水成膜泡沫灭火剂性能的实验室测定方法_肖进新

普通表面活性剂 (碳氢表面活性剂 )分子的碳氢链 中的氢原子部分或全部被氟原子取代形成的一类 特种表面活性剂 [ 4 ] ,是目前所有表面活性剂中表 面活性最高的一类 ,其最突出的性质之一是它能 把水的表面张力降到很低 ,以致水溶液可在油面 上铺展形成一层水膜 ,从而可封闭油面 ,达到灭火 目的 [ 527 ] 。
水膜对油面的密封性能与下面因素有关 : ( 1) 水膜和泡沫的厚度 (铺展量 ) ; ( 2 )水膜和泡沫的 粘度 ; (3)泡沫的析液速度 ; ( 4 )水膜的自修复能 力 ; (5)泡沫的稳定性 。 114 抗复燃 (抗烧 )性能
灭火后 ,欲防止复燃 ,要求泡沫具有良好的抗 烧性能 。抗烧性能首先取决于泡沫对油面的密封 性能 ,因此凡是有利于密封性能的因素都有利于 其抗烧 性 。其 次 , 抗 烧 性 能 还 取 决 于 泡 沫 的 稳 定性 。
个因素展开讨论 。
111 铺展性能
AFFF的实质是泡沫水溶液在油面上的铺展 ,
因此 ,能否铺展是灭火的先决条件 。从化学热力
学的角度 ,欲使泡沫溶液在油面上铺展 ,必须满足
铺展条件 ,即铺展系数大于零 [ 3 ] :
Sa / b
=
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
γ b
-
(γa +γa / b )
>0
(1)
式中 Sa / b 为铺展系数 。γa 、γb 、γa /b 分别为泡
表征 AFFF性能最好的方法是实际灭火试验 。 但一般单位受实验条件和经费的限制 ,不可能经 常做灭火试验 。在配方研制过程中 ,每一种添加 剂的加入 、浓度的改变等都会影响到灭火性能 ,但 不可能每次都通过实际灭火试验来验证 。此外 , 每一次灭 火 试 验 都 将 带 来 环 境 污 染 及 安 全 等 问 题 。为此 ,需寻找一套实验室表征灭火性能的参 数 。在前文 [ 8 ]中 ,我们讨论了 AFFF国家标准 GB 17427中一些值得商榷之处 ,并提出了修改建议 。 本 文 根 据 AFFF 的 灭 火 原 理 , 结 合 作 者 对 GB 17427的修改建议和作者对 AFFF 配方研究的结
泡沫液的铺展速度和析液性能与泡沫液的粘 度有关 。单从铺展速度考虑 ,粘度应低一些 ,但粘 度太低则泡沫析液速度太快 。而粘度太高 ,不仅 影响铺展速度 ,而且会使析液速度太慢而不能及 时补充水膜的蒸发 。因此应综合这两方面的因素 选择泡沫液的粘度 。
灭火后 ,欲防止复燃 ,要求泡沫具有很好的稳 定性 。泡沫的稳定性与泡沫液的表面张力 、泡沫 液的粘度等因素有关 。
由上所述 ,表征泡沫性能的参数主要有四个 : 即发泡倍数 、泡沫稳定性 、泡沫液析液速度和泡沫 液粘度 。其中除泡沫稳定性外 ,其它三个参数均 不能太高或太低 。 113 水膜对油面的密封性能
A FFF是利用 水 膜 对 油 面 的 密 封 作 用 达 到 灭 火目的 。因此 ,水膜对油面的密封性能对灭火性 能有很大的影响 ,而且密封性能决定了水成膜泡 沫灭火剂的抗烧性能 。抗烧性是水成膜泡沫灭火 剂的一个非常重要的性能指标 。
单用铺展系数的测定表征铺展性能是不确切的 ,
必须通过直接测定泡沫水溶液在油面上的铺展 。
一个基本判据是 :能铺展则一定满足铺展条件 ,即
收稿日期 : 2007209228;修回日期 : 2008203220 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (20573007) 联系人简介 :肖进新 (19632) ,男 ,博士 ,副教授 ,主要从事胶体与界面化学研究 。 Email: xiaojinxin@pku1edu1cn
(11北京大学化学与分子工程学院 ,北京 100871; 21北京市消防科学研究所 ,北京 100035;
31北京氟乐邦表面活性剂技术研究所 ,北京 100080)
关键词 :水成膜泡沫灭火剂 ;表面活性剂 ;氟碳表面活性剂 ;铺展 中图分类号 : TU99811 文献标识码 : A
水 成 膜 泡 沫 灭 火 剂 ( aqueous film 2form ing foam , AFFF)是一类能够在烃类液体表面形成水膜 的泡沫灭火剂 [ 122 ] 。在目前用于扑灭油类火灾的
果 ,提出简单 、可行的 AFFF灭火性能的实验室评 价方法 。
1 影响 AFFF灭火性能的主要因素
根据 AFFF的灭火原理 , AFFF的灭火作用主
要依赖于泡沫水溶液在油面上铺展形成水膜 ,从
而封闭油面 ,使油与空气隔绝 。因此 ,泡沫水溶液
在油面上的铺展性能和水膜对油面的密封性能即
为决定灭火性能的两个关键因素 。下面将就这两
在上述参数中 ,有些参数是独立的 ,有些是重 复的 ,而有些是可以合并的 。因此 ,我们把上述参 数归纳为以下几个 : (1)水溶液能否在油面上迅速 铺展 ; (2)铺展量 ; ( 3 )发泡倍数 ; ( 4 )泡沫液析液 速度 ; (5)泡沫稳定性
在这几个参数中 ,水溶液能否在油面上迅速 铺展即将铺展能力 (铺展系数 ) 和铺展速度合并 了 ,泡沫液析液速度和泡沫稳定性即包含了泡沫 的粘度在内 。因此通过测定上述 5 个参数 ,我们 就可以比较全面的评价 AFFF的灭火性能 。
由于重力作用 ,水溶液在油面上的铺展只能 是很薄的一层 。若单靠这层水膜很难把火扑灭 。 因此 ,需将“轻水 ”制成泡沫 。由于泡沫的密度小 于水 ,因而可在油面上形成厚的泡沫层 。泡沫层 与水膜共同封闭油面 。
在油燃烧时 ,初期形成的水膜会迅速蒸发 ,需 要从泡沫中不断析出水 ,形成新的水膜 。这样又 涉及到发泡倍数和泡沫的析液时间 。
第202008卷年第5月5期
化学研究与应用 Chem ical Research and App lication
Vol. 20, No. 5 M ay, 2008
文章编号 : 100421656 (2008) 0520569204
水成膜泡沫灭火剂性能的实验室测定方法
肖进新 1, 3 ,高 展 2 ,王明皓 2 ,崔荣华 2
3 )泡沫稳定性 将振摇后的试管静置 ,去掉塞子 ,记录泡沫消 失一半和泡沫基本完全消失的时间 。上述操作可 在同一试管中一次完成 。可同时用三个试管测 定 ,取三次的平均值 。 上述测定可通过与商品 AFFF做比较试验 ,判 断所测 AFFF的灭火性能 。 据我们的经验 ,一般经上述测定 ,即可比较全 面的评价 AFFF的灭火性能 。 若需进一步验证 ,还可以用下面方法简单评 价水膜对油面的密封性能 。 313 水膜对油面的密封性能 我们实验室试验水膜对油面的密封性能的方 法如下 :在直径 4 cm 的烧杯中盛放 30 mL 橡胶工 业用溶剂油或 90 #车用汽油 ,用注射器将 011 mL 氟碳表面活性剂水溶液滴加到油表面 ,在离油面 1 cm 高度处过明火 ,观察油是否被点燃 。记录油能 被点燃的时间 tb 。tb 越大 ,水膜对油面的密封性能 越好 。 需要指出的是 ,由于表 (界 )面张力与温度有 关 ,水膜对油面的密封性能与温度和相对湿度有 关 。因此铺展性能和密封性能的测定应在指定的 温度和湿度范围进行 。可用空调控制室温 ,用加 湿机和除湿机控制室内相对湿度 。
1)铺展时间 :从液滴与油表面接触至变成液 膜的时间 ,用 ts 表示 。以铺展时间小于 015 s作为 迅速铺展的标准 。
2)铺展量 :在同一位置滴加水溶液 (5 s加 1 滴 ) ,出现第 1滴水溶液下沉所加入的水溶液的体 积 ,用 Vs 表示 。
上面参数中 , ts 越小 , Vs 越大 ,铺展性能越好 。 可以看出 ,铺展性能的测定非常简单 ,不需要 特殊的仪器设备 ,而且容易操作 。更重要的是 ,更 接近于灭火剂的实际情况 。 312 泡沫性能的测定 测定 泡沫 性能 常用 的 方 法 是 Ross2M ile 法 。 可参考“GB / T 762421994,表面活性剂发泡力的测 定 :改进的 Ross2M ile法 ”和“GB / T 131731621991, 洗涤剂发泡力的测定 ( Ross2M ile)法 ”。 Ross泡沫 仪有刻度 ,可以测定发泡倍数 、泡沫稳定性和 25% 析液时间 。而且利用 Ross泡沫仪的夹层通水可控 制温度 。 若无 Ross泡沫仪 ,也可粗略地用下面方法代 替 :取 100 mL 刻度具塞试管 (或量筒 ) ,直径约 215 厘米 。加入一定体积 ( Vl ) AFFF 预混液 ,盖紧塞 子 ,用力振摇 ,直到泡沫高度基本不再变化为止 。 记录下面数据 : 1) 泡 沫 体 积 ( Vp ) 。用 下 式 计 算 发 泡 倍 数 (α ) :
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化学研究与应用
第 20卷
铺展系数一定大于零 。但铺展系数大于零并不一 定能观察到明显的铺展 (若铺展速度太慢 ) 。
在泡沫水溶液能够在油面上迅速铺展的前提 下 ,决定灭火速度的主要因素就是铺展量 。氟碳 表面活性剂水溶液能在油面上铺展 ,表面上看来 似乎是水溶液变轻了 ,故而早期一直将其称为“轻 水 ”,此类灭火剂相应的叫做“轻水泡沫灭火剂 ”。 但实际上并非水变“轻 ”,而是由于表面张力和界 面张力的综合作用在油水界面给水溶液一个力将 水“托 ”了起来 。但毕竟水的密度比油大 ,当水溶 液铺展到一定量时 ,重力的作用将导致水溶液开 始下沉 。铺展量可定义为在烃油表面积一定时 , 泡沫水溶液在油面上能够铺展的最大体积 ,或单 位面积油面上泡沫水溶液能够铺展的最大体积 。 对于不同的泡沫水溶液 , 其铺展量是不一样的 。 从实际灭火的角度 ,要求铺展量越大越好 。
第 5期
肖进新等 :水成膜泡沫灭火剂性能的实验室测定方法
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3 灭火性能的测定方法
上面五个参数都可以在普通条件下很方便的 测定 。 311 铺展性能的测定
实验室测定铺展的方法非常简单 ,以我们实 验室测定铺展的实验为例 : 在直径为 1415 cm 的 表面皿中盛放 100 mL橡胶工业用溶剂油或 90#车 用汽油 (所用油应与国家固定灭火系统和耐火构 件质量监督检验中心实际灭火测试一致 ) ,用注射 器 (针头直径已准确测定 )将 AFFF预混液 (无泡 沫 )滴加到油表面 ,观察铺展情况 。观察时应使视 线与油面相平 。记录以下 3个参数 。