幾種表面活性劑對(duì)滅火劑性能影響研究

張 滿，曹 青，張連超，吳 楠

(濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256600)

水成膜滅火劑(AFFF)是目前泡沫滅火劑中效果最好的滅火劑[1]，但由于其核心成分為氟碳表面活性劑，對(duì)環(huán)境造成很大污染，氟碳表面活性劑具有難降解的特點(diǎn)[2]，面對(duì)環(huán)境污染的嚴(yán)峻性，研究出綠色環(huán)境友好型滅火劑至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)環(huán)境友好型滅火劑已有不少研究[3-5]，但降低滅火劑中氟碳表面活性劑的用量不能從根本上解決關(guān)鍵問題，找不到氟碳表面活性劑的替代品就意味著還有環(huán)境問題以及高額成本問題。而碳?xì)浔砻婊钚詣┖陀袡C(jī)硅表面活性劑[3]具有易降解、起泡性能好等優(yōu)點(diǎn)，本文針對(duì)碳?xì)浜陀袡C(jī)硅表面活性劑對(duì)滅火劑性能的影響進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

所用實(shí)驗(yàn)材料十二烷基二甲基甜菜堿(BS-12)，上海展云化工有限公司；十二烷基葡糖苷[6](APG0810)，臨沂億群化工；椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)，臨沂億群化工；十二烷基硫酸鈉(K-12)，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，上海麥克林化工有限公司；月桂酰胺丙基甜菜堿(LAB-35)，青島優(yōu)索化學(xué)科技有限公司；環(huán)己烷，煤油。

本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)裝置是由VZL2000型全自動(dòng)表面張力儀、MCR 302流變儀及2152型羅氏泡沫儀組成。

1.2 測(cè)試方法

將六種表面活性劑分別按3%、6%配成泡沫滅火劑，測(cè)定其表面張力、界面張力、發(fā)泡倍數(shù)、25%析液時(shí)間、鋪展性、滅火性能綜合來分析表面活性劑對(duì)滅火劑性能的影響。

1.2.1 表面性能測(cè)試方法

遵循GB 15308-2006[7]的要求，采用全自動(dòng)表面張力儀以拉環(huán)法測(cè)液體表面張力[8]，采用VZL2000型全自動(dòng)界面張力測(cè)定儀拉膜破裂法測(cè)定溶液的界面張力[9]，用流變儀[10-11]測(cè)泡沫滅火劑的粘度。

1.2.2 泡沫性能測(cè)試

泡沫性能最常用的方法是Ross-Miles法[12-13]，采用2152型羅氏泡沫儀測(cè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)泡沫滅火劑的發(fā)泡倍數(shù)、25%析液時(shí)間及泡沫穩(wěn)定性。

1.2.3 鋪展性能測(cè)試

選擇直徑為9 cm的表面皿，將30 mL的環(huán)己烷加入其中，用微量注射器抽取3 mL泡沫滅火劑緩慢勻速滴加到表面皿中，記錄泡沫滅火劑在環(huán)己烷表面完全鋪展或到表面皿邊緣的時(shí)間，即為鋪展時(shí)間[14]。計(jì)算所用泡沫滅火劑的體積計(jì)算鋪展速度和鋪展面積。

1.2.4 滅火性能測(cè)試

點(diǎn)火后，先讓油盤火燃燒60 s，待油面上方形成穩(wěn)定火焰后，開始持續(xù)噴射泡沫，并開始計(jì)時(shí)，直至火焰完全熄滅，即可得到滅火時(shí)間。每種滅火劑連續(xù)測(cè)試三組趨于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)停止實(shí)驗(yàn)，記錄所測(cè)三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 泡沫滅火劑表面性能

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑的泡沫滅火劑的表面張力及界面張力如圖1、圖2所示。從圖1中可以看出，BS-12表面張力在六種表面活性劑中最小，3%的BS-12泡沫滅火劑表面張力是20.4 mN/m。同時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% BS-12泡沫滅火劑比6%的表面張力還低。說明在一定程度上，此表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，表面張力越小。這由于表面活性劑分子濃度達(dá)到飽和，表面活性劑分子中疏水基分子與親水基排斥力大，因此泡沫滅火劑的表面張力低。

由圖2可知，BS-12界面張力在六種表面活性劑中最低，3%的BS-12泡沫滅火劑的界面張力是25.3 mN/m。對(duì)于CAB和CTAB，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，界面張力越小，而對(duì)于其余四種，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，界面張力越大，表明表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)對(duì)滅火劑的表面性能產(chǎn)生影響。

圖1 泡沫滅火劑的表面張力

圖2 泡沫滅火劑界面張力

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑的泡沫滅火劑的粘度如圖3所示，由圖可知，3%泡沫滅火劑中兩性表面活性劑CAB粘度最小，且六種泡沫滅火劑粘度差別很小，同時(shí)3%的泡沫滅火劑粘度比6%品泡沫滅火劑粘度小。其原因是由于CAB泡沫滅火劑對(duì)其內(nèi)摩擦力小，流動(dòng)性大，碳?xì)浣Y(jié)合結(jié)構(gòu)少且不牢固；質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，流體動(dòng)力對(duì)內(nèi)摩擦力大，同時(shí)碳?xì)浣Y(jié)合的多，黏度大。

圖3 泡沫滅火劑粘度

2.2 泡沫滅火劑的鋪展性能

圖4 泡沫滅火劑鋪展時(shí)間

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的六種表面活性劑的泡沫滅火劑在環(huán)己烷中鋪展時(shí)間如圖4所示。從圖中可以看出， K-12泡沫滅火劑在環(huán)己烷表面展現(xiàn)出很好的鋪展性，同時(shí)3%的泡沫滅火劑比6%泡沫滅火劑在環(huán)己烷表面鋪展時(shí)間要短。這與上面所測(cè)粘度相符，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小的粘度小，流動(dòng)性大，鋪展性能好。

鋪展速度降低會(huì)使滅火劑滅火時(shí)間的延長(zhǎng)，降低滅火性能。鋪展量越大則液膜越厚，泡沫的穩(wěn)定性及抗燒性能越好。不同表面活性劑對(duì)滅火劑的鋪展量以及鋪展速度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表可知，6%的K-12泡沫滅火劑在環(huán)己烷表面鋪展迅速，但其的鋪展量很小，說明其泡沫不是很穩(wěn)定。BS-12、APG0810、LAB-35鋪展量大，說明它們的泡沫穩(wěn)定性及抗燒性能好。

表1 泡沫滅火劑的鋪展性能參數(shù)

2.3 泡沫滅火劑的泡沫性能

圖5 泡沫滅火劑發(fā)泡倍數(shù)

圖6 泡沫滅火劑析液時(shí)間

六種表面活性劑的泡沫滅火劑發(fā)泡倍數(shù)以及25%析液時(shí)間如圖5、圖6所示。表面活性劑APG0810的發(fā)泡倍數(shù)高于其他六種表面活性劑，且3%的發(fā)泡倍數(shù)高于6%發(fā)泡倍數(shù)。這說明相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑，APG0810中表面活性劑分子濃度高，活性小，排列緊密，體系表面能和表面張力均小，泡沫生成多，發(fā)泡倍數(shù)高。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，表面活性分子濃度達(dá)到飽和，分子多，活性大，排列由緊密變得疏松，表面張力大，泡沫生成少。

非離子表面活性劑APG0810在六種表面活性劑中25%析液時(shí)間最長(zhǎng)，析液時(shí)間可以反應(yīng)泡沫體系是否穩(wěn)定，泡沫的析液時(shí)間長(zhǎng)短取決于泡沫自身的穩(wěn)定性，隨著泡沫的生成，液體表面積增大，表面能增高。綜合發(fā)泡倍數(shù)以及25%析液時(shí)間，發(fā)現(xiàn)3%泡沫滅火劑比6%的泡沫滅火劑泡沫性能好。這是由于泡沫體系趨向于低表面張力，而3%泡沫滅火劑表面張力比6%泡沫滅火劑表面張力低，體表性能小，液膜排液動(dòng)力和速度大，泡沫穩(wěn)定性好，因此析液時(shí)間長(zhǎng)。

2.4 泡沫滅火劑的滅火性能

對(duì)六種表面活性劑泡沫滅火劑進(jìn)行滅火性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，滅火時(shí)間對(duì)比如圖7所示，綜合兩種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的泡沫滅火劑，非離子表面活性劑APG0810滅火時(shí)間最短。這是由于APG0810發(fā)泡倍數(shù)高且25%析液時(shí)間長(zhǎng)，在火焰表面迅速覆蓋一層細(xì)密的泡沫，抑制燃料的蒸發(fā)速度，泡沫能迅速將火焰撲滅。

圖7 泡沫滅火劑滅火時(shí)間

3 結(jié)論

用六種表面活性劑分別配置滅火劑，通過對(duì)滅火劑的性能進(jìn)行測(cè)試分析，選擇滅火時(shí)間這一性能為篩選表面活性劑的標(biāo)準(zhǔn)，綜合其它性能，APG0810泡沫滅火劑滅火時(shí)間短。在六種表面活性劑表面活性分子濃度一定情況下，APG0810疏水基分子與親水基分子排斥力小，從而表面張力比BS-12的表面張力高； APG0810鋪展量大，液膜厚，泡沫性能穩(wěn)定，但對(duì)鋪展時(shí)間有一定影響，從而導(dǎo)致鋪展時(shí)間長(zhǎng)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，表面活性劑APG0810制備的泡沫滅火劑性能最優(yōu)。