水成膜泡沫灭火剂的发展与应用
摘要：本文简要回顾了水成膜泡沫灭火剂的发展历史，对水成膜泡沫的铺展以及灭火机理进行了阐述。介绍了水成膜泡沫的应用与研究现状，并讨论了水成膜泡沫在国内未来的发展趋势。
关键词：水成膜泡沫：灭火机理：氟碳表面活性剂
一、概述
水成膜泡沫(Aqueous Film FormingFoam，AFFF)灭火剂，又称为“轻水”泡沫灭火剂，是国外2O世纪6O年代发展起来的一种高效灭剂。水成膜泡沫溶液以氟碳表面活性剂为主要原料，同时又包括碳氢表面活性剂、稳泡剂、抗冻剂等助剂。凭借其较高的表面活性，在灭火过程中，AFFF可以沿可燃性液体表层向四周扩散，并由泡沫析出的液体形成一层水膜，使泡沫和可燃性液体之间分隔。该水膜不仅能隔绝燃料表面与氧气接触，还能对燃料表面进行冷却降温：同时，泡沫中析出的水在高温下蒸发为水蒸气，稀释可燃性液体上方的氧气浓度。此三重因素协同作用，达到灭火效果。
二、发展历史
伴随着现代工业产业的飞速发展，一些较为发达的工业国家为了适应消防系统的需求，相继在60年代研发新型高效的灭火剂，水成膜泡沫灭火剂就是其中之一。在此之前。曾被广泛使用的蛋白质泡沫灭火剂.已不能满足扑灭较大规模可燃性液体泄鼯所引起火灾的需求。特别是不能达到快速控制火势以避免可燃性液体着火爆炸的要求。1964年，为应对飞行器事故引起的火灾，AFFF以及其所用装备由美国海军研究所和3M公司一起共同研制开发，并凭借其控火速度快，效果显著，贮存时间长等特点，在随后的十年之中，被大多数工业发达国家广泛应用。
水成膜泡沫灭火剂的核心组分是氟碳表面活性剂，AFFF的应用情况很大程度上都受到氟碳表面活性剂性能优劣和价格高低的直接影响。近几年，在更多的社会关注之下，一系列的环保问题和与日俱增的国际管理条例使得AFFF的应用受到限制。随着人们逐渐认识到全氟辛烷磺酸盐(PFOS)对环境的危害。很多国外工厂为减少制备过程中PFOS的排放，已经全面停止电解法生产氟碳表面活性剂。全球表面活性剂最大的生产商，美国3M公司也已经于2002年自愿在美国境内停止使用电解法生产该类产品，而电解法的核心技术也在3M公司停产后发表公开。
我国公安部天津消防研究所等单位也曾合作研制出类似产品。1979年公安部天津消防研究所和上海有机所共同研制出第一代水成膜泡沫灭火剂，并在青岛娄山消防器材厂投产。起初由于其原料来源紧缺、成本太高、腐蚀大及其它因素未能推广使用。此后公安部天津消防研究所等研制出改进产品，于1983年研制出第二代水成膜泡沫灭火剂，又于1995年研制出第三代多用途水成膜泡沫灭火剂，并在湖南衡阳消防器材厂和南京高灵集团投产。大规模的生产使国内的AFFF价格迅速降低，也使它得到了广泛的应用。
目前主要应用产品为：
(1)普通水成膜泡沫灭火剂
普通水成膜泡沫灭火剂，按与淡水或海水的体积混合比分为AFFF-3%型和AFFF-6%型。该灭火剂可以在各种低、中倍数泡沫产生设备中发泡，扑救油类火灾；可以与干粉灭火剂联用灭火，亦可采用“液下喷射的方式扑救大型油类贮藏火灾。是卓越的B类火灾的控制及灭火消防药剂。在灭A类火灾中，水成膜泡沫液也是优秀的湿润兼渗透剂。能迅速对木堆、纸张、橡胶及通常易燃物中的深层火焰起到灭火作用。
(2)抗溶性水成膜泡沫灭火剂
抗溶性水成膜泡沫灭火剂，同样按照与水体积混合后的混合比，分为3%AFFF/AR和6%AFFF/AR两种。保质期为2年，其中抗溶性成分有效期两年，两年后只可以作为水成膜灭火剂使用。抗溶性水成膜泡沫灭火剂广泛用于扑救各种类型B类火灾，灭火性能具有水成膜泡沫灭火剂的灭油类及石油产品物质火灾特点外，并具有抗溶性泡沫灭火剂的扑救酒精、油漆、醇、酯、醚、醛、酮、胺等极性溶剂和水溶性物质火灾特点。可以简化扑救未知名的或兼有油类和极性溶剂混杂的B类燃料火灾，故具有通用灭火性。广泛应用于大型化工企业、石化企业、化纤企业、溶剂厂、化工产品仓库及油田、油库、船舶、机库、汽车库等单位和燃料易泄漏的场所。
三、作用机理
水成膜泡沫灭火剂(AFFF)是指能在可燃性液体表面形成水膜的泡沫灭火剂，主要有成膜剂、发泡剂、匀泡剂、保水剂、助溶剂等组成，在水成膜泡沫灭火剂的基础配方中。加入不同量的氮基酸型氟碳表面活性剂，可以配制出不同的水成膜泡沫灭火剂，同时可以在实验室测定其灭火时间和抗烧时间。
3.1铺展机理
水成膜泡沫灭火剂的根本原理是基于很低浓度的氟碳表面活性剂水溶液在可燃性液体上的铺展。根据化学热力学分析。为使泡沫溶液能够在可燃性液体上铺展，必须满足铺展条件，即铺展系数大于零。一般的氟碳表面活性剂水溶液与油之间的界面张力，会由于氟碳链的疏油性而增高。若在这种情况下.水溶液的表面张力足够低，如低达15mN/m左右，则可抵消油/水的界面张力的影响，单独氟碳表面活性剂水溶液即可在油面上铺展。
因此，氟碳表面活性剂就成为了AFFF的关键成分。氟碳表面活性剂足普通表面活性剂分子碳氢链中的氧原子部分或全部用氟原于取代形成的一类特殊表匝活性剂，足日前所有表面活性剂中表面活性最，的一类。氟碳表面活性剂的氟碳链具有强烈的吸电子性。与相反离子类型的表面活性剂混合，不会像碳氢表面活性剂混合体系因电性中和而产生沉淀。在此体系中，阴阳离子之间的强烈电性吸引作用，大大促进了表面吸附和胶团的形成，增加了表面膜的黏度和机械强度，使泡沫受外力作用时不易破裂，泡沫内液体流失速度变慢，气体通透性降低，延长了泡沫的寿命，增加了泡沫的抗烧性。同时，由于碳氢表面活性剂在界面上定向吸附，即亲水基向水，亲油基向油，因此在氟碳表面活性剂中加入碳氢表面活性剂。可以有效地降低油/水的界面张力，从而可降低油水界面张力满足铺展条件。
氟碳表面活性剂和碳氢表面活性剂的添加使其拥有良好的灭火效果。通过氟碳表面活性剂的添加.可以降低灭火剂的表面张力，使其在烃类液体上铺展形成一种稳定的薄层水膜，漂浮在可燃性液体的表层(见图1)，从而起到防止火焰复燃的效果。密闭性强、铺展速度快的特点，也增强了AFFF在灭火扑救中的实际效用。
3.2灭火机理
水成膜泡沫灭火剂的灭火作用机理主要为以下三种，分别是水的冷却作用、泡沫隔绝空气的窒息作用、泡沫的遮断作用，具体如下：
3.2.1冷却作用
水成膜泡沫灭火剂所形成的泡沫结构可以作为一种“散热器”，施加在燃料表面的泡沫，主要由水组成(94%以上)，泡沫中会携带大量的水，泡沫液比水更能很好地附着在可燃物表面，特别是垂直表面。泡沫对可燃物表面产生润湿作用，吸收燃烧过程中产生的热量，再通过水的蒸发带走热量.
3.2.2窒息作用
由于水成膜泡沫液在油类表面流淌迅速，而泡沫的相对密度较小，可漂浮于可燃液体的表面，或黏附在可燃固体的表面，形成泡沫覆盖层，使燃烧物表面与空气隔离。
3.2.3遮断作用
水成膜泡沫液在油表面形成的水成膜能有效地覆盖在燃料表面，泡沫层可以遮挡火焰对燃烧物表面的热辐射，降低可燃液体的蒸发速度或固体的热分解速度，抑制燃料分子的挥发，使可燃气体难以进入燃烧区，对泡沫的破坏作用变弱，增强泡沫的封闭性能和抗复燃能力。
四、国外应用与研究现状
AFFF数十年来一直被应用于军事、航天以及工业生产中烃类燃料的灭火和扑救实验。根据泡沫剂与水分的浓缩混合比例不同，可以分为3%浓缩和6%浓缩两种类型，例如3%浓缩型AFFF就是3%的泡沫剂与97%的水混合而成的。在美国国防部，6%浓缩型被应用于大部分船类设施中，而3%浓缩型则被应用于陆地设施中。正如上文中提到的，人们逐渐认识到全氟辛烷磺酸盐(PFos)对环境的危害，所以目前AFFF的研究热点主要有以下几方面：
4.1寻求可代替难降解物质PFOS的新型氟碳表面活性剂
Hagenaar等人在其研究中提到，由杜邦公司生产的Forafac系列表面活性剂合乎联合国环境规划署(EPA)所制定的各方面的规范，之后进行的生物毒性实验也证明Forafac系列产品的水生生物毒性低于PFOS类产品，可以作为PF0S类的替代品。
4.2添加除了氟碳表面活性剂外的其他化学物质
这些化学物质的添加对灭火剂的性能也会产生一定影响，例如碳氢表面活性剂、抗溶剂(常用有机酸金属络合盐)、增稠剂、泡沫稳定剂等。Figueredo和Sabadinim研究发现聚环氧乙烷(PEO)是一种有效的减阻剂。向AFFF中加入少量的PEO后，泡沫液的粘度和表面张力均增加。PEO减阻剂的存在不仅能提高泡沫液的流动性.也改变了泡沫液的析液速率，增长泡沫的寿命。
4.3建立定性与定量相结合的评价标准
氟碳表面活性剂的种类繁多，但并不是所有种类都能用于水成膜泡沫灭火剂中.所以。需要建立一种定性与定量相结合的评价标准，并以此进行不同氟碳表面活性剂对不同水成膜泡沫灭火性能优劣的排序。可以进行铺展速度、铺展量、发泡倍数、泡沫液析液速度、泡沫稳定性五种参数的测量，对每一种水成膜泡沫灭火剂的灭火性能进行全面评价。也可以从氟碳表面活性剂和水成膜泡沫自身的物化性质出发，直接通过表面张力、界面张力、粘度等因素的测量，对氟碳表面活性剂进行大致的灭火性能分级。
五、国内研究现状与展望
无论是理论知识还是工业应用，我国的氟碳表面活性剂都非常薄弱。原因之一是氟碳表面活性剂原料来源紧缺、成本太高、腐蚀大。也有学者认为是含氟烷基与氟碳表面活性剂合成、氟碳表面活性剂性能及应用研究两个环节相互脱节，不同研究单位各自为战，缺乏合作.有些专门从事表面活性剂研究的单位，由于缺乏有机合成的专业力量，难以得到所需要的氟碳表面活性剂。而国内另一些单位，虽然具有氟碳化合物有机合成方面的专业力量，但对氟碳表面活性剂性能和应用方面的研究还需要很强的表面活性剂物理化学方面的专业背景和专业力量。所以必须从表面活性剂结构与性能的关系出发，设计合成具有特定性能的多种表面活性剂系列，深入研究它们的物理化学性质，再依据这些性质应用于具体工业配方。另一方面，若能充分认识这种弊端，此类问题即可避免。只要相关研究机构在各自独立优势的基础上，打破垄断，分工协作，强强联合，依然有很大的发展空间。
根据我国公安部天津消防科学研究所叶洪烈等人的研究表明，近年来，泡沫灭火剂的开发和应用在世界范围内均向成膜型泡沫方向发展，可以说是大势所趋。国内外众多厂家水成膜泡沫灭火剂产品纷纷打入中国市场。与此同时，随着我国消防意识的增强和消防技术整体水平的提高，蛋白、氟蛋白类泡沫灭火剂由于有效期通常只有两年而频频更换，特别是排放废旧泡沫液引起环保部门的关注和限制，迫使用户考虑采用贮存期较长的水成膜泡沫。
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本文主要内容来自于：刘大鹏，王煊军，夏本立，张光友，王力
(1.第二炮兵工程大学603室，陕西西安710025；2.总装后勤部防疫大队，北京100101)
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在21世纪，消防所面临的挑战日益严峻并且仍在不断发生变化。这不仅涉及灭火材料本身的性能，而且对灭火解决方案的环保性、社会认同性方面提出了更高的要求。预防性和防御性的消防任务特别复杂，并且解决方案需要考虑到各种细节。特别是在工业方面，只能通过丰富多样、成熟的产品，来实现灭火效率更高，成本更低廉的解决方案。从早期Richard.Sthamer博士创立公司，直至现在公司第5代管理人，我们的目标始终如一：提供高标准、高质量的产品，并且始终尽最大努力满足各类客户的不同需求。自公司于1886年成立于汉堡起，我们始终致力于研制优质的泡沫灭火剂。如今，Dr.Sthamer公司已经是主流的泡沫灭火剂制造商之一。作为一家中型、家族式企业，Dr.Sthamer具备充分的灵活性是商业成功并且使世界各地客户均满意的保证。
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