对灭火剂的灭火效能，对保护物有无损害性等有直接影响;而气相产物则关系到灭火剂的毒性和环保性能等，所以研究热气溶胶灭火剂的成分组成是研究气溶胶灭火剂各项性能的基础。鉴于目前国内外多种气溶胶灭火剂发生剂配方的不同，下面选择两个典型的气溶胶灭火剂发生剂配方K型和S型来进行研究，见表3-5。

表3-5 气溶胶发生剂成分

配方型号 KNO3 Sr（NO3）2 可燃剂 粘合剂 其它助剂

K型 50% 0% 46% 2% 20%

S型15%40% 40% 2% 3%

1．理论分析

对以上两个配方进行分析可知，无论是K型还是S型，由于可燃剂、粘合剂均是可以完全燃烧的物质，其产物只能是气体，由于组成可燃剂和粘合剂的元素只有C、H、、N四种，所以其气相产物只能为N2、CO2、CO、NH3、NOx等物质中的几种或全部。而固相成分只能由氧化剂和其它助剂的反应产物形成。由于其它助剂含量极少，其产物可忽略不计。则固相主要成分可由下面的反应生成：

上述反应产物中，K2O是极其活泼的，可以迅速与空气中水和二氧化碳进行反应。

所以就K型气溶胶而言，其固相主要成分应为：KOH、K2CO3、KHCO3，S型气溶胶的固相主要成分除以上两种物质外，还有SrO、Sr(OH)2和SrCO3。

依据氧化还原反应的配方计算原理，我们可大致计算出气溶胶灭火剂发生剂的各种产物的重范围，除去25%左右的残渣量即可得出热气溶胶灭火剂的气、固相比例。因以上计算比较复杂，在此不加论述，其计算结果为：灭火剂固相成分占发生剂质量的15-35%，灭火剂气相成分占发生剂质量的65%-40%，灭火剂中固相成分与气相成分的质量比例应在1：4~1：1.14之间。

2．试验测试结果

为了验证以上的分析结果，我们对以上两种配方的气固化比例进行了试验测试，结果如表3-7。

表3-7气固相比例

配方种类 K型 S型

气相：固相(w/w) 1.77:1 2.2:1

试验结果与理论分析相吻合。

3．固相成分分析

对以上两种配方的固相成分收集后的化学分析结果见表3-8。

表3-8 固相成分分析结果

成份配方KOH（%）KHCO3（%）K2CO3（%）SrO（%）SrCO3（%）Sr（OH）2（%）其它杂质

K型 0 11.2 83 5.8

S型 03.7 1.2 10.0 40.9 34.2 10.0

4．气相成分分析

对以上两种配方的气相成分用缚丽叶红外法的分析结果，见表3-8。

表3-8气相成分分析结果

成份配方N2(%)CO2(%)CO(%)NO(ppm )NO2(ppm )NH3(%)O2(%)其它成份(ppm )

K型 78.3 1.80.07 56ppm 330ppm 0 19.8 300ppm

S型 77.82.3 0.07 170ppm 300ppm 019.8 350ppm

二 粒度

1．灭火剂成分的粒径

气溶胶灭火剂属一种烟火型烟雾剂，其和军队及警用的烟雾弹的烟雾同属一个范畴，其特点在于：生成大量的细小固体颗粒烟雾能长时间悬浮于空气中。

气溶胶灭火剂中固体微粒的粒径是关系到气溶胶灭火剂能否高效灭火，能否避免粉尘危害达到气体灭火的效果等几个关键性能的重要因素。是除化学成分外另一项关键研究内容。

根据斯托克斯粒子沉降理论以及试验测试，能够长时间悬浮于空气中的固体微粒，其粒径一般应小于1μm之间（见图3-7），我们曾对S型气溶胶用“分散法”进行测试，结果见表3-12和图3-6。分别为气溶胶产物的粒度测试结果，从图中可以看出S型气溶胶的平均粒径为450nm（0.45μm）。K型与S型气溶胶在粒径方面基本一致，因此气溶胶的粒径应在0.1μm ~1μm 之间，属亚微米级粒子。

图3-5 常见的的几种烟雾粒子的电镜照片

表3-10 气溶胶的粒度分布百分比（μm）

百分比(%)粒径（μm） 百分比(%) 粒径（μm）

10.0% 0.14 80.0% 0.62

20.0%0.17 90.0% 0.94

50.0% 0.29

图3-6 气溶胶的粒度分布图

另外，我们还对碰并、凝并后所收集的气溶胶微粒的粒径进行过电镜测试照片，见图3-7。

图3-7气溶胶灭火剂固体微粒照片

2．气溶胶粒径对其特性的影响

（1）粒径与灭火效能的关系

粒径的大小对灭火效能有很大的影响，这个问题我们将在下文作详细的介绍，在此先就纳米技术在气溶胶的应用作些阐述。

从气溶胶灭火剂的灭火机理可知,其灭火主要依靠固体微粒吸热降温和化学抑制作用来灭火。除了微粒本身的化学性质外，这种灭火机理就要求气溶胶灭火剂中的固体微粒具有大的表面积和强的空间扩散能力。对于相同体积的物体，将其分割的越细，其表面积越大。所以，气溶胶中微粒粒径越小，所有粒子的表面积之和就越大，也就更有利于灭火。根据布朗粒子运动理论以及菲克扩散定律，微粒粒径越小，其布朗运动越强烈，扩散能力越大。因此，对于气溶胶灭火剂，灭火微粒粒径越小，灭火效能越高。

事实上，气溶胶中微粒的灭火机理是和化学干粉的灭火机理是相同的，而气溶胶灭火剂实际上是亚微米级的干粉灭火剂。图5是国外对（K4FeCCN）6·3H2O、K2CO3、K2C2O4·H2O、K2SO4、Na2CO3、Na2C2O4和NaCl七种常见干粉灭火剂的粒径与灭火效能的关系研究后得出的结果。从图中可以看出，随着粒径的减小灭火效能逐渐提高。但当粒径小到10μm～20μm之间时，灭火效能出现突越式提高，这是因为当粒子小到一定程度时，其表面积呈几何增加，并且粒子的布朗运动开始起主导作用。气溶胶灭火剂粒度属亚微米级，粒径已小到干粉灭火剂粒径的极限尺寸以下，所以除灭火效能是相当高以外，已具有了明显的气体特征：绕障碍能力强，不易沉降。

图3-8 干粉灭火剂的灭火效能与粒子尺寸的关系

目前有一些文献将气溶胶归为纳米灭火剂，虽然其微粒直径处于近纳米量级，但将其称为纳米技术是不确切的。纳米科技是指在纳米尺寸（1nm~100nm之间）范围内研究物质的特性和相互作用，是多学科交叉的科学和技术。当物质尺寸小到1nm~100nm（0.001μm ~0.1μm）时，由于其量子效应，物质的局域性及巨大的表面及界面效应，使物质的很多性质发生质变，呈现出许多即不同于宏观物体，也不同于孤立原子的奇异现象。如把铜逐步切取，当切到十几个纳米的时侯，它的性质完全不一样了，变成了一团没有金属光泽的黑糊糊的东西，如果再把它压制成一个纳米材料，它的强度比传统的铜高十几倍，而且可以像塑料高分子那样弯曲。同样用纳米材料做成的陶瓷即摔不碎，又特别耐高温，这样的材料称为纳米材料。而气溶胶粒度相对于纳米偏大（0.1μm ~1μm），纳米级与微米级气溶胶灭火剂相比，纳米级气溶胶应具有更优异的性能，其灭火效能应有质的飞跃，这时才能真正称其为纳米灭火剂。目前的热气溶胶灭火剂只能称为亚微米级灭火剂。

（2）粒度与能见度关系

在第三章第一节中，我们提到气溶胶的光学性质，从理论上讲解了消光机理是气溶胶的本性，所以无论那种类型的气溶胶，也无论其粒度的大小，气溶胶的消光性是无法改变的。粒度越小，粒子的表面积越大，粒径越接近可见光波长，这就使粒子对光的散射、吸收作用越大。这就在实际应用气溶胶灭火剂时，会发生能见度过低的现象，这在纯气体灭火剂中是不会发生的，相对于其它常见哈龙替代品，其能见度是最低的，大约在0.5m以内，因此，世界各国都有规定，气溶胶灭火产品不能用于人员密集的场所。

（3）粒度与洁净度的关系

气溶胶从严格意义上讲是非洁净气体灭火剂，因为气溶胶灭火剂释放后会在被保护物质表面形成一层固体残留物，这是因为气溶胶的固相粒子的沉降、扩散、碰并和凝并的综合作用引起的，但粒径越细，气溶胶微粒在空气中的悬浮时间就越长，扩散的作用就越强，溢出保护区的量就越多，残留物也就越少。

表3-11 空气中球形微粒气溶胶的沉降速度

气溶胶直径（μm） 沉降速度（cm/s）

0.1 0.000086

0.2 0.00023

0.5 0.0010

1.0 0.0035

2.00.013

5.0 0.078

10 0.31

20 1.2

50 7.6

表3-11数据表示气溶胶粒子的自然沉降在粒径小于0.5μm时是极其缓慢的。以粒径为0.5μm的粒子为例，它沉降1m的时间约为30h。但气溶胶粒子之间由于存在碰并和凝并过程，所以一部分微粒会沉降于被保护物表面。以S型气溶胶为例，其设计用量为100g/m3气溶胶发生剂，依据上节所测试结果，100g发生剂可生成22.5g固体微粒，也就是说，即使灭火剂中固体微粒全部沉降，其降尘量为22.5g/m2。这与陕西地区一个月的标准降尘量18g/m2相当。我们曾查阅依据陕西省1996年环境状况公报，在该公报中指出，1996年全省月自然降尘量为20.278 g/m2（该省的暂行标准为18.0吨/平方公里•月）。还有2002年3月22日，新华社曾在北京的沙尘暴报道中称该周三一天北京受到沙尘暴袭击时，每平方米的降尘量达29克，因此，气溶胶一次喷发后完全降尘量仅相当于陕西地区一个月的自然降尘量，是实际应用中完全可以接受的。而气溶胶灭火剂的实际沉降量在8g/m2以下，大量灭火剂微粒是随着烟雾排出室外，所以气溶胶灭火剂应该是相对洁净的一种灭火剂。

有文献曾假设气溶胶微粒全部沉降于防护区底部，因此对气溶胶的洁净度提出质凝，认为有沉降物就是缺陷，就会对保护物有所影响，因此提出气溶胶灭火剂不能用于保护精密设备场所，而事实证明气溶胶灭火剂是比较洁净的一种灭火剂。

虽然气溶胶灭火剂相对洁净，但由于有降尘，仍不能保护一些有超净要求的场所，如制药车间、蕊片加工场所、医疗间等。至于气溶胶能否用于保护精密仪器场所，主要取决于气溶胶沉降物的性质和仪器的要求。对于无超净要求的场所，只要气溶胶灭火剂中沉降的少量微粒的化学性质对设备及环境无害（如S型气溶胶灭火剂），均可采用气溶胶灭火。