关键词:水成膜泡沫灭火剂;表面活性剂;氟碳表面活性剂;铺展

水成膜泡沫灭火剂(Aqueous Film Forming Foam,AFFF)是一类能够在烃类液体表面形成水膜的泡沫灭火剂。在目前用于扑灭油类火灾的灭火剂中,AFFF由于其水成膜及泡沫的双重灭火作用具有最佳灭火效果。而且由于AFFF中绝大部分的组分是水,在国际范围的“淘汰哈龙行动”中作为哈龙灭火剂的替代品,成为国际上重点发展的灭火剂。

AFFF的原理基于很低浓度的氟碳表面活性剂水溶液在油面上的铺展。氟碳表面活性剂是普通表面活性剂(碳氢表面活性剂)分子的碳氢链中的氢原子部分或全部被氟原子取代形成的一类特种表面活性剂，是目前所有表面活性剂中表面活性最高的一类,其最突出的性质之一是它能把水的表面张力降到很低,以致水溶液可在油面上铺展形成一层水膜,从而可封闭油面,达到灭火目的。

表征AFFF性能最好的方法是实际灭火试验。但一般单位受实验条件和经费的限制,不可能经常做灭火试验。在配方研制过程中,每一种添加剂的加入、浓度的改变等都会影响到灭火性能,但不可能每次都通过实际灭火试验来验证。此外,每一次灭火试验都将带来环境污染及安全等问题。为此,需寻找一套实验室表征灭火性能的参数。在前文中,我们讨论了AFFF国家标准GB17427中一些值得商榷之处,并提出了修改建议。本文根据AFFF的灭火原理,结合作者对GB17427的修改建议和作者对AFFF配方研究的结果,提出简单、可行的AFFF灭火性能的实验室评价方法。

一、影响AFFF灭火性能的主要因素

根据AFFF的灭火原理,AFFF的灭火作用主要依赖于泡沫水溶液在油面上铺展形成水膜,从而封闭油面,使油与空气隔绝。因此,泡沫水溶液在油面上的铺展性能和水膜对油面的密封性能即为决定灭火性能的两个关键因素。下面将就这两个因素展开讨论。

1.1铺展性能

AFFF的实质是泡沫水溶液在油面上的铺展,因此,能否铺展是灭火的先决条件。从化学热力学的角度,欲使泡沫溶液在油面上铺展,必须满足铺展条件,即铺展系数大于零:

S_a/b=γ_b-(γ_a+γ_a/b)>0               (1)

式中S_a/b为铺展系数。γ_a、γ_b、γ_a/b分别为泡沫水溶液的表面张力、燃料的表面张力和泡沫水溶液与燃料之间的界面张力。

AFFF泡沫水溶液在油面上的铺展除必须满足热力学条件(铺展系数大于零)外,还要满足动力学条件,即铺展速度。在作为水成膜泡沫灭火剂时,要求水溶液一接触到油面,即迅速铺展形成水膜,如此方可达到快速灭火的目的。因此,若单用铺展系数的测定表征铺展性能是不确切的,必须通过直接测定泡沫水溶液在油面上的铺展。一个基本判据是:能铺展则一定满足铺展条件,即铺展系数一定大于零。但铺展系数大于零并不一定能观察到明显的铺展(若铺展速度太慢)。

在泡沫水溶液能够在油面上迅速铺展的前提下,决定灭火速度的主要因素就是铺展量。氟碳表面活性剂水溶液能在油面上铺展,表面上看来似乎是水溶液变轻了,故而早期一直将其称为“轻水”,此类灭火剂相应的叫做“轻水泡沫灭火剂”。但实际上并非水变“轻”,而是由于表面张力和界面张力的综合作用在油水界面给水溶液一个力将水“托”了起来。但毕竟水的密度比油大,当水溶液铺展到一定量时,重力的作用将导致水溶液开始下沉。铺展量可定义为在烃油表面积一定时,泡沫水溶液在油面上能够铺展的最大体积,或单位面积油面上泡沫水溶液能够铺展的最大体积。对于不同的泡沫水溶液,其铺展量是不一样的。从实际灭火的角度,要求铺展量越大越好。

因此,衡量铺展性能主要有三个指标,即铺展能力、铺展速度和铺展量。铺展能力是指水溶液能否在油面上铺展,受热力学控制,是AFFF能否灭火的前提条件。铺展速度是一个动力学控制因素,决定AFFF的灭火速度。而铺展量则主要受热力学控制,它不仅影响灭火速度,而且决定抗烧性能。

1.2泡沫性能

由于重力作用,水溶液在油面上的铺展只能是很薄的一层。若单靠这层水膜很难把火扑灭。因此,需将“轻水”制成泡沫。由于泡沫的密度小于水,因而可在油面上形成厚的泡沫层。泡沫层与水膜共同封闭油面。

在油燃烧时,初期形成的水膜会迅速蒸发,需要从泡沫中不断析出水,形成新的水膜。这样又涉及到发泡倍数和泡沫的析液时间。

原则上,发泡倍数越高,形成的泡沫层越厚。但发泡倍数太高,泡沫含水量太少,不利于水膜的形成,而且由于油燃烧造成向上的气流作用,若泡沫太轻则容易被气流带走。因此AFFF属于低倍数泡沫灭火剂。

泡沫的析液时间也应适当,析液速度太快则析出的水不能完全形成水膜而沉于底部,降低灭火效率;析液速度太慢则不能及时补充水膜的蒸发,延长了灭火时间。

泡沫液的铺展速度和析液性能与泡沫液的粘度有关。单从铺展速度考虑,粘度应低一些,但粘度太低则泡沫析液速度太快。而粘度太高,不仅影响铺展速度,而且会使析液速度太慢而不能及时补充水膜的蒸发。因此应综合这两方面的因素选择泡沫液的粘度。

灭火后,欲防止复燃,要求泡沫具有很好的稳定性。泡沫的稳定性与泡沫液的表面张力、泡沫液的粘度等因素有关。

由上所述,表征泡沫性能的参数主要有四个:即发泡倍数、泡沫稳定性、泡沫液析液速度和泡沫液粘度。其中除泡沫稳定性外,其它三个参数均不能太高或太低。

1.3水膜对油面的密封性能

AFFF是利用水膜对油面的密封作用达到灭火目的。因此,水膜对油面的密封性能对灭火性能有很大的影响,而且密封性能决定了水成膜泡沫灭火剂的抗烧性能。抗烧性是水成膜泡沫灭火剂的一个非常重要的性能指标。

水膜对油面的密封性能与下面因素有关:

(1)水膜和泡沫的厚度(铺展量);

(2)水膜和泡沫的粘度;

(3)泡沫的析液速度;

(4)水膜的自修复能力;

(5)泡沫的稳定性。

1.4抗复燃(抗烧)性能

灭火后,欲防止复燃,要求泡沫具有良好的抗烧性能。抗烧性能首先取决于泡沫对油面的密封性能,因此凡是有利于密封性能的因素都有利于其抗烧性。其次,抗烧性能还取决于泡沫的稳定性。

二、AFFF灭火性能的主要判据

如上所述,AFFF能否灭火取决于水溶液能否在油面上铺展,而灭火速度则取决于铺展速度、铺展量、泡沫性能和水膜对油面的密封性能。AFFF抗烧性能取决于泡沫对油面的密封性能及泡沫的稳定性。其中泡沫性能包括发泡倍数、泡沫稳定性、泡沫液析液速度和泡沫液粘度;水膜对油面的密封性能则与铺展量、水膜和泡沫的粘度、泡沫的析液速度、水膜的自修复能力和泡沫的稳定性有关。

在上述参数中,有些参数是独立的,有些是重复的,而有些是可以合并的。因此,我们把上述参数归纳为以下几个:

(1)水溶液能否在油面上迅速铺展;

(2)铺展量;

(3)发泡倍数;

(4)泡沫液析液速度;

(5)泡沫稳定性

在这几个参数中,水溶液能否在油面上迅速铺展即将铺展能力(铺展系数)和铺展速度合并了,泡沫液析液速度和泡沫稳定性即包含了泡沫的粘度在内。因此通过测定上述5个参数,我们就可以比较全面的评价AFFF的灭火性能。

三、灭火性能的测定方法

3.1铺展性能的测定

实验室测定铺展的方法非常简单,以我们实验室测定铺展的实验为例:在直径为14.5cm的表面皿中盛放100mL橡胶工业用溶剂油或90#车用汽油(所用油应与国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心实际灭火测试一致),用注射器(针头直径已准确测定)将AFFF预混液(无泡沫)滴加到油表面,观察铺展情况。观察时应使视线与油面相平。记录以下3个参数。

1)铺展时间:从液滴与油表面接触至变成液膜的时间,用ts表示。以铺展时间小于0.5s作为迅速铺展的标准。

2)铺展量:在同一位置滴加水溶液(5s加1滴),出现第1滴水溶液下沉所加入的水溶液的体积,用Vs表示。

上面参数中,ts越小,Vs越大,铺展性能越好。

可以看出,铺展性能的测定非常简单,不需要特殊的仪器设备,而且容易操作。更重要的是,更接近于灭火剂的实际情况。

3.2泡沫性能的测定

测定泡沫性能常用的方法是Ross-Mile法。

可参考“GB/T7624-1994,表面活性剂发泡力的测定:改进的Ross-Mile法”和“GB/T13173.6-1991,洗涤剂发泡力的测定(Ross2Mile)法”。Ross泡沫仪有刻度,可以测定发泡倍数、泡沫稳定性和25%析液时间。而且利用Ross泡沫仪的夹层通水可控制温度。

若无Ross泡沫仪,也可粗略地用下面方法代替:取100mL刻度具塞试管(或量筒),直径约215厘米。加入一定体积(Vl)AFFF预混液,盖紧塞子,用力振摇,直到泡沫高度基本不再变化为止。

记录下面数据:

1)泡沫体积(Vp)。用下式计算发泡倍数(α):

α=Vp / Vl              (2)

例如:若预混液体积为10毫升,最大泡沫体积为70,则发泡倍数为7。

2)25%析液时间

将振摇后的试管静置,去掉塞子,记录析出25%液体的时间。例如,若加入的预混液体积为10mL,则25%析液时间为析出215mL液体的时间。

3)泡沫稳定性

将振摇后的试管静置,去掉塞子,记录泡沫消失一半和泡沫基本完全消失的时间。上述操作可在同一试管中一次完成。可同时用三个试管测定,取三次的平均值。

上述测定可通过与商品AFFF做比较试验,判断所测AFFF的灭火性能。据我们的经验,一般经上述测定,即可比较全面的评价AFFF的灭火性能。若需进一步验证,还可以用下面方法简单评价水膜对油面的密封性能。 

3.3水膜对油面的密封性能

我们实验室试验水膜对油面的密封性能的方法如下:在直径4cm的烧杯中盛放30mL橡胶工业用溶剂油或90#车用汽油,用注射器将0.1mL氟碳表面活性剂水溶液滴加到油表面,在离油面1cm高度处过明火,观察油是否被点燃。记录油能被点燃的时间tb。tb越大,水膜对油面的密封性能越好。

需要指出的是,由于表(界)面张力与温度有关,水膜对油面的密封性能与温度和相对湿度有关。因此铺展性能和密封性能的测定应在指定的温度和湿度范围进行。可用空调控制室温,用加湿机和除湿机控制室内相对湿度。

四、结论

本文根据我们的工作实践,提出了一套水成膜泡沫灭火剂灭火性能室内评价方法。该方法装置简单、方便易做,普通实验人员在一般实验室就可操作。从而避免了室外灭火试验所带来的环境污染及安全等问题。我们的研究结果表明,用本文方法评价通过的水成膜泡沫灭火剂,经国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心实际灭火测试,均可达到相应的灭火级别。

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本文主要内容来自于：肖进新1,3,高展2,王明皓2,崔荣华2 (11北京大学化学与分子工程学院,北京100871;

21北京市消防科学研究所,北京100035; 31北京氟乐邦表面活性剂技术研究所,北京100080)

中图分类号:TU99811文献标识码:A 文章编号:100421656(2008)0520569204

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