几种表面活性剂对灭火剂性能影响研究

张 满，曹 青，张连超，吴 楠

(滨州学院 化工与安全学院，山东 滨州 256600)

水成膜灭火剂(AFFF)是目前泡沫灭火剂中效果最好的灭火剂[1]，但由于其核心成分为氟碳表面活性剂，对环境造成很大污染，氟碳表面活性剂具有难降解的特点[2]，面对环境污染的严峻性，研究出绿色环境友好型灭火剂至关重要。

国内外针对环境友好型灭火剂已有不少研究[3-5]，但降低灭火剂中氟碳表面活性剂的用量不能从根本上解决关键问题，找不到氟碳表面活性剂的替代品就意味着还有环境问题以及高额成本问题。而碳氢表面活性剂和有机硅表面活性剂[3]具有易降解、起泡性能好等优点，本文针对碳氢和有机硅表面活性剂对灭火剂性能的影响进行相关的实验研究。

1 实验装置与测试方法

1.1 实验材料与设备

所用实验材料十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)，上海展云化工有限公司；十二烷基葡糖苷[6](APG0810)，临沂亿群化工；椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)，临沂亿群化工；十二烷基硫酸钠(K-12)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，上海麦克林化工有限公司；月桂酰胺丙基甜菜碱(LAB-35)，青岛优索化学科技有限公司；环己烷，煤油。

本实验所用实验装置是由VZL2000型全自动表面张力仪、MCR 302流变仪及2152型罗氏泡沫仪组成。

1.2 测试方法

将六种表面活性剂分别按3%、6%配成泡沫灭火剂，测定其表面张力、界面张力、发泡倍数、25%析液时间、铺展性、灭火性能综合来分析表面活性剂对灭火剂性能的影响。

1.2.1 表面性能测试方法

遵循GB 15308-2006[7]的要求，采用全自动表面张力仪以拉环法测液体表面张力[8]，采用VZL2000型全自动界面张力测定仪拉膜破裂法测定溶液的界面张力[9]，用流变仪[10-11]测泡沫灭火剂的粘度。

1.2.2 泡沫性能测试

泡沫性能最常用的方法是Ross-Miles法[12-13]，采用2152型罗氏泡沫仪测不同质量分数泡沫灭火剂的发泡倍数、25%析液时间及泡沫稳定性。

1.2.3 铺展性能测试

选择直径为9 cm的表面皿，将30 mL的环己烷加入其中，用微量注射器抽取3 mL泡沫灭火剂缓慢匀速滴加到表面皿中，记录泡沫灭火剂在环己烷表面完全铺展或到表面皿边缘的时间，即为铺展时间[14]。计算所用泡沫灭火剂的体积计算铺展速度和铺展面积。

1.2.4 灭火性能测试

点火后，先让油盘火燃烧60 s，待油面上方形成稳定火焰后，开始持续喷射泡沫，并开始计时，直至火焰完全熄灭，即可得到灭火时间。每种灭火剂连续测试三组趋于稳定的数据停止实验，记录所测三组实验数据并取其平均值作为实验结果[16]。

2 实验结果

2.1 泡沫灭火剂表面性能

不同质量分数表面活性剂的泡沫灭火剂的表面张力及界面张力如图1、图2所示。从图1中可以看出，BS-12表面张力在六种表面活性剂中最小，3%的BS-12泡沫灭火剂表面张力是20.4 mN/m。同时质量分数为3% BS-12泡沫灭火剂比6%的表面张力还低。说明在一定程度上，此表面活性剂的质量分数越小，表面张力越小。这由于表面活性剂分子浓度达到饱和，表面活性剂分子中疏水基分子与亲水基排斥力大，因此泡沫灭火剂的表面张力低。

由图2可知，BS-12界面张力在六种表面活性剂中最低，3%的BS-12泡沫灭火剂的界面张力是25.3 mN/m。对于CAB和CTAB，质量分数越大，界面张力越小，而对于其余四种，质量分数越大，界面张力越大，表明表面活性剂的质量分数会对灭火剂的表面性能产生影响。

图1 泡沫灭火剂的表面张力

图2 泡沫灭火剂界面张力

不同质量分数表面活性剂的泡沫灭火剂的粘度如图3所示，由图可知，3%泡沫灭火剂中两性表面活性剂CAB粘度最小，且六种泡沫灭火剂粘度差别很小，同时3%的泡沫灭火剂粘度比6%品泡沫灭火剂粘度小。其原因是由于CAB泡沫灭火剂对其内摩擦力小，流动性大，碳氢结合结构少且不牢固；质量分数大，流体动力对内摩擦力大，同时碳氢结合的多，黏度大。

图3 泡沫灭火剂粘度

2.2 泡沫灭火剂的铺展性能

图4 泡沫灭火剂铺展时间

不同质量分数的六种表面活性剂的泡沫灭火剂在环己烷中铺展时间如图4所示。从图中可以看出， K-12泡沫灭火剂在环己烷表面展现出很好的铺展性，同时3%的泡沫灭火剂比6%泡沫灭火剂在环己烷表面铺展时间要短。这与上面所测粘度相符，质量分数小的粘度小，流动性大，铺展性能好。

铺展速度降低会使灭火剂灭火时间的延长，降低灭火性能。铺展量越大则液膜越厚，泡沫的稳定性及抗烧性能越好。不同表面活性剂对灭火剂的铺展量以及铺展速度影响的实验结果如表1所示。由表可知，6%的K-12泡沫灭火剂在环己烷表面铺展迅速，但其的铺展量很小，说明其泡沫不是很稳定。BS-12、APG0810、LAB-35铺展量大，说明它们的泡沫稳定性及抗烧性能好。

表1 泡沫灭火剂的铺展性能参数

2.3 泡沫灭火剂的泡沫性能

图5 泡沫灭火剂发泡倍数

图6 泡沫灭火剂析液时间

六种表面活性剂的泡沫灭火剂发泡倍数以及25%析液时间如图5、图6所示。表面活性剂APG0810的发泡倍数高于其他六种表面活性剂，且3%的发泡倍数高于6%发泡倍数。这说明相同质量分数的表面活性剂，APG0810中表面活性剂分子浓度高，活性小，排列紧密，体系表面能和表面张力均小，泡沫生成多，发泡倍数高。随着质量分数增大，表面活性分子浓度达到饱和，分子多，活性大，排列由紧密变得疏松，表面张力大，泡沫生成少。

非离子表面活性剂APG0810在六种表面活性剂中25%析液时间最长，析液时间可以反应泡沫体系是否稳定，泡沫的析液时间长短取决于泡沫自身的稳定性，随着泡沫的生成，液体表面积增大，表面能增高。综合发泡倍数以及25%析液时间，发现3%泡沫灭火剂比6%的泡沫灭火剂泡沫性能好。这是由于泡沫体系趋向于低表面张力，而3%泡沫灭火剂表面张力比6%泡沫灭火剂表面张力低，体表性能小，液膜排液动力和速度大，泡沫稳定性好，因此析液时间长。

2.4 泡沫灭火剂的灭火性能

对六种表面活性剂泡沫灭火剂进行灭火性能实验测试，灭火时间对比如图7所示，综合两种质量分数的泡沫灭火剂，非离子表面活性剂APG0810灭火时间最短。这是由于APG0810发泡倍数高且25%析液时间长，在火焰表面迅速覆盖一层细密的泡沫，抑制燃料的蒸发速度，泡沫能迅速将火焰扑灭。

图7 泡沫灭火剂灭火时间

3 结论

用六种表面活性剂分别配置灭火剂，通过对灭火剂的性能进行测试分析，选择灭火时间这一性能为筛选表面活性剂的标准，综合其它性能，APG0810泡沫灭火剂灭火时间短。在六种表面活性剂表面活性分子浓度一定情况下，APG0810疏水基分子与亲水基分子排斥力小，从而表面张力比BS-12的表面张力高； APG0810铺展量大，液膜厚，泡沫性能稳定，但对铺展时间有一定影响，从而导致铺展时间长。综合实验结果分析，表面活性剂APG0810制备的泡沫灭火剂性能最优。