CN116850523A - 具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂及其制备方法，属于新能源安全领域。所述粉体灭火剂主要由灭火主剂、阻燃助剂和吸热发泡剂组成，粉体中的灭火主剂成分起到快速灭火的作用，吸热发泡剂起到对热失控电池的降温作用；在高温火场中，阻燃助剂与灭火主剂可以发生化学反应生成具有阻燃功能的磷酸盐或硼酸盐类材料，而吸热发泡剂在高温失水过程中可以产生大量气泡，从而使粉体灭火剂的高温产物形成多孔材料，进而具有隔热功能；且该灭火剂制备方法简单高效，能够有效抑制锂电池组（包）中锂电池热失控的蔓延，具有巨大的市场应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于新能源安全领域，涉及一种适用于电池火灾的降温型干粉灭火剂，具体为一种具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂。
背景技术
近年来，由锂电池导致的电动交通工具和储能电站火灾事故频发，高效的灭火技术是保障锂电池安全应用的关键手段之一，但是由于锂电池火灾的复杂性，其扑救难度较大，特别是锂电池极易复燃，容易导致二次着火，给火灾扑救带来巨大挑战。根据已有研究，对锂电池进行快速降温是抑制其复燃的有效方法。
现有常规灭火剂包括：水系灭火剂、惰性气体灭火剂、化学气体灭火剂和粉体灭火剂，其中，水系灭火剂降温效果好，但是容易导电继而引发锂电池的外短路产生二次灾害；惰性气体和化学气体灭火剂降温效果一般、成本较高并且化学气体灭火剂灭火时会产生大量有毒有害气体，不适合大规模灭火使用；粉体灭火剂灭火效果好、成本低、环境友好，但是基本不具备降温性能。所以现有常规灭火剂并不能满足锂电池火灾灭火需求。
专利申请号CN 202111393988.9公开了一种具有降温功能的复合灭火剂制备方法，该方法通过在传统干粉灭火剂中添加吸热材料可以大幅提升干粉灭火剂的降温性能，同时还能保持干粉灭火剂灭火效果好、成本低、环境友好等优点。但是该类灭火剂在疏水化制备工艺中需要使用高压反应釜，制备操作复杂不利于工业化生产，同时，该类灭火剂灭火后在电池表面覆盖效果差，不具备阻燃隔热功能，对极端条件下电池之间热失控蔓延的抑制效果差。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在的不足之处，提供一种可用于锂电池火的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂，所述粉体灭火剂主要由灭火主剂、阻燃助剂和吸热发泡剂组成；其中，
所述灭火主剂和阻燃助剂的质量比为40-80：20-60，所述灭火主剂与所述阻燃助剂的混合物和所述吸热发泡剂的质量比为10-70：30-90。
可选地，所述灭火主剂为磷酸一氢铵、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸三聚氰胺、聚磷酸铵、硼酸钠中的一种或多种组分的复合物。
可选地，所述阻燃助剂为氢氧化铝、氢氧化镁、水滑石、海泡石、氢氧化镧、氢氧化铈、氢氧化钇、氧化镧、氧化铈、氧化钇、碳化硼、氧化硼中的一种或多种组分的复合物。
可选地，所述吸热发泡剂为水合盐类物质，选自八水合氢氧化钡、三水合乙酸钠、六水合氯化镁、十二水合硫酸铝钾、十二水合磷酸三钠、七水合硫酸镁、六水合氯化钙、十二水合磷酸氢二钠、九水合偏硅酸钠、五水合偏硅酸钠、十水合硫酸钠、六水合氯化铁、十水合碳酸钠、十二水合硫酸铁钾、六水合溴化钙、八水合碘化镁、六水合碘化钙、七水合磷酸氢二钾、十水合硫酸铝钠中的一种或多种组分的复合物。
具体地，本发明技术的主要灭火原理如下：
当发生火灾时，粉体中的灭火主剂成分起到快速灭火的作用，吸热发泡剂起到对热失控电池的降温作用；同时，在高温火场中，阻燃助剂与灭火主剂可以发生化学反应生成具有阻燃功能的磷酸盐或硼酸盐类材料，而吸热发泡剂在高温失水过程中可以产生大量气泡，从而使粉体灭火剂的高温产物形成多孔材料，进而具有隔热功能；上述阻燃隔热功能可以有效抑制锂电池组（包）中锂电池热失控的蔓延。
本发明还请求上述具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂的制备方法，具体包括如下步骤：
先将灭火主剂和阻燃助剂按比例混合细化，再按比例加入细化后的吸热发泡剂，并对上述混合物粉末进行疏水化处理，以最终形成所述具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂。
需要说明的是，本发明在粉体灭火剂疏水化处理过程中，采用常温催化方法，与高压釜加热疏水化方法相比更简单高效。
可选地，所述灭火主剂、阻燃助剂和吸热发泡剂均采用球磨法和超音速气流粉碎法中的至少一种进行细化，以获得粒径小于等于60 mm的粉末。
可选地，所述疏水化处理方法具体操作如下：
室温条件下，将所述混合物粉末加入到正己烷溶剂中，在搅拌条件下加入氢化硅油和钛酸四乙酯，继续搅拌3-12小时，蒸发溶剂并真空干燥获得最终产品，即所述具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂。
进一步地，所述混合物粉末与正己烷溶剂的质量比为10-60：40-90，所述氢化硅油与混合物粉末的质量比为1-4：96-99，所述钛酸四乙酯与混合物粉末的质量比为0.1-1.2：98.8-99.9。
且，本发明还请求保护上述具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂在新能源安全领域中的应用。
具体地，所述粉体灭火剂可用于电池火的扑救，所述电池包括锂电池、锌锰电池、镍氢电池、燃料电池、锌空电池、镉镍电池。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的一种具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂及其制备方法与应用，具有如下优异效果：
（1）本发明制备的干粉灭火剂具有灭火、降温、阻燃、隔热等功能，解决了传统干粉灭火剂降温效果差、阻燃隔热能力弱的问题。
（2）本发明制备的干粉灭火剂巧妙采用吸热发泡剂的发泡作用以及灭火主剂与阻燃助剂高温反应生成的阻燃材料，最终形成多孔阻燃材料，兼具隔热功能。
（3）本发明干粉灭火剂的制备方法在粉体灭火剂疏水化处理过程中，采用常温催化方法，与高压釜加热疏水化方法相比更简单高效，有利于工业化生产。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明所请求保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂的制备方法。
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
首先，将50 g 磷酸二氢铵与50 g 氢氧化铝混合后采用球磨机进行粉碎细化，获得粒径D90 = 45 mm的粉末，再通过球磨法将60 g十二水合磷酸三钠进行粉碎细化，获得粒径D90 = 41 mm的粉末，然后，将上述两种粉末混合均匀后加入到180 g正己烷溶剂中进行连续搅拌，分别加入3.3 g 氢化硅油和1.62 g 钛酸四乙酯，继续搅拌10小时，蒸发溶剂后真空干燥获得最终产品。
性能验证：16个电池容量为3.5 Ah的18650锂电池按照4×4形式排列形成56 Ah锂离子电池组，对电池组第一排中间的两个锂电池进行加热使其发生热失控，然后释放100g该粉体灭火剂进行扑救，试验结果表明，6s内扑灭明火，热失控锂电池温度下降至103℃以下，降温效果明显，同时，热失控锂电池周围形成隔热阻燃层，电池组内其它锂电池保持完好未发生热失控，表明该灭火剂可以有效抑制锂电池热失控向其它锂电池进行传递。
实施例2
首先，将50 g 磷酸氢二钾与50 g 氢氧化镁混合后采用超音速气流粉碎法进行粉碎细化，获得粒径D90 = 33 mm的粉末，再通过超音速气流粉碎法将48 g十二水合硫酸铝钾进行粉碎细化，获得粒径D90 = 40 mm的粉末，然后，将上述两种粉末混合均匀后加入到180g正己烷溶剂中进行连续搅拌，分别加入3.2 g 氢化硅油和1.6 g 钛酸四乙酯，继续搅拌8小时，蒸发溶剂后真空干燥获得最终产品。
性能验证：16个电池容量为3.5 Ah的18650锂电池按照4×4形式排列形成56 Ah锂离子电池组，对电池组第一排中间的两个锂电池进行加热使其发生热失控，然后释放100g该粉体灭火剂进行扑救，试验结果表明，5s内扑灭明火，热失控锂电池温度下降至110℃以下，降温效果明显，同时，热失控锂电池周围形成隔热阻燃层，电池组内其它锂电池保持完好未发生热失控，表明该灭火剂可以有效抑制锂电池热失控向其它锂电池进行传递。
实施例3
首先，将60 g 磷酸二氢钠与40 g 氢氧化镧混合后采用球磨机进行粉碎细化，获得粒径D90 = 29 mm的粉末，再通过球磨法将60 g五水合偏硅酸钠进行粉碎细化，获得粒径D90 = 36 mm的粉末，然后，将上述两种粉末混合均匀后加入到200 g正己烷溶剂中进行连续搅拌，分别加入3.3 g 氢化硅油和1.62 g 钛酸四乙酯，继续搅拌5小时，蒸发溶剂后真空干燥获得最终产品。
性能验证：16个电池容量为3.5 Ah的18650锂电池按照4×4形式排列形成56 Ah锂离子电池组，对电池组第一排中间的两个锂电池进行加热使其发生热失控，然后释放100g该粉体灭火剂进行扑救，试验结果表明，8s内扑灭明火，热失控锂电池温度下降至90℃以下，降温效果明显，同时，热失控锂电池周围形成隔热阻燃层，电池组内其它锂电池保持完好未发生热失控，表明该灭火剂可以有效抑制锂电池热失控向其它锂电池进行传递。
实施例4
首先，将65 g 硼酸钠与35 g 氧化镧混合后采用球磨机进行粉碎细化，获得粒径D90 = 25 mm的粉末，再通过球磨法将50 g八水合氢氧化钡进行粉碎细化，获得粒径D90 =51 mm的粉末，然后，将上述两种粉末混合均匀后加入到190 g正己烷溶剂中进行连续搅拌，分别加入3.1 g 氢化硅油和1.66 g 钛酸四乙酯，继续搅拌6小时，蒸发溶剂后真空干燥获得最终产品。
性能验证：16个电池容量为3.5 Ah的18650锂电池按照4×4形式排列形成56 Ah锂离子电池组，对电池组第一排中间的两个锂电池进行加热使其发生热失控，然后释放100g该粉体灭火剂进行扑救，试验结果表明，6s内扑灭明火，热失控锂电池温度下降至100℃以下，降温效果明显，同时，热失控锂电池周围形成隔热阻燃层，电池组内其它锂电池保持完好未发生热失控，表明该灭火剂可以有效抑制锂电池热失控向其它锂电池进行传递。
性能对比实验：
采用商品化ABC干粉灭火剂进行相同条件的灭火实验，具体过程如下：
16个电池容量为3.5 Ah的18650锂电池按照4×4形式排列形成56 Ah 锂离子电池组，对电池组第一排中间的两个锂电池进行加热使其发生热失控，然后释放100 g商品化ABC干粉灭火剂进行扑救，试验结果表明，9s内扑灭明火，热失控锂电池温度下降至460℃，降温效果不明显，同时，热失控锂电池周围未形成隔热阻燃层，电池组内其它锂电池均发生热失控，表明该灭火剂不能抑制锂电池热失控向其它锂电池进行传递。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂，其特征在于，所述粉体灭火剂主要由灭火主剂、阻燃助剂和吸热发泡剂组成；其中，
所述灭火主剂和阻燃助剂的质量比为40-80：20-60，所述灭火主剂与所述阻燃助剂的混合物和所述吸热发泡剂的质量比为10-70：30-90。
2.根据权利要求1所述的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂，其特征在于，所述灭火主剂为磷酸一氢铵、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸三聚氰胺、聚磷酸铵、硼酸钠中的一种或多种组分的复合物。
3.根据权利要求1所述的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂，其特征在于，所述阻燃助剂为氢氧化铝、氢氧化镁、水滑石、海泡石、氢氧化镧、氢氧化铈、氢氧化钇、氧化镧、氧化铈、氧化钇、碳化硼、氧化硼中的一种或多种组分的复合物。
4.根据权利要求1所述的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂，其特征在于，所述吸热发泡剂为水合盐类物质，选自八水合氢氧化钡、三水合乙酸钠、六水合氯化镁、十二水合硫酸铝钾、十二水合磷酸三钠、七水合硫酸镁、六水合氯化钙、十二水合磷酸氢二钠、九水合偏硅酸钠、五水合偏硅酸钠、十水合硫酸钠、六水合氯化铁、十水合碳酸钠、十二水合硫酸铁钾、六水合溴化钙、八水合碘化镁、六水合碘化钙、七水合磷酸氢二钾、十水合硫酸铝钠中的一种或多种组分的复合物。
5.一种如权利要求1所述具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂的制备方法，其特征在于，先将灭火主剂和阻燃助剂按比例混合细化，再按比例加入细化后的吸热发泡剂，并对上述混合物粉末进行疏水化处理，以最终形成所述具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂。
6.根据权利要求5所述的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂的制备方法，其特征在于，所述灭火主剂、阻燃助剂和吸热发泡剂均采用球磨法和超音速气流粉碎法中的至少一种进行细化，以获得粒径≤60 mm的粉末。
7.根据权利要求5所述的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂的制备方法，其特征在于，所述疏水化处理方法具体操作如下：
室温条件下，将所述混合物粉末加入到正己烷溶剂中，在搅拌条件下加入氢化硅油和钛酸四乙酯，继续搅拌3-12小时，蒸发溶剂并真空干燥获得最终产品，即所述具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂。
8.根据权利要求7所述的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂的制备方法，其特征在于，所述混合物粉末与正己烷溶剂的质量比为10-60：40-90，所述氢化硅油与混合物粉末的质量比为1-4：96-99，所述钛酸四乙酯与混合物粉末的质量比为0.1-1.2：98.8-99.9。
9.一种如权利要求1所述的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂或如权利要求5所述方法制备的具有降温和阻燃隔热功能的粉体灭火剂在新能源安全领域中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述粉体灭火剂可用于电池火的扑救，所述电池包括锂电池、锌锰电池、镍氢电池、燃料电池、锌空电池、镉镍电池。
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