氟碳表面活性劑在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用

楊士亮，楊宏偉，吳 超

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006)

氟碳表面活性劑在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用

楊士亮，楊宏偉，吳 超

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006)

分析了氟碳表面活性劑的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)；講解了氟蛋白泡沫滅火劑、輕水泡沫滅火劑和凝膠型抗溶劑泡沫滅火劑的基本組成、性能特點(diǎn)和在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用場合等；最后指出在研發(fā)過程中科學(xué)工作者必須考慮氟碳表面活性劑對人類身體和環(huán)境可能產(chǎn)生的危害。

氟碳表面活性劑；氟蛋白泡沫；輕水泡沫；凝膠型抗溶劑泡沫；消防領(lǐng)域

火災(zāi)嚴(yán)重地危害著生命和財產(chǎn)的安全，同時火災(zāi)生成了大量的有害氣體，如氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、一氧化碳（CO），和一些碳?xì)浠衔锏龋瑥亩鹆酥T如酸雨、溫室效應(yīng)等嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]。因此，研制新型有效的滅火劑是十分迫切和必要的。

氟碳表面活性劑以其優(yōu)良而獨(dú)特的性能，在消防領(lǐng)域中有著不可替代的作用，作為新型的滅火劑正日益受到重視。本文分析了氟碳表面活性劑的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，概述了在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 氟碳表面活性劑的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

氟碳表面活性劑特有的性能與氟元素的結(jié)構(gòu)性能是密不可分的。氟元素是所有元素中反應(yīng)活性最強(qiáng)、負(fù)電性最強(qiáng)的元素，并且原子極化率又是最低的。碳?xì)浠衔镏?，氟元素的結(jié)合能非常高（如表1所示）[2,3]。資料顯示，碳氟鍵比碳?xì)滏I的鍵能大約 76 kJ·mol-1，而且鍵長很短，分子偶極距小，極化率小，與化學(xué)活性物質(zhì)相互作用力小，因此其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都很強(qiáng)。同時，氟碳結(jié)構(gòu)中，氟元素的范德華半徑比氫元素的稍大，但是比其他所有元素的原子半徑要小，恰好能把碳鏈緊密包裹，形成氟元素的空間屏障保護(hù)和負(fù)電屏蔽保護(hù)。因此氟碳表面活性劑具有“三高兩憎”的特性，即高表面活性、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性和憎水憎油性能[4]。

表1 氟元素的結(jié)合能Table 1 Binding energy of fluorine

2 消防領(lǐng)域中氟碳表面活性劑的應(yīng)用

2.1 氟蛋白泡沫滅火劑

氟蛋白泡沫滅火劑（Fluoroprotein Foam，F(xiàn)P）是將陰離子型氟表面活性劑添加進(jìn)普通泡沫滅火劑之中制成的，因此又簡稱為氟蛋白。它的特點(diǎn)主要有，（1）滅火速度快。由于氟表面活性劑降低了表面張力，從而降低了液體的剪切力和流動阻力，提高了泡沫的流動性，使泡沫能迅速覆蓋在火焰表面，阻隔空氣中的氧氣達(dá)到滅火目的；（2）滅火效率高。滅火速度比普通蛋白泡沫滅火劑快3~4倍，且不復(fù)燃。氟蛋白還具有自封作用，將局部火焰自行撲滅。資料顯示[5]，面積為80 m2的火場，利用200 dm3含40 g陰離子氟蛋白泡沫滅火劑即可將火有效撲滅；（3）聯(lián)用效果好。與普通干粉滅火劑聯(lián)用，能增強(qiáng)滅火效果。美國National Foam System公司、英國George Augus公司、加拿大Laurention公司和我國上海有機(jī)氟材料研究所都有此類滅火劑。

成膜氟蛋白泡沫滅火劑（Film forming fluoroprotein foam，F(xiàn)FFP）是現(xiàn)在國外消防領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種復(fù)合表面表面活性劑。該產(chǎn)品是包含氟表面活性劑和乙二醇溶劑的水解蛋白溶液，還含有防止凝結(jié)、腐蝕和細(xì)菌分解的各種添加劑（如表2所示）[6]。

表2 成膜氟蛋白泡沫滅火劑的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of the FFFP

成膜氟蛋白泡沫滅火劑具有泡沫穩(wěn)定性好、抗燒時間長、流動性能快和粘度低等特點(diǎn)，它能與干粉滅火劑聯(lián)用，也可采用液下噴射的方法滅火，因此特別適用于大型化工產(chǎn)、化工倉庫、油庫和飛機(jī)場等場所所引起的火災(zāi)。2003年，我國上?；瘜W(xué)工業(yè)園區(qū)孚寶碼頭的消防工程中就引用了該產(chǎn)品。

2.2 輕水泡沫滅火劑

輕水泡沫滅火劑（Aqueous Film Forming Foaming，AFFF）又稱為水薄膜泡沫形成劑。由于該滅火劑形成的水膜雖然相對密度比油大，但由于氟碳表面活性劑大大降低了水的表面張力，使之能漂浮于油面之上，使燃油降溫、隔絕氧氣而滅火。要使水溶液在油面上鋪展必須使鋪展系數(shù)S水/油＞0：

式中，S水/油：水在油面上的鋪展系數(shù)；γ油：油的表面張力；γ水：水的表面張力；γ水/油：油水界面張力。

20世紀(jì)60年代，美國3M公司與美國海軍就聯(lián)合研制生產(chǎn)了這類滅火劑，我國上海有機(jī)氟材料研究所也已經(jīng)研制并批量生產(chǎn)。對于輕水泡沫滅火劑中的主要成分氟碳表面活性劑，國內(nèi)科學(xué)研究者也進(jìn)行有益的探索和研究，例如劉振營等研究了一種新型的非離子型氟碳表面活性劑 Interehem-1，其表面張力可達(dá)16.8 Mn/m，具有優(yōu)良的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性，以此氟碳表面活性劑為主劑的輕水泡沫滅火劑，滅火效果非常優(yōu)異。AFFF能在油層表面形成泡沫薄膜，窒息火焰，并有抑制油層表面蒸發(fā)的能力，防止復(fù)燃，因此可廣泛應(yīng)用于機(jī)場油庫，以及隧道的滅火。利用其特點(diǎn)我國還將之應(yīng)用于地下車庫、廣場和水面艦艇等消防場所[7,8]。

2.3 凝膠型抗溶劑泡沫滅火劑

凝膠型抗溶劑滅火劑（是指在蛋白泡沫滅火劑中添加的兩性氟表面活性劑，在溶液表面形成高分子聚合物膜，能有效延緩泡沫收縮，增強(qiáng)泡沫抗熱能力，抵抗極性溶劑消泡作用的一類滅火劑。1935年，德國人Bohm以季銨鹽型的陽離子表面活性劑獲得了英國專利；1939年，Dimario首創(chuàng)了金屬皂型泡沫；20世紀(jì)50年代初，美國Pefri等人將鋅、鎘等金屬鹽以過量的乙醇胺分散到水解蛋白之中，研制成至今廣泛使用的凝膠型抗溶劑滅火劑。

常用的抗極性溶劑的滅火劑有三類。（1）合成表面活性劑中添加氨基醇的金屬皂；（2）加水分解的蛋白液中溶解了氨基醇的金屬皂；（3）合成表面活性劑中溶解了藻酸鈉等水溶性高分子。該類滅火劑適用于醇、酯、酮、醚和甲苯等有機(jī)酸等可溶性的可燃、易燃液體火災(zāi)的預(yù)防和消防。滅火劑中關(guān)鍵的組成成分抗溶性添加劑，最常用的是觸變性多糖有黃單胞細(xì)菌多糖、雜多糖和菌核葡聚糖等。此外，該類滅火劑還含有降粘劑、增溶劑、穩(wěn)定劑和抗凍劑等添加劑。

3 結(jié)束語

氟碳表面活性劑在消防領(lǐng)域的作用越來越大，應(yīng)用越來越廣泛。但是，在研發(fā)性能更加優(yōu)良的氟碳表面活性劑的同時，它們是否對人類身體和環(huán)境產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)和潛在的危害是科學(xué)工作者難以規(guī)避的考慮范疇之一。

［1］Takahiro Kishi，Mitsuru Arai. Study on the generation of perfluorooctane surfonate from the aqueous film-forming foam [J]. J Hazardous Mater, 2008, 159(6): 81-86.

［2］ MP Krafft， JG Riess. Highly fluorinated amphiphiles and colloidal systems and their applications in the biomedical field. A contribution [J]. Biochimic, 1998, 80(6): 489-514.

［3］ H. Groult ，F(xiàn). Lantelme， M. Salanne， et al. Role of elemental fluorine in nuclear field [J]. J Fluorine Chem, 2007, 128(11): 285-295.

［4］ 曾毓華. 氟碳表面活性劑[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［5］ 梁治齊. 氟表面活性劑[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

［6］ S.A. Magrabi，B.Z. Dlugogorski，G.J. Jameson. A comparative study of drainage characteristics in AFFF and FFFP compressed-air fire-fighting foams [J]. Fire Safety Journal, 2002, 37(1): 21-52.

［7］ 黃仁勇．AFFF系統(tǒng)在延安東路隧道中的應(yīng)用[J].地下工程與隧道，1995（1）：35-39.

［8］ 劉振營，郭亞軍，沈明歡,等．新型氟碳表面活性劑在輕水泡沫滅火劑中的應(yīng)用研究[J].化工時刊，2007，21（1）：45-47.

Application of Fluorocarbon Surfactant in Fire-fighting Field

YANG Shi-liang，YANG Hong-wei，WU Chao
(Air Force Service College, Jiangsu Xuzhou 221000，China)

Properties and characteristics of fluorocarbon surfactants were analyzed. The basic composition and performance of fluoroprotein foam, aqueous film forming foaming and gel-type anti-solvent foam fire extinguishing agent were introduced as well as their application scopes. At last, it’s pointed out that fluorocarbon surfactant’s hazard to human and environment must be considered.

Fluorocarbon surfactant; Fluoroprotein foam; Aqueous film-forming foam (AFFF); Gel-type anti-solvent foam; Fire fighting field

TQ 423

A

1671-0460（2012）09-0970-02

2012-05-17

楊士亮（1968-），男，四川榮縣人，副教授，碩士研究生，1991年畢業(yè)于電子科技大學(xué)電子工程專業(yè)，研究方向：復(fù)合材料及大學(xué)物理的研究和相關(guān)教學(xué)工作。E-mail：13952196949@163.com。