2.3溫度對(duì)發(fā)泡性能的影響

為了更好的控制火災(zāi)，就需要滅火劑兼?zhèn)涓采w性和流動(dòng)性，因此泡沫性能對(duì)水成膜泡沫滅火劑的效果有重要影響。泡沫的平均密度隨著泡沫膨脹的增大而減小，使泡沫形成的絕緣層有效地阻斷了燃油和氧氣，造成窒息效應(yīng)。從泡沫中排出的溶液在火焰的高溫下蒸發(fā)，吸收熱量的同時(shí)也降低了火焰上方的氧氣濃度。此外，泡沫中析出的溶液能夠持續(xù)維持其覆蓋作用，并且使泡沫不易破裂。然而發(fā)泡倍數(shù)并不是越高越好，應(yīng)當(dāng)保持在一個(gè)合理的范圍，在能夠覆蓋火焰的同時(shí)保持良好的流動(dòng)性。因此，研究單一組分的發(fā)泡倍數(shù)和25%析液時(shí)間對(duì)其應(yīng)用于滅火劑復(fù)配體系中具有重要意義。

在0~40℃下研究了溫度對(duì)甜菜堿氟碳表面活性劑的發(fā)泡倍數(shù)的影響，變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，發(fā)泡倍數(shù)隨溫度增加出現(xiàn)了先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，基本都在20℃時(shí)達(dá)到了最大發(fā)泡倍數(shù)，說明在20~40℃范圍內(nèi)這些表面活性劑的發(fā)泡性能對(duì)于溫度具有低敏感性。但是在低溫下，各表面活性劑的發(fā)泡倍數(shù)出現(xiàn)了顯著減小的情況。C4-Ac的發(fā)泡倍數(shù)在常溫可接近6倍，但在溫度為0℃時(shí)低至3.9倍。這主要是由于低溫下溶液表面張力較大，需要較大的能量來增加氣泡的表面積，形成泡沫的能力相對(duì)較弱。對(duì)于25%析液時(shí)間，如圖6所示，則是隨著溫度的升高而略有減小。這主要是因?yàn)樯邷囟葧?huì)影響表面活性劑分子在液體表面的排列和聚集狀態(tài)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇導(dǎo)致分子間的作用力減弱，從而破壞原有的分子層結(jié)構(gòu)。溫度升高還會(huì)加快液體的蒸發(fā)速度，降低溶液的表面張力，進(jìn)而影響泡沫的穩(wěn)定性。此外，從圖中還可看出C4-Ac的25%析液時(shí)間高于其他兩種表面活性劑，主要是由于其分子吸附面積較小，導(dǎo)致液膜表面分子排列更加緊密，從而降低泡沫液膜析液速率，增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性。

圖5 C4-Ac、C4-sa和C4-pa發(fā)泡倍數(shù)隨溫度的變化

圖6 C4-Ac、C4-sa和C4-pa的25%析液時(shí)間隨溫度的變化

在相同溫度下對(duì)比，親水基團(tuán)的不同對(duì)其發(fā)泡性能參數(shù)存在一定的影響，其中C4-sa的發(fā)泡能力較強(qiáng)，其發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到了6.9，這與表面張力的趨勢一致。此外，一般水成膜泡沫滅火劑的適用發(fā)泡倍數(shù)應(yīng)大于6，然而從圖中可知，在0℃下三種表面活性劑的發(fā)泡倍數(shù)均未滿足要求。這是由于本研究中的三種表面活性劑均為短碳氟鏈，相對(duì)于長碳氟鏈的泡沫性能較差，與碳?xì)浔砻婊钚詣┫啾?，氟碳表面活性劑的發(fā)泡性能也較差。目前就析液時(shí)間的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)而言，關(guān)于AFFF的國標(biāo)中尚未明確要求，美國國家防火協(xié)會(huì)規(guī)定25%析液時(shí)間應(yīng)大于2.25 min。因此，若要使用環(huán)保性較好的C4系列表面活性劑，可以與其他表面活性劑復(fù)配后使用。課題組前期對(duì)氟碳和碳?xì)浔砻婊钚詣┑膹?fù)配進(jìn)行了研究，得出添加等摩爾量的己烷磺酸鈉能夠產(chǎn)生較好的協(xié)同作用。因而研究了0℃下C4-sa與己烷磺酸鈉1∶1復(fù)配后的泡沫性能，發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到6.3倍，25%析液時(shí)間為2.71 min，且能夠在95#汽油上鋪展。結(jié)果表明，復(fù)配后表面活性劑溶液的發(fā)泡倍數(shù)和25%析液時(shí)間均超過了6倍和2.5 min，已滿足標(biāo)準(zhǔn)使用要求。

3結(jié)論

1）三種甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑的cmc隨溫度的升高而略有增大，在cmc時(shí)對(duì)應(yīng)的最低表面張力隨溫度的升高而減小。各表面活性劑在不同溫度下均表現(xiàn)出較好的表面活性（cmc<4.45 mmol/L，γcmc<22.19 mN/m）。其中C4-sa溶液的表面活性相對(duì)更優(yōu)，其cmc可低至2.21 mmol/L，γcmc最低為16.28 mN/m。通過對(duì)比飽和吸附量，各表面活性劑溶液的飽和吸附量隨溫度的升高而減小。

2）在三種烴類燃油表面，各甜菜堿氟碳表面活性劑的S均為正值，說明均具備在燃油表面的鋪展能力。隨溫度逐漸升高，鋪展系數(shù)有所增大，溫度高于20℃后鋪展系數(shù)的大小趨于平緩。此外，三種表面活性劑中C4-sa的鋪展能力最優(yōu)，且在燃油表面的鋪展速率最快，與表面張力大小趨勢一致。

3）各表面活性劑的發(fā)泡倍數(shù)隨溫度的升高而增大，在低溫時(shí)發(fā)泡倍數(shù)較低，高于20℃后增加不明顯。25%析液時(shí)間隨溫度的升高而略有減小，由于分子間作用力減弱以及液體蒸發(fā)速度加快，溫度較高時(shí)泡沫的穩(wěn)定性相對(duì)較弱。與己烷磺酸鈉之間的協(xié)同作用能夠提高發(fā)泡性能，在低溫下混合溶液的發(fā)泡倍數(shù)可至6.3倍。

4）總體而言，溫度對(duì)甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑的理化性能存在一定的影響，尤其是在低溫下對(duì)發(fā)泡性能的影響較為顯著，可能會(huì)影響低溫環(huán)境中水成膜泡沫滅火劑的使用，若實(shí)際應(yīng)用需對(duì)泡沫液組分進(jìn)行復(fù)配。三種氟碳表面活性劑中接枝磺酸基團(tuán)的理化性能相對(duì)較好，可以考慮進(jìn)一步復(fù)配應(yīng)用于水成膜泡沫滅火劑。