Результат интеллектуальной деятельности: Водный раствор для тушения пожаров

Изобретение относится к области пожаротушения, в частности к составам на основе воды, применяемым при тушении лесных пожаров и для защиты древесины, деревянных конструкций и материалов от возгорания.

Известен пенообразующий состав для тушения пожаров, содержащий нормальные вторичные или первичные алкилсульфаты натрия фракции С₆-C₁₆, мочевину (карбамид), полиэтиленгликоль с молекулярной массой 400-5000, хромат мочевины и воду (патент RU 2110307, МПК A62D 1/02, 10.05.1998).

Недостатками известного состава являются использование хромата мочевины из-за относительно высокой токсичности.

Известен огнегасящий состав (авт. свид. SU 1813464, МПК A62D 1/00, 07.05.1993), включающий жидкий галоидоуглеводород, растворитель, стабилизатор водной дисперсии и воду, отличающийся тем, что в качестве растворителя он содержит лапрол, а в качестве стабилизатора - катионное фторсодержащее поверхностно-активное вещество, относящееся по химической природе к четвертичным аммониевым солям.

Недостатком огнегасящего состава является использование фторсодержащего катионоактивного поверхностно-активного вещества в качестве стабилизатора дисперсии. Несмотря на то, что содержание стабилизатора относительно невелико, стоимость расхода огнегасящего состава иногда может сравняться со стоимостью горящего субстрата. Кроме того, фторсодержащие соединения токсичны.

Разработан состав (патент RU 2270712, МПК A62D 1/02, 16.11.2004), содержащий алкилсульфаты натрия первичных высших жирных спиртов фракции C₈-C₁₀, алкилсульфаты натрия первичных высших жирных спиртов фракции C₁₂-C₁₄, сульфоэтоксилаты натрия первичных высших жирных спиртов фракции C₁₂-C₁₄, первичные высшие жирные спирты фракции C₁₂-C₁₄, карбамид, н-бутиловый спирт, бутилцеллозольв, неонол, оксанол и воду. Данный состав обеспечивает высокие показатели огнетушащей способности, кратности и устойчивости пены для рабочих растворов с объемной долей 6%.

Однако, недостатком вышеописанного состава является то, что он может быть использован при концентрации рабочего раствора не ниже чем 3% (об.). Попытка снижения рабочей концентрации за счет увеличения концентрации ПАВ в составе приводит к увеличению вязкости, потере текучести.

Известен также состав (патент RU 2694924, МПК A62D 1/00, 18.07.2019), включающий стекло натриевое жидкое с силикатным модулем 2,3-3,6, едкий натр, мочевину, водорастворимый простой эфир с концевыми гидроксильными группами или водорастворимый многоатомный спирт, сульфонол, пенообразователь, вода, кислотный отвердитель (ортофосфорная кислота 75–85 %). Результат – получен состав, обладающий низкой вязкостью и высокой адгезией, с низким временем отверждения и стабильный при хранении.

Однако, главным недостатком данного состава является сложность приготовления огнетушащего состава. Едкий натр и ортофосфорная кислота, содержащие в составе, относятся к высокоопасным веществам, что затрудняет использование данного изобретения для тушения лесных пожаров.

Известен также (патент RU 2730074, МПК A62D 1/00, 17.08.2020) водный раствор для тушения пожаров, содержащий воду, жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество, при этом дополнительно содержит Preventol D2, а в качестве высокомолекулярного поверхностно-активного вещества ксантановую камедь, при следующем соотношении компонентов раствора, масс. %:

Однако, состав имеет невысокую пенообразующую способность и недостаточную биологическую устойчивость и агрегативную устойчивость вследствие содержания в его составе природного биополимера, что не позволяет достигать высокой эффективности при пожаротушении, превентивной защите поверхностей от возгорания, а также ограниченное время хранения. Кроме того, состав плохо смачивает горящие и обугленные поверхности и плохо проникает в поры древесины.

Наиболее близким по составу и достижению технического результата к предлагаемому изобретению является водный раствор для тушения пожаров (патент RU 2275951, МПК A62D 1/00, 10.05.2006) содержащий воду в количестве 50-95 мас. %, жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 в количестве 5-50 мас. %, дополнительно содержащий высокомолекулярное ПАВ на основе поливинилового спирта, толуола и воды в количестве 0,001-0,1 кг на один кубический метр воды в растворе. Известный состав обеспечивает снижение температуры в зоне горения, является термоустойчивым и обладает изолирующей способностью за счет испарения свободной воды. Присутствие ПАВ в данном составе раствора улучшает его диспергирование при набрызгивании и закреплении на поверхности горения и увеличивает смачиваемость раствором поверхности горения.

Основным недостатком данного состава является то, что при его использовании требуется большое количество воды (от 50 до 95 мас. %) для эффективного тушения пожаров.

Задачей настоящего изобретения является создание эффективного огнезащитного состава, обладающего легкостью в приготовлении, доступностью используемых веществ и щадящим действием на окружающую среду.

Техническим результатом изобретения является высокая огнезащитная способность раствора для тушения пожаров.

Поставленный технический результат достигается тем, что водный раствор для тушения пожаров, включающий воду, жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 и поверхностно-активное вещество, при этом дополнительно содержит загуститель - карбоксиметилцеллюлозу и антипирен - азофоску, а в качестве поверхностно-активного вещества раствор содержит смесь алкилполигликозида и альфа-олефинсульфоната натрия, взятых в массовом соотношении 1:1, при следующем содержании компонентов, мас. %:

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) (ТУ 2231-034-07507908-2001) является загустителем.

Жидкое стекло имеет значение силикатного модуля от 2,5 до 3,2 (ГОСТ 13078-81) выполняет роль пленочного изолирующего покрытия.

Азофоска (ТУ 2186-039-00203789-2003) играет роль замедлителя горения, вследствие содержания в своем составе фосфора, являющегося антипиреном. Кроме того, азотно-фосфорно-калийная добавка выполняет роль минерального удобрения, которое в растворенном виде быстро проникает к корням поврежденных растений и способствует быстрому восстановлению ландшафтного биоценоза после пожара.

Поверхностно-активное вещество (ПАВ) в виде смеси алкилполигликозида (APG) и альфа-олефинсульфоната натрия (AOS), взятых в массовом соотношении 1:1, используется для улучшения смачиваемости поверхности и лучшей пропитки за счет снижения поверхностного натяжения растворов, а также для пенообразования состава при тушении.

Вода обладает охлаждающим эффектом, поскольку при ее испарении поглощается много тепла.

Добавление КМЦ увеличивает вязкость водного раствора для тушения пожаров, уменьшают скорость растекания всвязи с образованием «вязкой воды». Такая вода образует пленку, прилипающую к горящему материалу и удерживающуюся дольше, чем обычная вода.

При термической деструкции используемые фосфорсодержащие антипирены превращаются в полифосфорную кислоту, которая в конденсированной фазе катализирует процессы дегидратации пиролизирующегося полимерного субстрата и приводит к его карбонизации.

При тушении пожаров сначала происходит испарение воды, которой разбавили жидкое стекло, затем испаряется вода из самого жидкого стекла. Жидкое стекло превращается в твердообразное состояние, так называемый ксерогель. Но он содержит еще молекулярную, химически связанную воду. При дальнейшем нагреве образуется пленка. При высоких температурах образуется слой неорганической негорючей пены большой толщины. Эта пена обладает очень низкой теплопроводностью и изолирует доступ кислорода к горючей поверхности. Объект прекращает дальнейшее горение и тление.

Снижение концентрации жидкого стекла ниже 10 мас. % приводит к ухудшению огнезащитной способности, отличие по тушащему эффекту от воды становится незначительным.

При уменьшении азофоски ˂15 мас % снижаются его свойства, как антипирена.

При одновременном увеличении жидкого стекла ˃40 мас. %. и азофоски ˃20 мас. %. ухудшается растворимость состава и образуется камнеподобный продукт с резким запахом аммиака.

При увеличении карбоксиметилцеллюлозы ˃1,5 мас. %. значительно увеличивается вязкость состава (что мешает эффективному использованию раствора), а использование данного компонента ˂ 1,25 мас. %. недостаточно эффективно.

Комбинация поверхностно-активных веществ в интервале 0,75-1 мас % характеризуется критической концентрацией мицеллообразования, следовательно, имеет наилучшие значения пенообразования и устойчивости пены. Выход за рамки данного интервала приводит к ухудшению поверхностных свойств составов.

Пример приготовления композиции

Для получения огнезащитного раствора навеску карбоксиметилцеллюлозы 1,5 г помещают в колбу с 47,5 г предварительно подогретой до 40…50 ^оС водой, перемешивают до полного растворения. После остывания раствора КМЦ при постоянном перемешивании добавляют следующие компоненты: жидкое стекло – 30 г, азофоска – 20 г и смесь ПАВ – 1 г (0,5г алкилполигликозида и 0,5г альфа-олефинсульфоната натрия).

Измерения вязкости составов были проведены с помощью капиллярного стеклянного вискозиметра марки ВПЖ-4 с диаметром капилляра d = 3,55 см по времени истечения жидкости из капилляра, которое определяли с помощью электронного секундомера с точностью ±0.01 с при температуре огнетушащих составов 20°C (ГОСТ 10028-81).

Испытания на огнезащитные свойства проводились: 1 – при лучевом воздействии (при помощи установки, состоящей из 4 ламп с галогенными трубками мощностью 500 Вт и светоотражателя); 2 – при воздействии газового потока (при помощи строительного фена, температура воздуха которого равна 600 ⁰С).

Подготовка к проведению испытаний и методика испытания соответствуют нормативным документам (ГОСТ 16363-98, ГОСТ Р 53292-2009).

Заранее высушенные в термошкафу при температуре 103 ⁰С до постоянной массы деревянные бруски промазывали со всех сторон исследуемыми составами в 2 слоя, через 20 минут после этого на расстоянии 1,5 см направляли на образцы строительный фен и установку с галогенными лампами. Измеряли температуру в трех точках: 1 - потемнение, 2 - появление искры, 3 - через 2 и 5 минут соответственно, далее измеряли глубину прогара для анализа визуальных повреждений.

Группа огнезащитной эффективности оценивалась по ГОСТ 16363-98 по потере массы испытанного образца:

,

где m_1i – масса образца до испытания, г; m_2i – масса образца после испытания, г; i – номер образца.

При потере массы не более 9% для огнезащитного состава устанавливается 1 группа огнезащитной эффективности, при потере массы образца от 9% до 25% - 2 группа огнезащитной эффективности, при потере массы более 25% считается, что данный состав не обеспечивает огнезащиту древесины и не является огнезащитным.

Рецептура водного раствора для тушения пожаров и результат испытаний представлен в таблице 1.

Таблица 1

Из таблицы 1 видно, что с увеличением содержания жидкого стекла в растворах вязкость падает. Это объясняется тем, что в состав жидкого стекла входит вода, следовательно, растворы с добавлением жидкого стекла являются более разбавленными.

Более вязкий раствор меньше дробится на мелкие капли, что, с одной стороны, уменьшает их потери, а с другой стороны, уменьшает стекание (увеличиваются силы адгезии между древесиной и жидкостью), за счет чего замедляется проникновение в поры древесины. Однако, сильновязкие растворы нежелательны при тушении пожаров, так как усложняется способ их применения на практике.

По достижению технического результата наилучшими являются составы № 2, № 3 и № 4, относящиеся к 1-ой группе огнезащитной эффективности.

Результаты дополнительных испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из опыта при лучевом воздействии по таблице 2 видно, что время появления дыма и потемнения больше в составах № 2, № 3 и № 4 и температура в очаге пожара ниже по сравнению с прототипом, что обуславливает эффективность данных составов для улучшения огнезащитных свойств древесины. Составы под № 2, № 3 и № 4 относятся к 1 группе огнезащитной эффективности, так как P < 9 (табл. 1), что также подтверждается временем начала потемнения деревянного бруска, составляющего более 50 с. Остальные составы (по прототипу и № 1) относятся ко 2 группе огнезащитной эффективности, так как 9< P < 25.

При использовании строительного фена выделились составы № 2, № 3 № 4, а также состав по прототипу, так как бруски не загорелись по истечению 2 минут. Состав № 1 не обладает достаточной огнезащитной эффективностью ввиду малых концентраций добавляемых компонентов. По рассчитанной эффективности, составы № 2 - № 4 и состав по прототипу относятся к 1 группе огнезащитной эффективности, так как P < 9. Только состав № 2 относятся ко 2 группе огнезащитной эффективности, так как 9 < P < 25.

Рекомендуемыми составами являются № 2, № 3 и № 4, так как имеют лучшие показатели по сравнению с прототипом и обладают наилучшей пожарной эффективностью.

Предложенное оптимальное соотношение компонентов согласно изобретению обеспечивает высокие показатели огнезащитной способности. Уменьшение в заявленном составе основных компонентов приводит к ухудшению показателей. Основным достоинством изобретения является легкость приготовления композиции, доступность используемых веществ и щадящее действие изобретения на окружающую среду.

Таким образом, водный раствор для тушения пожаров, включающий воду, жидкое стекло с модулем 2,5-3,2, загуститель – карбоксиметилцеллюлозу, антипирен – азофоску и поверхностно-активное вещество в виде смеси алкилполигликозида и альфа-олефинсульфоната натрия, взятых в массовом соотношении 1:1, при заявленном содержании компонентов, обладает высокой огнезащитной способностью.