水成膜泡沫滅火劑性能的測(cè)定

劉 平，姜塍林，竇增培，葛 峰，姜紅紅，何學(xué)昌

(1.杭州市消防救援支隊(duì)，浙江 杭州 311106;2.浙江睦田消防科技開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 杭州 311106;3.浙江清華長(zhǎng)三角研究院杭州分院智慧消防應(yīng)用中心，浙江 杭州 310019)

0 引言

水成膜泡沫滅火劑(aqueous film-forming foam, AFFF)通常由氟表面活性劑、碳?xì)浔砻婊钚詣┖推渌鷦┙M成，能夠在可燃液體表面形成一層水膜。AFFF在電力系統(tǒng)有著重要應(yīng)用，可應(yīng)用于變壓器設(shè)備、電纜隧道、電動(dòng)車充電站、發(fā)電廠鍋爐重油系統(tǒng)、油庫(kù)等場(chǎng)所。隨著發(fā)電及輸配電設(shè)備規(guī)模和數(shù)量的快速增長(zhǎng)，研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用適用于上述場(chǎng)所的AFFF，對(duì)保證設(shè)備安全運(yùn)行、控制火災(zāi)影響范圍、降低火災(zāi)事故損失有著重要意義。

AFFF的核心組分為氟表面活性劑，其生產(chǎn)和使用需遵循《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》及其相關(guān)議定書(shū)的規(guī)范[1-2]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外正在逐步限制乃至禁止長(zhǎng)鏈氟碳化合物的生產(chǎn)和使用(如PFOS/PFOA等)，且應(yīng)用于滅火劑領(lǐng)域的長(zhǎng)鏈氟表面活性劑也在禁限用之列。目前，國(guó)內(nèi)缺乏自主生產(chǎn)PFOS/PFOA類氟表面活性劑替代產(chǎn)品的能力，一些廠家依賴進(jìn)口氟碳表面活性劑(如科慕Forafac?1157/1157N等)進(jìn)行AFFF的生產(chǎn)，受國(guó)際關(guān)系、貿(mào)易限制等影響較大。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效環(huán)保型AFFF迫在眉睫。

2005年至今，學(xué)術(shù)界一直在探討我國(guó)新一代AFFF的發(fā)展方向[3]，一是以電解氟化產(chǎn)物衍生化得到的短鏈氟表面活性劑作為AFFF的核心組分;二是以調(diào)聚法產(chǎn)物衍生化得到的氟表面活性劑為AFFF的核心組分。近期，國(guó)內(nèi)在這兩個(gè)方向的研究上均取得了一定成果。

本研究涉及的是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MTC601型短鏈氟表面活性劑，具有優(yōu)異的表面活性和泡沫性能，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了4種AFFF產(chǎn)品。下面針對(duì)MT-C601和4種AFFF的表面活性、泡沫性能、滅火性能和腐蝕性等開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和分析[4-5]。

1 AFFF滅火機(jī)理

AFFF滅火機(jī)理主要體現(xiàn)在隔氧窒息作用、輻射熱阻隔作用和吸熱冷卻作用等幾個(gè)方面。AFFF施放到可燃有機(jī)液體表面后，隨著泡沫在液面的鋪展會(huì)迅速形成一層水膜，能有效保護(hù)泡沫、提高泡沫的封閉性能，使燃燒物和空氣中的氧氣隔絕，起到隔絕助燃物的效果。此外，在撲救極性有機(jī)液體火災(zāi)中，AFFF還可在液體表面形成一層聚合物薄層。該聚合物層不溶于有機(jī)液體，起到更好的隔絕作用，同時(shí)能進(jìn)一步提高泡沫的穩(wěn)定性。

2 AFFF分類

根據(jù)泡沫濃縮液的耐離子性能，可分為耐海水型AFFF和淡水型AFFF。根據(jù)是否能夠滅救醇、醚、酯、酮、醛等可燃極性溶劑火災(zāi)，可分為抗溶型AFFF和非抗溶型AFFF；根據(jù)使用時(shí)泡沫液稀釋比例的不同，又可分為3 %型AFFF和6 %型AFFF。

3 AFFF性能測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

根據(jù)GB 15308—2006《泡沫滅火劑》標(biāo)準(zhǔn)所述方式，測(cè)試AFFF泡沫溶液和MT-C601型氟表面活性劑水溶液的表面張力、界面張力和擴(kuò)散系數(shù)，各AFFF泡沫溶液發(fā)泡倍數(shù)和25 %析液時(shí)間，各AFFF泡沫溶液滅火性能，以及各AFFF泡沫溶液對(duì)鋼片和鋁片的腐蝕率。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 表面活性測(cè)試

表面活性是決定AFFF能否在油面自發(fā)鋪展、形成水膜抑制油氣揮發(fā)的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到AFFF的滅火效能[6-8]。MT-C601型氟表面活性劑水溶液的表面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，隨著MTC601質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水溶液表面張力逐步降低，最終在0.1 %處達(dá)到最低值，說(shuō)明MT-C601的臨界膠束濃度在0.1 %左右，該結(jié)果可指導(dǎo)AFFF中MT-C601的用量。

表1 MT-C601型氟表面活性劑水溶液的表面張力

以MT-C601為核心組分的4種AFFF的表面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由于AFFF中加入了碳?xì)浔砻婊钚詣l(fā)泡劑、聚合物等，使得同等濃度下AFFF的表面張力較MT-C601水溶液略高，但仍能保證AFFF溶液在有機(jī)液體表面自發(fā)鋪展，表2中界面張力和擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

表2 各AFFF的表面張力、界面張力及擴(kuò)散系數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)S=γc-γf-γi，其中γc為環(huán)己烷表面張力(20 ℃下為24 mN/m)；γf為泡沫溶液表面張力；γi為泡沫溶液與環(huán)己烷之間的界面張力。擴(kuò)散系數(shù)為正值的泡沫溶液滿足在油面鋪展的熱力學(xué)條件，可在油面實(shí)現(xiàn)自發(fā)鋪展。表2所示的擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果表明，基于MT-C601的4種AFFF均可在油面自發(fā)鋪展。

3.2.2 AFFF發(fā)泡倍數(shù)和25 %析液時(shí)間測(cè)試

發(fā)泡倍數(shù)是泡沫體積與構(gòu)成該泡沫的泡沫溶液體積的比值，市售合成類AFFF產(chǎn)品的發(fā)泡倍數(shù)通常不小于5[9-10]。25 %析液時(shí)間是指泡沫中析出其質(zhì)量25 %的液體所需要的時(shí)間，該值過(guò)小或過(guò)大均會(huì)影響滅火效果，太小會(huì)導(dǎo)致泡沫迅速失水變成干泡影響流動(dòng)性能，太大則表明析水緩慢導(dǎo)致油面溫度下降變慢。GB 15308—2006《泡沫滅火劑》標(biāo)準(zhǔn)中并未提出發(fā)泡倍數(shù)和25 %析液時(shí)間的限值區(qū)間，只要求AFFF生產(chǎn)廠家提供相應(yīng)特征值。

以MT-C601為核心組分的4種AFFF的發(fā)泡倍數(shù)和25 %析液時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。各AFFF泡沫溶液發(fā)泡倍數(shù)均在7～9左右，高于合成類低倍數(shù)泡沫溶液常見(jiàn)值(5～6)。各AFFF的25 %析液時(shí)間在4～7 min內(nèi)，可很好地平衡滅火過(guò)程中泡沫流動(dòng)性和油面降溫兩方面的要求，為各AFFF具有良好的滅火效果奠定了基礎(chǔ)。

表3 各AFFF的發(fā)泡倍數(shù)和25 %析液時(shí)間

3.2.3 AFFF滅火性能測(cè)試

4種AFFF泡沫溶液滅火性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，各AFFF的滅火性能級(jí)別均達(dá)到Ⅰ級(jí)(滅火時(shí)間不超過(guò)3 min，強(qiáng)施放)，抗燒水平均達(dá)到A級(jí)(抗燒時(shí)間10 min及以上，強(qiáng)施放)。

表4 各AFFF滅火性能測(cè)試結(jié)果 單位：min

3.2.4 AFFF對(duì)鋼片和鋁片的腐蝕率測(cè)試

AFFF-6 %、AFFF/AR-3 %、AFFF/AR-6 %的腐蝕率指標(biāo)與AFFF-3 %接近，以AFFF-3 %為例分析腐蝕率測(cè)試結(jié)果及相關(guān)的研究成果。

AFFF-3 %對(duì)鋼片的腐蝕率為0.6 mg/(天·dm2)，對(duì)鋁片的腐蝕率為0.5 mg/(天·dm2)，均顯著低于GB 15308—2006《泡沫滅火劑》標(biāo)準(zhǔn)要求(小于等于15 mg/(天·dm2))。此外，AFFF-3 %稀釋液在不同pH值、不同鹽度下對(duì)鋼片和鋁片的腐蝕率測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖1、2，其中鹽度測(cè)試所用的鹽為氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣和硫酸鈉的無(wú)機(jī)鹽混合物，各無(wú)機(jī)鹽濃度均低于1 %。

圖1 AFFF-3 %腐蝕率隨pH值變化趨勢(shì)

由圖1可知，泡沫液在中性時(shí)腐蝕率最低，偏酸性或偏堿性時(shí)均會(huì)導(dǎo)致腐蝕率提高，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)(鐵離子或鋁離子混入泡沫液)，不利于產(chǎn)品的長(zhǎng)期保存。因此，各AFFF泡沫液的pH值均控制在7.0～7.5范圍內(nèi)，并添加有機(jī)緩沖劑、抑菌劑等組分減小pH值的波動(dòng)。

由圖2可知，AFFF對(duì)鋼片和鋁片的腐蝕率均隨鹽濃度提高而增大，減少泡沫液中無(wú)機(jī)鹽的用量對(duì)降低腐蝕率有重要作用。

圖2 AFFF-3 %腐蝕率隨鹽濃度變化趨勢(shì)

除上述指標(biāo)外，各AFFF產(chǎn)品的凝固點(diǎn)、抗凍融性、比流動(dòng)性、pH值及溫度敏感性等指標(biāo)均達(dá)到GB 15308—2006《泡沫滅火劑》標(biāo)準(zhǔn)中低倍泡沫液和泡沫溶液應(yīng)達(dá)到的要求。

4 結(jié)論

對(duì)4種AFFF的表面張力、界面張力、擴(kuò)散系數(shù)、發(fā)泡倍數(shù)、25 %析液時(shí)間、滅火時(shí)間、抗燒時(shí)間、腐蝕率等指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果表明，其各項(xiàng)性能達(dá)到并優(yōu)于GB 15308—2006《泡沫滅火劑》標(biāo)準(zhǔn)要求，是優(yōu)秀的消防產(chǎn)品；其腐蝕率測(cè)試結(jié)果表明，AFFF泡沫液中pH值呈中性或鹽度較低時(shí)腐蝕率較低。由此可見(jiàn)，MT-C601型短鏈氟表面活性劑表面活性優(yōu)異，可應(yīng)用于AFFF領(lǐng)域，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用意味著我國(guó)高環(huán)保AFFF具備了自主生產(chǎn)能力，可降低進(jìn)口依賴度。