微粒濃度對三相泡沫滅火劑性能影響研究

李秀娟

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

當前，世界各國對滅火方法的研究不斷深入，研制開發出多種滅火劑，對有效控制火災、減少損失起到了重要作用。油品火災滅火劑主要分為細水霧滅火劑、干粉滅火劑、氟蛋白泡沫液和水成膜泡沫滅火劑[1-2]，其中水成膜泡沫滅火劑被認為是性能最好的油類滅火劑。發達國家油類滅火劑市場中水成膜泡沫滅火劑所占的份額在20世紀70年代為7.8%，目前已上升到71.3%。但是近年來，隨著實戰經驗的積累與研究的深入，越來越多的專家學者指出，水成膜泡沫液形成的泡沫不夠穩定，對油面的封閉時間和抗復燃時間較短，在隔離熱液面與阻回燃的性能方面表現不佳，當油罐壁溫度超過600 ℃時，噴射的水成膜泡沫就會因受熱破裂、被熱氣流沖散等原因，無法抵達油面實現覆蓋[3-4]。

在泡沫中加入固體微粒能夠形成三相泡沫，穩定性顯著提高[5-7]，目前對于由固體微粒穩定的三相泡沫研究較多，但主要是應用在化妝品和浮選行業中。本文將球狀膨脹?；⒅?EVB)、片狀滑石粉(TP)、纖維狀硅灰石粉(WP)添加到水成膜泡沫滅火劑中，研究三種固體微粒的濃度對泡沫滅火劑性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

膨脹玻化微珠(EVB)：山東創智科技有限公司，新型環保無機輕質絕熱材料，表面玻化，內部多孔，具有化學穩定性好、絕熱、防火、耐高溫、耐老化等優異性能?；?TP)：上海創宇化工有限公司，晶體呈假六方或菱形的片狀。硅灰石粉(WP)：湖北馮家山硅纖公司，放射狀或纖維狀，熱穩定性好。水成膜泡沫滅火劑(AFFF)：6%。

1.2 試驗方法

1.2.1 三相泡沫滅火劑發泡倍數及析液時間測定

在室溫條件下，用蒸餾水配置6%水成膜泡沫滅火劑溶液100 mL(V0)。將一定質量的固體顆粒與配置好的溶液共混，倒入Waring- Blender攪拌杯中，以3 000 r·min-1的轉速高速攪拌5 min后獲得三相泡沫。將生成的泡沫倒入置于25 ℃恒溫水浴鍋的1 000 mL量筒中，記下泡沫的初始體積，定義為三相泡沫的起泡體積(Vp)，發泡倍數a=Vp/V0。

從倒入時開始計時，當量筒底部分別有15 mL、25 mL和50 mL溶液生成時停止計時，記下時間，定義為三相泡沫滅火劑的15%析液時間t15%、25%析液時間t25%和50%析液時間t50%，表征三相泡沫滅火劑的穩定性。

1.2.2 三相泡沫滅火劑抗燒性能測定方法

參照BS-EN1568-3-2008泡沫滅火劑英國標準，設計試驗如下：分別向100 mL水成膜泡沫液中添加0 g、10 g、20 g、30 g、40 g、50 g、60 g膨脹?；⒅?、滑石粉、硅灰石粉，通過Waring- Blender法配制三相泡沫滅火劑。

在油盤底部倒入3 000 mL水，待液面靜止后，再倒入300 mL汽油，將泡沫滅火劑注于油面上方。將鋼制抗燒罐放入油盤正中間，并在鋼制抗燒罐中倒滿汽油(約100 mL)，使其液面與油盤液面保持在同一水平面上，但不要使油盤內的泡沫進入抗燒罐，如圖1所示。從引燃抗燒罐開始計時，當油盤全面起火時計時停止，這段時間記錄為抗燒時間。當泡沫中添加了固體微粒形成三相泡沫滅火劑后，可能會出現抗燒罐內汽油燃盡自熄，而油盤油面始終沒有燃燒的現象，這種情況下記錄抗燒罐內汽油燃盡自熄的時間為抗燒時間。

圖1 泡沫抗燒性能檢測試驗裝置

2 結果與討論

2.1 三種固體微粒對三相泡沫滅火劑起泡性能的影響

2.1.1 膨脹?；⒅?/p>

圖2為膨脹玻化微珠的濃度對三相泡沫發泡性能的影響。當泡沫中膨脹玻化微珠的濃度為0～0.2 g·mL-1時，隨著微粒濃度的增大，發泡倍數緩慢增加，從5.01增加到5.16，發泡倍數達到最大值；當膨脹?；⒅闈舛瘸^0.2 g·mL-1時，三相泡沫的發泡倍數開始降低，尤其當微珠濃度超過0.3 g·mL-1時，發泡倍數急劇降低。這說明適量膨脹玻化微珠的加入有利于三相泡沫滅火劑發泡性能的提高，但濃度超過一定范圍時對三相泡沫的發泡性能不利。

圖2 膨脹玻化微珠的濃度對三相泡沫發泡性能的影響

2.1.2 滑石粉

圖3為滑石粉的濃度對三相泡沫滅火劑發泡倍數的影響。當添加適量片狀滑石粉微粒時，能夠提高泡沫液的發泡性能，且三相泡沫的發泡倍數隨滑石粉的濃度增加而增大。沒有添加滑石粉的泡沫發泡倍數為5.01，當滑石粉濃度大于0.05 g·mL-1時，發泡倍數逐漸增加，當滑石粉濃度達到0.3 g·mL-1時，三相泡沫的發泡倍數為5.12，達到最大值。但是如果滑石粉濃度太大，超過0.3 g·mL-1時發泡倍數反而降低，滑石粉濃度為0.6 g·mL-1時，發泡倍數僅為4.60。

圖3 滑石粉添加量對發泡性能的影響

2.1.3 硅灰石粉

圖4為改性硅灰石粉的濃度對三相泡沫滅火劑發泡倍數的影響。三相泡沫的發泡倍數隨硅灰石粉的濃度增加而增大，沒有添加硅灰石粉的泡沫發泡倍數為5.01，隨著硅灰石粉濃度增大發泡倍數逐漸增加，當微粒的濃度達到0.2 g·mL-1時，三相泡沫的發泡倍數為5.12，但是硅灰石粉濃度繼續增大時發泡倍數反而降低，硅灰石粉濃度為0.6 g·mL-1時，發泡倍數僅為4.15。

圖4 硅灰石粉添加量對發泡性能的影響

綜合分析三種固體微粒濃度對三相泡沫發泡倍數的影響，發現微粒濃度較低時三相泡沫的發泡倍數隨微粒濃度增加而增大，當微粒濃度較大時三相泡沫的發泡倍數會隨濃度的增加顯著降低。

2.2 三種固體微粒對三相泡沫滅火劑析液時間的影響

圖5為膨脹?；⒅?、滑石粉和硅灰石粉濃度對三相泡沫15%析液時間的影響。未添加固體微粒泡沫滅火劑15%析液時間為6.4 min，當膨脹玻化微珠濃度為0.3 g·mL-1時，15%析液時間為9.2 min，滑石粉濃度為0.3 g·mL-1時，15%析液時間為8.9 min，含硅灰石粉三相泡沫的15%析液時間明顯優于前兩類三相泡沫，這與硅灰石微粒的形狀有關，纖維狀硅灰石粉在泡沫及液膜中都形成了復雜的三維網狀結構，對液體的析出產生了非常大的阻礙作用。三相泡沫中析出的15%的液體主要是重力作用下析出的自由水，泡沫體系中微粒數量多，導致析液通道延長，是影響15%析液時間的主要因素。

圖5 微粒濃度對15%析液時間的影響

圖6為膨脹?；⒅?、滑石粉和硅灰石粉濃度對三相泡沫25%析液時間的影響。未添加固體微粒泡沫滅火劑25%析液時間為7.9 min，添加固體微粒后均比相應三相泡沫25%析液時間延長更多，其中含膨脹?；⒅楹突鄣娜嗯菽?5%析液時間交叉上升。含硅灰石粉三相泡沫在濃度為0.2 g·mL-1時25%析液時間也出現了一次交叉，原因可能是在這個階段析液速度受微粒數量和泡沫黏度等因素影響越來越大，析液時間是多種因素共同作用的結果。

圖6 微粒濃度對25%析液時間的影響

圖7為膨脹玻化微珠、滑石粉和硅灰石粉濃度對三相泡沫50%析液時間的影響，含硅灰石粉三相泡沫50%析液時間在各個濃度下均明顯優于含膨脹?；⒅楹突廴嗯菽椅鲆簳r間延長更多。從這個階段開始，大部分自由水已經基本析出，接下來是微粒間滯留的水在重力作用下析出，此時速度已經很慢，泡沫體系的黏度和結構影響更為重要[8]，含纖維狀硅灰石粉三相泡沫的三維網狀結構更加有利于泡沫的穩定性。

圖7 微粒濃度對50%析液時間的影響

試驗中利用光學顯微鏡觀察了三相泡沫的微觀結構，圖8為加入膨脹?；⒅楹突坌纬傻娜嗯菽?。膨脹玻化微珠提高泡沫穩定性主要是由于泡沫中添加膨脹?；⒅楹?，泡沫體系的表觀黏度增加，過大的粘滯阻力阻礙了泡沫液的自由流動，同時液體的析出通道由于微粒的加入以及大量小氣泡的生成而變得蜿蜒崎嶇，因此析液時間延長。

滑石粉在氣泡間液膜內聚集非常明顯，大量的滑石粉聚集在液膜內使液膜非常厚，氣泡尺寸減小而數量增多，滑石粉在氣泡間液膜內的聚集形成了保護氣泡的堅硬外殼，如圖8(b)所示。這些硬殼間的空間位阻效應阻礙了氣泡的聚并，而且在整個觀察過程發現這些氣泡的形狀始終保持不變，不易破裂，堅硬外殼的保護同時也抑制了氣泡間氣體的擴散，使形成的三相泡沫體系穩定性提高。

圖8 加入微粒三相泡沫結構

圖9為加入硅灰石粉形成的三相泡沫，當加入纖維狀的硅灰石粉后，通過攪拌形成的泡沫呈立體的網狀結構，這種網狀結構不僅表現為網狀的泡沫結構，液膜中的纖維狀硅灰石微粒也表現為相互纏繞交叉，呈現一定的網狀結構。纖維狀微粒在液膜中不是單層存在的，也不是沿同一方向排列，而是像頭發絲一樣相互交叉、纏繞、重疊，并牢牢鎖住液膜的水分。這種網狀結構是非常堅固的，液膜中的纖維狀微粒不易移動或者受到擠壓，因此，整個泡沫體系更加穩定。

圖9 加入硅灰石粉三相泡沫結構

2.3 三種固體微粒對三相泡沫滅火劑抗燒性能的影響

在抗燒性試驗中，抗燒罐內汽油燃燒導致環繞抗燒罐的泡沫溫度升高，在熱沖擊的作用下抗燒罐周圍最近的泡沫迅速破裂，出現裂縫而無法完全覆蓋油面，抗燒罐內的火首先將引燃裂縫中暴露出來的汽油。裂縫周圍的泡沫不斷被破壞，縫隙逐漸擴大，油盤著火范圍不斷擴大，當達到一定程度時，火苗會突然引燃油盤邊緣的油面。最終，隨著泡沫的完全破裂，油盤全面起火，如圖10所示。

圖10 抗燒試驗過程

圖11為三相泡沫滅火劑抗燒試驗后泡沫的光學顯微照片，距離抗燒罐較遠處泡沫結構變化不明顯。而在抗燒罐周圍的泡沫雖然在受熱以后發生了一定程度的破壞，但從微觀結構上看仍然是比較穩定的。由此可見，固體微粒的存在顯著提高了泡沫滅火劑的抗燒性能。即使泡沫破裂，含有固體微粒的三相泡沫的骨架結構仍然穩定存在，并能在燃燒物表面迅速形成一層固體覆蓋膜[9]，該膜具有比普通泡沫更強的覆蓋隔熱作用，在熱輻射的作用下，泡沫中液體迅速蒸發導致泡沫層高度降低，并在燃料表面形成致密的覆蓋層，該覆蓋層的隔熱作用更強[10]。

圖11 三相泡沫滅火劑抗燒試驗后泡沫的光學顯微照片

分別添加膨脹玻化微珠、滑石粉和硅灰石粉形成的三相泡沫滅火劑抗燒性能試驗結果對比如圖12所示。兩相水成膜泡沫滅火劑的抗燒性比較差，大約15.9 min失去抗燒性，導致油盤全面起火，添加固體微粒后形成的三相泡沫滅火劑均比不添加微粒的兩相泡沫滅火劑抗燒性好。當固體微粒濃度達到一定范圍，抗燒罐內燃油燃盡也未引燃油盤中的汽油，并在50 min左右燃油燃盡自熄。添加滑石粉和膨脹?；⒅樾纬傻娜嗯菽瓬缁饎┛篃员容^接近，當添加量為0.4 g·mL-1時，抗燒罐內的燃油才沒有引燃油盤，但是固體微粒濃度較低時，含滑石粉泡沫滅火劑較含膨脹?；⒅榕菽瓬缁饎┛篃院?。而含硅灰石粉泡沫滅火劑抗燒性明顯優于含滑石粉泡沫滅火劑和含膨脹玻化微珠泡沫滅火劑，濃度為0.1 g·mL-1的含硅灰石粉泡沫滅火劑抗燒時間比濃度為0.3 g·mL-1的含膨脹?；⒅榕菽瓬缁饎┖秃叟菽瓬缁饎╅L，當含硅灰石粉濃度為0.3 g·mL-1時，抗燒罐內的汽油就會自熄，而不引燃油盤。

圖12 微粒濃度對抗燒時間的影響

添加固體微粒后抗燒性出現不同情況的原因主要是微粒加入后形成的三相泡沫的結構不同，如圖13所示。雖然膨脹玻化微珠密度很低，能夠很好地漂浮在汽油表面，覆蓋率很高，但是燃油的熱沖擊會使泡沫層出現裂縫，由于膨脹?；⒅槌叽巛^大，裂縫也較大，由于球形微粒間的作用力較小，微粒發生移動對裂縫進行修復比較困難，裂縫將會越來越大，最終暴露的汽油被引燃?；垭m然密度較大，但其為片狀且微粒尺寸較小，因此易于浮在油面，并且燃油受熱以后形成的裂縫也較小，附近的泡沫容易發生移動對裂縫處進行修復，使其重新覆蓋油面，所以抗燒時間比含膨脹玻化微珠滅火劑長。硅灰石粉是纖維狀微粒，形成泡沫后纖維狀的硅灰石粉像頭發絲一樣相互交叉、纏繞、重疊，牢牢鎖住液膜的水分，這種網狀結構非常堅固，形成的覆蓋層受熱很難出現裂縫，即使出現小的裂縫，纖維狀微粒間的相互作用會使裂縫周圍的泡沫迅速發生移動進行補充，能夠使小裂縫迅速得到修復。因此，含硅灰石粉泡沫滅火劑抗燒性比含膨脹?；⒅楹秃叟菽瓬缁饎┒己?。

3 結論

3.1 固體微粒的加入能夠顯著提高水成膜泡沫滅火劑的穩定性，且泡沫的穩定性隨固體微粒濃度的增大持續增加，纖維狀微粒提高泡沫穩定性的效果最好。當硅灰石粉的濃度超過0.2 g·mL-1時，泡沫的排液速度隨添加硅灰石粉的濃度增大顯著延長，當硅灰石粉含量為0.6 g·mL-1時，50%析液時間達到了38.0 min。

圖13 三種含固體微粒泡沫滅火劑微觀結構

3.2 含硅灰石粉泡沫滅火劑的抗燒性明顯優于含滑石粉泡沫滅火劑和含膨脹?；⒅榕菽瓬缁饎瑵舛葹?.1 g·mL-1的含硅灰石粉泡沫滅火劑抗燒時間比濃度為0.3 g·mL-1的含膨脹?；⒅榕菽瓬缁饎┖秃叟菽瓬缁饎╅L。當纖維狀硅灰石粉濃度為0.3 g·mL-1時，抗燒罐內的燃油燃盡自熄而不引燃油盤，獲得了很好的抗燒效果。

3.3 纖維狀硅灰石粉提高三相泡沫滅火劑的穩定性和抗燒性的效果最好，這與泡沫的網狀結構密切相關。纖維狀微粒在液膜中像頭發絲一樣相互交叉、纏繞、重疊，并牢牢鎖住液膜的水分，整個泡沫體系更加穩定，形成的覆蓋層受熱也很難出現裂縫，即使出現了小的裂縫，纖維狀微粒間的相互作用會使裂縫周圍的泡沫迅速發生移動進行補充，小裂縫還沒有變大就得到了修復。