2.3溫度對發(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性和流動性，因此泡沫性能對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)保持在一個合理的范圍，在能夠覆蓋火焰的同時保持良好的流動性。因此，研究單一組分的發(fā)泡倍數(shù)和25%析液時間對其應(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較弱。對于25%析液時間，如圖6所示，則是隨著溫度的升高而略有減小。這主要是因為升高溫度會影響表面活性劑分子在液體表面的排列和聚集狀態(tài)，分子熱運動加劇導(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%析液時間隨溫度的變化

在相同溫度下對比，親水基團(tuán)的不同對其發(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，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。目前就析液時間的評價標(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)會規(guī)定25%析液時間應(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時對應(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更優(yōu)，其cmc可低至2.21 mmol/L，γcmc最低為16.28 mN/m。通過對比飽和吸附量，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，在低溫時發(fā)泡倍數(shù)較低，高于20℃后增加不明顯。25%析液時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，溫度較高時泡沫的穩(wěn)定性相對較弱。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，尤其是在低溫下對發(fā)泡性能的影響較為顯著，可能會影響低溫環(huán)境中水成膜泡沫滅火劑的使用，若實際應(yīng)用需對泡沫液組分進(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。