许志峰，张念慈，蔡志勇
（黑龙江省森林保护研究所，黑龙江 哈尔滨 150040）
摘要：通过对高分子聚合凝胶性能的测定，并与传统的泡沫灭火剂和水进行实验对比，结果表明，高分子聚合凝胶在灭火及防止复燃等方面比传统的清水和泡沫都有明显的优势，在此基础上推测了其阻火机理。
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关键词 ：高分子聚合凝胶；阻火机理；对比实验
中图分类号：X 954文献标识码：A 文章编号：1006-5091（2015）02-0025-02
收稿日期：2015-04-21
基金项目：黑龙江省财政厅自拟项目；948项目“高分子聚合凝胶阻火灭火技术引进”（2012-4-22）
第一作者简介：许志峰（1982-），女，黑龙江牡丹江人，助理研究员，在读博士，主要从事森林火灾的预防控制及化学防火灭火的研究。
高分子聚合凝胶是高吸水性树脂（Super Absorbent Polymer，SAP）吸水后形成的凝胶状态物质。因其可迅速吸收相当于自身质量几百倍甚至上千倍的水［1］，具有吸水容量大、吸水速率快、保水能力强及无毒无味等显著优点，而被认为是森林防火领域最具前景的阻火灭火材料。通过对高分子聚合凝胶性能的测定，并与传统的水、泡沫灭火剂进行灭火实验对比，得出量化结论，从而推测出其阻火机理。
1高分子聚合凝胶性能实验
1?1高分子聚合凝胶吸水倍率的测定
准确称取1 g高分子聚合凝胶的干性样品并放于烧杯中，加入质量为M1的蒸馏水，静置15 min后，使用100目的分样筛过滤，使高吸水性树脂在分样筛上静置一段时间，直至高吸水性树脂再无水滤出，然后称量滤出水的质量M2，由公式（1）计算吸水倍率。
吸水倍率Q=（M1-M2）/1×100%（1）
1?2高分子聚合凝胶吸水速率的测定
准确称取1 g高分子聚合凝胶的干性样品并放于烧杯中，加入一定质量的蒸馏水，静置15 min后，使用100目的分样筛过滤，然后按照吸水倍率的测定方法测定吸水倍率。以吸水倍率对吸水时间作图，可得到吸水树脂的吸水速率。
1?3灭火实验
1?3?1高分子聚合凝胶灭火剂的配置
配置出浓度为0?2%高分子聚合凝胶，方法如下：取干性高分子聚合凝胶与水按照质量比1∶500的比例混合，混合的同时快速搅拌使其充分吸水溶胀。使用时将溶胀好的高分子聚合凝胶加入灭火器。
1?3?2模拟燃烧木垛搭建
根据国标GB 4066?2-2004搭建3个相同的模拟燃烧木垛，木垛的搭建方法如下：将50根规格为12 mm×12 mm×210 mm、含水率为8%~12%的红松木条，以每层5根、共分成10层90°交叉搭在事先准备好的铁架上。木垛下方放置一个规格为250 mm×250 mm×60 mm金属托盘。
1?3?3灭火实验
在温度为20℃、风速为1 m/s的实验条件下，将3个金属托盘内倒入相同量的93号车用无铅汽油，同时引燃3个木垛，在点燃汽油的同时开始计时。当木垛燃烧3 min时同时用水、泡沫灭火剂和高分子聚合凝胶灭火剂分别对3个燃烧中的木垛进行灭火。
按照以下方式记录数据：
（1）每个木垛燃烧3 min时木垛中心的最高温度。
（2）分别用三种灭火方式使木垛中心温度降至300℃时所用的时间。
（3）分别用三种灭火方式扑灭木垛明火所用的时间。
（4）观察20 min后被扑灭的木垛是否有复燃现象。
2实验结果与讨论
2?1高分子聚合凝胶吸水倍率
按照1?1的实验方法重复实验5次，再根据公式（1）计算出每次的吸水倍率，取平均值后得到高分子聚合凝胶的吸水倍率为615 g/g。这一结果说明干性高分子聚合凝胶具有非常好的吸水倍率。
2?2高分子聚合凝胶吸水速率
按照1?2的实验方法重复实验5次，取平均值后得到吸水速率为78 g/min。这一结果说明聚合凝胶具有较快的吸水速率，应用到实际扑火工作时，干性高分子聚合凝胶与水混合仅需不到10 min的时间，就能充分吸水形成吸水凝胶。
2?3灭火实验
使用水、泡沫灭火剂和高分子聚合凝胶灭火剂进行灭火实验的数据见表1。
从表1可以看出，在木垛中心中心最高温度为745℃左右的条件下，三种灭火剂使木垛中心温度从745℃降到300℃需要的时间分别是181 s、115 s和58 s；三种灭火剂扑灭明火的时间分别是225 s、146 s和70 s；复燃情况是用水灭火后会出现复燃，而其他两种灭火剂灭火后均没有出现复燃。
由此可见，高分子聚合凝胶灭火剂与水和泡沫灭火剂相比，使火焰中心温度降低的速度及灭火的速度都明显要快，灭火效果好，这主要是因其具有特殊的结构性能。
3高分子聚合凝胶阻火机理
高分子聚合凝胶在结构上具有三维网状结构，能够吸收相当于自身几百倍甚至上千倍的水量并且能长时间保持所吸收的水分，即使是在高热和加压的情况下水分损失也很少。根据这些特性可以推测其阻火机理有以下几个方面。
（1）高分子聚合凝胶富含大量水分，将其喷洒在可燃物表面，当火源临近时水分蒸发消耗大量的热量，从而降低可燃物表面的温度。
（2）高分子聚合凝胶具有一定的凝胶强度，能够在可燃物表面形成一定厚度的凝胶层，在火源与可燃物之间形成绝氧层，使燃烧三要素中的氧气缺失，进而达到阻火的目的。
（3）高分子聚合凝胶具有黏性，不仅可以在平面发挥作用，即使是90°的垂直表面也可以附着。因而将其施用于森林火灾时，不仅可以阻隔地表火，而且对树冠火也有很好的阻火作用。
（4）高分子聚合凝胶富含的水分可在林下土壤中形成无数个微型“水库”，对不容易被发现的地下火也有很好的阻隔作用，可将森林火灾扑灭在萌芽状态。
4小结
对高分子聚合凝胶的性能测定表明，其具有极好的吸水性能和较快的吸水速率。通过与传统的泡沫灭火剂和水进行灭火实验对比表明，高分子聚合凝胶降低火焰中心温度及灭火速度等方面比传统的清水和泡沫灭火剂都有明显的优势，在此基础上推测了高分子聚合凝胶的阻火机理。
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参考文献：
［1］邹新禧.超强吸水剂［M］.北京：化学工业出版社，2002.