抗醇泡沫灭火剂在水溶性有机溶剂表面铺展能力的实验研究

王　鹏

(中国人民武装警察部队学院科研部，河北 廊坊，065000)



抗醇泡沫灭火剂在水溶性有机溶剂表面铺展能力的实验研究

王鹏*

(中国人民武装警察部队学院科研部，河北 廊坊，065000)

摘要：为了研究抗醇泡沫灭火剂在水溶性有机溶剂表面的铺展能力，发明了一种新的实验方法，正交实验了9种配方。得到了粘度、发泡倍数和表面张力对铺展能力的影响数据，通过方差分析验证了数据的可靠性。研究发现抗醇泡沫灭火剂的粘度和发泡倍数可以影响其在醇类表面的铺展能力，但是表面张力对铺展无影响。对于泡沫的铺展存在一个最佳粘度和最差发泡倍数。扩散系数不能表征抗醇泡沫灭火剂在水溶性有机溶剂表面的铺展能力。

关键词：铺展；抗醇；泡沫；灭火剂

0引言

水成膜泡沫灭火剂(AFFF)是以碳氢表面活性剂和氟碳表面活性剂为基料的泡沫灭火剂，可在某些烃类表面上形成一层水膜[1]。抗醇水成膜泡沫灭火剂(AFFF/AR)是一种更高级的水成膜泡沫灭火剂，所产生的泡沫施放到醇类或其他极性溶剂表面时，可抵抗其对泡沫的破坏性，又称为抗溶泡沫灭火剂。泡沫的铺展能力通常可以由泡沫的扩散系数或者铺展量来表征，而这些都与泡沫的粘度、发泡倍数以及表面张力等有关，由于扩散系数的测量误差较大，而且界面张力难以测定，因而现在大多采用铺展量来表征。

扩散系数[1]是衡量一种液体在另一种液体表面上自由铺展的能力。其计算公式为S=Tc-Tf-Ti，式中：S——扩散系数(mN/m)；Tc——环己烷的表面张力(mN/m)；Tf——泡沫溶液的表面张力(mN/m)；Ti——泡沫溶液与环己烷之间的界面张力(mN/m)。从以上定义和公式可知，扩散系数S不能衡量两种互溶液体之间的铺展能力。因为，烷烃(例如正庚烷、环己烷、汽油、柴油等)不溶于水，在加入氟碳表面活性剂后，由于水的表面张力小于烷烃的表面张力，所以水可以在烷烃表面铺展。但是，极性有机溶剂(例如丙酮、乙醇等)与水混溶，即使在加入氟碳表面活性剂后，水也不能在极性有机溶剂表面铺展。

铺展量的实验方法不是国标，关于铺展量的实验方法详见张和廖[2]，肖等[3]的论文。这种铺展量实验测定方法存在以下问题：实验测定的是水在烷烃表面的铺展能力，不能测定泡沫在水溶性极性有机溶剂表面的铺展能力，且实验装置尺寸小，厘米量级。

基于以上问题，本文发明了一种新的实验方法，用于较精确地测定抗醇型水成膜泡沫灭火剂在水溶性极性有机溶剂表面的铺展能力。并研究了表面张力、发泡倍数和粘度对铺展能力的影响。

1实验

1.1　实验装置

抗醇型泡沫灭火剂在水溶性极性有机溶剂表面铺展问题的研究国内外未见报道。因为国内外没有一种可行的实验装置和方法。本文发明了一种新的装置专门用于研究以上问题。实验装置结构简单，制作加工价格便宜，便于广大研究者普遍采用。本装置是一个圆盘[4]，直径0.6 m，面积0.28 m2。在圆盘的圆心正上方设有一个漏斗，漏斗下缘略高于圆盘上缘。此漏斗用6根辐条与圆盘外缘相连，6根辐条延圆盘半径均匀分布，把整个圆盘均分为6等份，每一份为π/3。整个实验装置由不锈钢制成，如图1所示。

图1　实验圆盘Fig.1　Experimental tray

关于实验圆盘有以下三点说明：

(1)圆盘直径问题。本实验圆盘的直径为0.6 m是根据DEF(AUST)5706设定的[4]。由于实验圆盘为本文首创，所以其面积大小没有可参考的文献。圆盘面积越小，实验误差越大；圆盘面积太大，不便于实验操作。

(2)圆盘水平问题。实验装置中的漏斗、圆盘是固定的，不需要活动或能调节。在实验过程中，圆盘内盛装乙醇，无论圆盘是否水平，内盛乙醇表面一定是自动水平的，泡沫在乙醇表面铺展也一定是自动水平的。

(3)圆盘材料问题。本文认为圆盘材料对实验无影响，只要是不易生锈的材料均可。本文采用的材料是不锈钢，铝合金也可以。

1.2 实验方法

1.2.1实验过程

(1)向圆盘内倒入2 L乙醇。在倒入乙醇后，圆盘内形成一层有一定厚度(大约7 mm)的乙醇层。

(2)通过漏斗向圆盘中的乙醇表面倒入200 g泡沫。漏斗定位在圆盘圆心的正上方，这确保了泡沫从乙醇表面的中心向四周铺展。

(3)泡沫在乙醇表面流动，待泡沫在乙醇表面静止后形成一片白色的泡沫层。如图2所示。

图2　在圆盘内乙醇表面流动的泡沫层Fig.2　Spreading foam layer on the alcohol surface in the tray

(4)沿着6根辐条测量泡沫层外缘到圆盘外缘的距离。其实应该是沿着辐条在乙醇表面上的投影测量。如图3所示。

图3　沿着辐条投影方向测量泡沫外缘到圆盘外缘的距离Fig.3　Measuring the data along a spoke

每根辐条都是圆盘的半径，且每两根相邻辐条之间的夹角都是60度，所以6根辐条把圆盘均分6份。如图4所示。

图4　实验测量数据Fig.4　Experimental method

在图4中，椭圆形阴影面积表示泡沫层，圆形表示圆盘外缘，6根半径表示6根辐条。图4中x1,x2……x6表示沿着辐条投影方向上，泡沫层外缘到圆盘外缘的距离。

(5)记录6个数据：x1,x2……x6。以上6个数据的和表示泡沫层外缘到圆盘外缘的距离，下文简称距离和。

1.2.2实验说明

关于以上实验过程有以下7点说明：

(1)倒入乙醇的量应足够多，一定要保证圆盘内的乙醇层有一定厚度，以确保乙醇表面的水平。

(2)倒入泡沫的量应根据圆盘大小确定，泡沫量太少，实验误差太大；泡沫量太多，铺满整个圆盘则得不到实验数据(实验数据是6个“0”)。

(3)泡沫在乙醇表面铺展过程大约需要1 min，初期泡沫在乙醇表面铺展迅速，随着铺展进行，泡沫的流动速度越来越慢，到最后仅在部分边缘缓慢向外流动。

(4)因为以上第3点原因，本文最初设想记录泡沫的铺展时间不能实现。因为在铺展的最后阶段，泡沫流动速度太慢，不能精确记录泡沫铺展的停滞时间。例如，有时整个泡沫层已经停止流动，只有小部分外缘还在向外铺展，这给计时带来困难。所以最终决定采用记录泡沫静止后面积大小的方法。这种方法虽然没有记录泡沫铺展时间，但数据精度高，且操作方便。

(5)本文测量泡沫层面积采用的是间接方法。用泡沫层外缘到圆盘外缘的6个距离和间接表征泡沫层的面积。距离和越大说明泡沫层外缘到圆盘外缘的距离越远，也就是说，泡沫层越小，或者说，泡沫铺展能力越差；反之，距离和越小说明泡沫层外缘到圆盘外缘的距离越近，也就是说，泡沫层越大，或者说，泡沫铺展能力越强。

(6)理论上泡沫在水平的乙醇层上铺展应该是圆形的(在图4中用椭圆形阴影表示泡沫层是因为作图方便)，但是实验过程中泡沫自由铺展形成的形状没有一次是圆形或椭圆形，实际形成的泡沫层是一个非常不规则的地图形状，且每次实验都不同。

(7)由于以上第6点原因，单次实验误差较大。所以每组配方都进行7次平行实验以减小随机误差，实践证明，误差减小到了可接受的水平，相见以下讨论部分。

1.3　泡沫配方

为了得到理化参数不同的泡沫灭火剂，通过正交实验原理设计了9种不同的泡沫灭火剂配方，使用了L9(34)正交设计表，如表1所示。

表1　用L9(34)正交表得到的9种泡沫灭火剂配方Table 1　L9(34) orthogonal array of differentformulations of foam

在表1中，因素的水平数表示各因素在10%泡沫浓缩液中的质量百分比浓度，也就是在泡沫稀释液中的质量千分比浓度。应注意的是，本文采用的泡沫浓缩液浓度是10%，而不是常用的3%或6%，这主要是为了计算方便。误差被安排在了第4列，其余为水。

1.4　影响因素的选择和测量

1.4.1影响因素的选择

本文研究了发泡倍数、粘度和表面张力对于抗醇型水成膜泡沫灭火剂在水溶性极性有机溶剂(乙醇)表面铺展能力的影响。选择以上3个因素研究是在参考GB15308-2006《泡沫灭火剂》中对泡沫理化参数的要求，同时考虑可能对铺展性能有明显影响而选定的。其中不包括25%析液时间的影响，因为本文泡沫灭火剂的配方中都含有较多量的多糖，这主要是保证泡沫灭火剂具有明显的抗醇性[5]，同时使得泡沫的析液时间较长，一般大于15 min，而泡沫的铺展过程一般小于1 min，所以认为25%析液时间的影响较小，忽略不计。扩散系数是由2种液体的表面张力和2种液体的界面张力决定的。本文仅研究了表面张力，因为水和乙醇是混溶的，不分相。所以在水和乙醇之间不存在界面，也就无从谈起界面张力问题。

1.4.2因素的测量方法

表面张力的测量使用的是上海中晨数字技术设备有限公司生产的JK99B型全自动表面界面张力仪(POWEREACH®)，采用的是“环法”。发泡倍数的测量采用的方法详见文献[3]。粘度测量使用的是广州标格达实验室仪器用品有限公司生产的BGD186型斯托莫粘度计，粘度单位是KU值。注意，本文测量的是泡沫浓缩液的粘度，不是泡沫稀释液或泡沫本身的粘度，因为泡沫稀释液的粘度几乎和水一样，而泡沫的粘度几乎没有变化。

2结果和讨论

2.1　实验结果

为降低随机误差，每种配方的铺展能力进行7次平行实验，结果如表2所示。

表2　泡沫铺展能力的重复实验数据Table 2　The spreading ability of different formulations

续表2

续表2

注：上表中因实验失误，第V号配方只有6次平行实验数据。

粘度、发泡倍数和表面张力以及表2中距离和数据的平均值如表3所示。

表3　粘度、发泡倍数、表面张力和距离和Table 3　Viscosity, expansion, surfacetension and spreading ability

2.2　数据的可靠性分析

在得到了铺展量距离和数据后，首先要做的是计算实验误差。因为本文实验方法属于首创，不是标准实验，所以数据的可靠性就成为本文的根本问题。误差的大小可根据方差分析确定。方差分析结果如表4所示。

在表4中，误差的离差平方和是4个因素中最小的，说明误差对实验数据的影响在4个因素中是最微弱的。4个因素中对实验数据影响最显著的是水溶性多糖溶液。表4的方差分析证明了数据的可靠性。

表4　各因素影响的方差分析Table 4　Variance analysis of Table 1

2.3　讨论

2.3.1粘度

粘度对抗醇泡沫灭火剂在乙醇表面铺展能力的影响如图5所示。

图5　粘度对铺展距离和影响的3次多项式拟合Fig.5　Polynomial fit as a function of viscosity

图5中曲线的拟合公式为：

y=970.90-26.63x+0.25x2-7.55×10-4x3

在图5中，距离和曲线先下降，在经过一个最小值拐点后，曲线上升。说明泡沫的铺展能力随粘度的增加先增大后减小。所以存在一个最佳粘度使得泡沫的铺展能力最好，如图5所示，这个最佳粘度大约在90 ku左右。这是因为粘度由水溶性多糖含量决定，多糖含量越多，泡沫浓缩液的粘度越大。多糖就是抗醇剂，使得泡沫具有抗醇功能[5]。在粘度小于最佳粘度之前，增加多糖含量有助于泡沫在乙醇表面的漂浮。但是，在粘度大于最佳粘度之后，增加多糖含量使得粘度过大，阻碍了泡沫的流动，使得铺展能力减弱。

2.3.2发泡倍数

发泡倍数对抗醇泡沫灭火剂在乙醇表面铺展能力的影响如图6所示。

图6　发泡倍数对铺展距离和影响的4次多项式拟合Fig.6　Polynomial fit as a function ofexpansion

图6中曲线的拟合公式为：

y=6843.82-8208.70x+3678.00x2

-720.98x3+52.13x4

在图6中，距离和曲线先增大后减小。这说明存在一个最差发泡倍数使得泡沫铺展能力最差，这个最差发泡倍数在3~3.5倍之间。在发泡倍数大于3.5倍以后，随着发泡倍数的增加，泡沫的体积增大，所以铺展面积也越来越大。

2.3.3表面张力

表面张力对抗醇泡沫灭火剂在乙醇表面铺展能力的影响如图7所示。

图7　表面张力对铺展距离和影响的5次多项式拟合Fig.7　Polynomial fit as a function of surface tension

图7中曲线的拟合公式为：

y=-214498.29+48546.50x-4353.14x2

+193.37x3-4.26x4+0.037x5

在图7中，距离和曲线随表面张力的变化波动，没有明显的规律性。这证明了前文的观点：抗醇泡沫灭火剂在水溶性极性有机溶剂表面的铺展机理与在烷烃表面铺展的机理是不同的，所以不受表面张力的影响。扩散系数只能用于评价泡沫在烷烃表面的铺展能力，不能用于评价泡沫在极性有机溶剂(例如乙醇、丙酮等)表面的铺展能力。

3结论

通过以上的讨论，得出以下结论：

(1)粘度可以显著影响抗醇泡沫灭火剂在醇类表面的铺展。存在一个最佳粘度使得泡沫的铺展能力最强，这个最佳粘度大约在90 ku左右。过大的粘度影响泡沫流动。

(2)发泡倍数可以显著影响抗醇泡沫灭火剂在醇类表面的铺展。存在一个最差发泡倍数使得泡沫的铺展能力最差，这个最差发泡倍数大约在3~3.5倍之间。在发泡倍数大于3.5倍之后，泡沫的铺展能力随发泡倍数的增大越来越好。

(3)表面张力不能影响抗醇泡沫灭火剂在醇类表面的铺展。扩散系数不能用于评价泡沫在极性有机溶剂(例如乙醇、丙酮等)表面的铺展能力。

参考文献

[1] GB15308-2006, 泡沫灭火剂[S], 2006．

[2] 张宇, 廖光煊. 一种新型高铺展性水成膜泡沫的性质以及灭火性能研究[J]. 火灾科学, 2008, 17(1): 1-7.

[3] 肖进新, 等. 水成膜泡沫灭火剂性能的实验室测定方法[J]. 化学研究与应用, 2008, 20(5): 569-572.

[4] Laundess AJ, et al. Small-scale test protocol for firefighting foams DEF(AUST)5706: effect of bubble size distribution and expansion ratio[J]. Fire Technology, 2011,47(1): 149-162.

[5] 叶宏烈, 等. 凝胶型抗溶性泡沫灭火剂[J]. 消防科学与技术, 1983, (1): 1-8.

Experimental study on spreading ability of alcohol resistant aqueous film

forming foam (AR-AFFF) on water-miscible liquids

WANG Peng

(The Chinese People’s Armed Police Forces Academy, Langfang 065000, China)

Abstract:This work aimed to study the spreading ability of alcohol resistant aqueous film forming foam (AR-AFFF) on water-miscible liquids. A new experimental apparatus was invented, and nine kinds of formulations were tested.Data concerning the influence of viscosity, expansion and surface tension were obtained, and the reliability of the datawas approved by variance analysis.It was found that viscosity and expansion can influence the spreading ability of AR-AFFF on alcohol, while surface tension has no effect. There is a best viscosity and worst expansion for the spread of foam. Spreading coefficient cannot be used to characterize the spreadingability of AR-AFFF over the surface of water miscible liquids.

Keyword: Spread; AFFF/AR; Foam; Alcohol

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.04.06

文章编号：1004-5309(2015)-00229-06

通讯作者：赵国敏，E-mail:guominzhao@163.com

作者简介：赵国敏(1977-)，女，河北任丘人，博士，副教授，主要从事城市公共场所人群疏散研究。

基金项目：国家自然科学 (11202004；51108297)资助。

收稿日期：2015-01-16；修改日期：2015-06-02

中图分类号：TQ569；X915.5

文献标识码：A