摘要:测试了不同质量分数A类泡沫与水成膜泡沫的润湿性能和表面张力。结果显示,对于同一种泡沫来说,随着泡沫溶液质量分数增加,表面张力逐渐降低,润湿时间快速下降;在相同的测试质量分数下,6%AFFF溶液的表面张力远低于A类泡沫,但润湿性能明显不如A类泡沫。分析研究了泡沫灭火剂的润湿机理及影响泡沫润湿性的关键因素,认为泡沫溶液的润湿性主要取决于溶液与固体的固-液界面张力大小、固体的表面性能、溶液中润湿剂的结构、性质等。

关键词:灭火剂;A类泡沫;润湿性

A类泡沫灭火剂,简称A类泡沫,NFPA 1150将其定义为“用于A类可燃物火灾的泡沫灭火剂”。A类泡沫最早起源于北美,具有清洁、环保、润湿性能好、灭火速度快、节水等特征,并且价格低廉,最初主要用于扑救森林火灾。20世纪80年代,A类泡沫开始与压缩空气泡沫系统(Compressed air foam systems,简称CAFS)结合使用,用于城市建筑灭火和隔热保护。21世纪初我国开始引进该技术。近年来,A类泡沫和压缩空气泡沫系统在我国迅速发展,我国对压缩空气泡沫消防车的投入逐渐增加,并逐步国产化。据不完全统计,国内消防部队拥有压缩空气泡沫系统消防车500辆左右,目前大部分使用A类泡沫灭火剂。国内关于压缩空气泡沫技术的研究,特别是关于A类泡沫的基础性研究较少,严重影响压缩空气泡沫系统消防车的充分合理使用。

研究发现,A类泡沫灭火剂灭火的有效组分仍然是水,但是A类泡沫对水的灭火能力有“增效”作用,其中一个主要因素是A类泡沫的润湿或渗透性能更好,更容易渗透到A类可燃物的深层,能扑灭A类可燃物深位火,有效防止复燃。由此可知,A类泡沫的润湿性能是影响其灭火防护效能,尤其是影响扑救A类火效能的一个关键因素,因此需要对A类泡沫的润湿性能及其润湿机理展开深入的研究。笔者选择合适的润湿性测试方法,研究了影响A类泡沫润湿性能的主要因素及其影响规律,分析了A类泡沫的润湿机理,并建立了A类泡沫灭火剂的润湿性评价方法。

一、试验仪器及试验方法

1.1主要试验仪器和试验材料

试验仪器包括泡沫溶液润湿性测试装置和JYW-200自动表面张力仪。泡沫溶液润湿性测试装置包括1000mL矮型烧杯、浸没夹、秒表和冲头等。浸没夹由2mm的不锈钢丝制成。

主要试验材料为对照原棉布和4种泡沫浓缩液样品。其中对照原棉布为《橡胶工业用棉帆布》(GB/T2909-1994)规定的202号帆布,将其制作成直径30mm的原棉布片,然后将原棉布片放置于相对湿度65%、温度20℃的恒温恒湿器中24h。试验选取的四种泡沫浓缩液样品见表1。 

1.2试验方法

(1)润湿性的测定。试验参照《表面活性剂润湿力的测定浸没法》(GB11983-1989)的试验方法。将经恒温恒湿调理过的原棉布圆片(直径30mm)夹在浸没夹内,浸没于盛放800mL泡沫溶液的1000mL矮型烧杯中。

由于棉布中包藏空气,棉布圆片趋向于浮到液面,借助特制的浸没夹,使棉布圆片完全浸没于溶液中并保持垂直。

经过一段时间,空气被取代,溶液渗透进棉布后,棉布圆片开始下沉。用秒表测量棉布圆片从浸入泡沫溶液中到下沉的时间,即润湿时间。图1为操作示意图。

在相同的测试条件(溶液测试温度、相对湿度和棉布性质等)下,润湿时间越短,说明泡沫溶液的润湿性能越好,因此,可用润湿时间来评价泡沫溶液的润湿性能。

(2)溶液表面张力的测定。采用JYW-200自动表面张力仪,分度值为0.1mN/m。

二、试验结果与讨论

2.1表面张力与泡沫溶液质量分数的关系

表面张力是指使液体表面趋于表面积最小化的弹性力,它是衡量泡沫溶液性能的一个重要指标。试验测试了20±1℃下,4种泡沫溶液在不同质量分数下的表面张力,结果如图2所示。

由图2可知,4种泡沫样品降低水表面张力(20℃时为72.75mN/m)的作用均非常明显,4种泡沫溶液的表面张力随质量分数的变化趋势几乎一致,随着泡沫溶液质量分数的增加,表面张力迅速下降,到0.6%(4%)后逐渐变缓。这可能是泡沫溶液质量分数在1.0%(6%)时已接近临界胶束浓度,之后继续增加泡沫溶液质量分数,其表面张力的变化不大。

从图2中还可以看到,在相应的质量分数下,3种A类泡沫样品的表面张力差别不大,但明显高于6%AFFF的表明张力。

2.2泡沫溶液质量分数对润湿时间的影响

按照《表面活性剂润湿力的测定浸没法》(GB11983-1989)的试验方法,测试了四种泡沫样品的润湿时间。

其中,A类泡沫溶液质量分数为0.1%～1.0%,相对应的6%AFFF的质量分数为0.6%～6%,其结果见表2和图3所示。

由表2和图3可知,随着泡沫溶液质量分数的增大,润湿时间迅速下降,这表明随着泡沫溶液质量分数逐渐增加,泡沫溶液的润湿性和渗透性增强,溶液取代原棉布片中空气的能力逐渐变强,使泡沫溶液润湿原棉布片的速率加快,从而大大降低了润湿时间。

在相应的质量分数下,6%AFFF的润湿时间明显要比三种A类泡沫的润湿时间长。在泡沫溶液质量分数为1.0%(相应的6%AFFF质量分数为6%)时,6%AFFF的润湿时间约是A类泡沫润湿时间的2倍。这说明在相应的测试质量分数下,6%AFFF润湿或渗透到原棉布片的速率相对于A类泡沫较慢,其润湿性能比A类泡沫差。

结合图2泡沫溶液质量分数-表面张力关系曲线可知,对于同一种或者相同类型泡沫,随着泡沫溶液质量分数增加,表面张力逐渐降低,润湿时间快速下降,泡沫溶液的润湿性逐渐增强。但对于不同类型的泡沫,在相应的测试质量分数下,尽管6%AFFF溶液的表面张力远低于A类泡沫,但是其润湿性能却明显不如A类泡沫,这说明表面张力低的泡沫溶液润湿性能不一定就好,泡沫润湿性能还与其他因素有关。

另外,试验测定了纯净蒸馏水对原棉布片的润湿性能,结果表明其润湿时间很长,在10h以上。

2.3泡沫溶液润湿机理分析

2.3.1润湿基本原理

当液体与固体表面接触时,由于液体与固体表面性质及固-液界面性质的不同,液体对固体的润湿程度也不同,液体在固体的表面会呈现不同的状态,如图4所示。当达到平衡时,在固、液、气三相交界处,自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角为接触角,用θ表示。

根据杨氏方程,固-液界面张力γ_s-l、固_-气表面张力γ_s-g、液_-气表面张力γ_l-g之间的关系如式(1)所示:

γ_s-g=γ_s-l+γ_l-gcosθ       (1)

液体在固体表面润湿自动进行的条件,即润湿的判断方程如式(2)和(3):

W_i=γ_s-g-γ_s-l≥0           (2)

W_i=γ_l-gcosθ≥0           (3)

对于给定的固体表面(γ_s-g一定),固-液界面张力γs-l越小,液体越容易润湿固体。根据式(3),欲使固体表面被润湿,必须使θ<90°。当θ=0时,液体自动在固体表面铺展。

2.3.2泡沫溶液润湿机理探讨

Washburn提出,对于层流和稳态条件下的毛细管内的流体,液体进入毛细管的速率可用γ_l-gcosθ/η度量,即γ_l-gcosθ越大、η(液体的粘度)越小,液体进入毛细管的速率越快,液体的润湿和渗透能力越强。在实际情况中,物质的润湿,尤其是多孔物质的润湿,例如织物、木材等物质的润湿,要求液体能渗透到织物的纤维之间,这类均属于毛细管体系的润湿。因此,可用γ_l-gcosθ/η来衡量泡沫溶液对给定固体物质的润湿速率。根据杨氏方程(1)可得到:

γ_l-gcosθ/η=(γ_s-g-γ_s-l)/η     (4)

由式(4)可知,对于给定固体物质(γ_s-g一定),固-液界面张力γ_s-l越低、液体的粘度η越小,泡沫溶液润湿该固体的速率就越快。因此,固-液界面张力γs-l与液体粘度η是决定润湿速率的根本因素,但目前还无法通过试验直接测定固-液界面张力。虽然试验能测定溶液表面张力γl-g,但根据杨氏方程(1)可知,cosθ与(γ_s-g-γ_s-l)/γ_l-g相关,故不能依据液体表面张力γ_l-g的大小来判断γ_l-gcosθ的大小,即不能依据液体表面张力的大小判断溶液的润湿速率。因此,表面张力大的溶液,其润湿速率并不一定快,这就是为什么表面张力很高的水(20℃时水的表面张力为72.75mN/m)的润湿时间要在10h以上。同理,试验研究表明,在相应的测试质量分数下,6%AFFF溶液的表面张力远低于A类泡沫,但其润湿性能却不如A类泡沫,这说明表面张力小的溶液,其润湿速率也不一定就快。

一般来说,对于同一种或相同类型的泡沫溶液,随着泡沫溶液质量分数的增加,润湿剂在降低固-液界面张力、改善液体对固体的润湿性的同时,也会降低液体自身的表面张力。因此,液体表面张力的大小也能从一个侧面反映出其对固体润湿或渗透的快慢,只是液体对固体的润湿性能取决于溶液与固体的固-液界面张力大小,取决于固体的表面性能、溶液中润湿剂的结构和性质等。

根据上述分析与试验结果可知,对于不同种类和类型的泡沫溶液,γl-g并不能直接反映出其润湿性能的好坏,而该试验所选定的润湿时间既能直观反映出不同类型泡沫的润湿性能好坏,又能区分出同一种泡沫不同浓度之间润湿性能的微小差别。因此,可以根据测试润湿时间对泡沫溶液的润湿性能进行评价。

三、结论与建议

通过A类泡沫的润湿性研究,结果表明:

(1)实验表明纯水对棉花及棉制品润湿效果较差,这就是使用水扑救此类物质火灾极易发生复燃的原因;

(2)泡沫溶液润湿性根本上取决于溶液与固体的固-液界面张力大小,取决于固体的表面性能、溶液中润湿剂的结构和性质等,对于不同类型的泡沫,表面张力低并不一定润湿速率就快;

(3)润湿时间随着浓度变化而变化较大,故采用本研究的测试方法能区分出各种类型或浓度的泡沫溶液润湿性之间的微小差别。因此,该研究测试泡沫润湿时间的方法可用来评价不同泡沫溶液的润湿性能。

总之,在为压缩空气泡沫消防车配置A类泡沫时,要选择润湿时间短、25%析液时间长的A类泡沫。选择润湿时间短的A类泡沫扑救A类火灾时,泡沫溶液更容易浸入固体可燃物的内部,可以提高灭火效率,提高抗复燃能力。特别是在扑救棉花及棉布制品等物质的火灾时,选择较高混合比、较低的发泡倍数,使泡沫溶液更快地进入棉纤维内部,使泡沫更容易流动,从而提高灭火效率和抗复燃能力。

A类泡沫应用于压缩空气泡沫系统可对火场中被保护物体起到有效的隔热防护作用。选择高混合比、产生高发泡倍数的粘稠泡沫,析液时间越长,隔热防护作用越明显。使用A类泡沫灭A类火,可以提高灭火效能,大量减少水的流失,达到更快地灭火和抗复燃的作用。

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本文主要内容来自于：傅学成,陈涛,包志明,王荣基,胡英年,陆曦   (公安部天津消防研究所,天津300381)

中图分类号:X924.4,TQ569文献标志码:A     文章编号:1009-0029(2010)02-0131–04

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