多糖聚合物對(duì)環(huán)保型泡沫滅火劑理化性能的影響

康文東，徐志勝，丁發(fā)興，顏龍

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

泡沫滅火劑是目前撲救液體火災(zāi)最常用、最有效的方法[1-2]，其穩(wěn)定性在滅火過程中起著至關(guān)重要的作用。然而，泡沫作為熱力學(xué)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，會(huì)隨時(shí)間的推移而逐漸消失[3]。針對(duì)泡沫不穩(wěn)定的問題，研究者采用表面活性劑、固體顆粒和聚合物等來提高其穩(wěn)定性[4-7]。目前，添加多糖聚合物作為穩(wěn)泡劑提升泡沫穩(wěn)定性的重要方式之一，但關(guān)于多糖聚合物種類和濃度對(duì)泡沫滅火劑性能影響的研究較少[8-10]。

本文以黃原膠、海藻酸鈉和明膠為穩(wěn)泡劑制備環(huán)保型泡沫滅火劑，探討了多糖聚合物種類、濃度和配比對(duì)泡沫滅火劑粘度、起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響和規(guī)律，并揭示了多糖聚合物的穩(wěn)泡機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

α-烯烴磺酸鈉(AOS)、海藻酸鈉、黃原膠(純度≥99%)、明膠均為工業(yè)品；尿素、二乙二醇丁醚、乙二醇均為分析純；去離子水，阿拉丁試劑；磷酸酯兩性有機(jī)硅表面活性劑(PPSS)，自制。

NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；FA1004型電子分析天平；2151羅氏泡沫儀；析液測試裝置，自制；Lcd micro 5MP型顯微鏡。

1.2 環(huán)保型泡沫滅火劑的制備

將AOS和PPSS溶于去離子水中得到表面活性劑溶液。加入乙二醇和二乙二醇丁醚，再緩慢加入尿素和泡沫穩(wěn)定劑。最后，加入去離子水，充分混合，制得泡沫滅火劑，基本組成見表1。

表1 滅火劑的基本組成Table 1 The basic components of foam solution

1.3 測試與表征

1.3.1 起泡性能測試 泡沫滅火劑的起泡性能采用Ross-Miles法進(jìn)行測試，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打開球形漏斗閥門，漏斗中的泡沫液滴入到裝有相同溶液的圓柱形玻璃容器中，液體相互撞擊形成泡沫且泡沫高度逐漸增加，直至漏斗中的液體完全排出，然后記錄泡沫的初始高度(H0)用于評(píng)估泡沫滅火劑的起泡性能。

1.3.2 析液特性測試 采用圖1所示的自組析液裝置測試。該裝置由泡沫收集罐、支架、恒溫水浴鍋、橡膠管、液體收集罐、電子天平和數(shù)據(jù)采集裝置組成。泡沫收集罐由雙層玻璃制成，容積為 250 mL；泡沫收集罐外接循環(huán)水浴鍋以保持泡沫收集罐內(nèi)的溫度保持恒定。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打開循環(huán)水浴鍋并調(diào)節(jié)水浴鍋溫度，待溫度穩(wěn)定后將泡沫快速倒入泡沫收集罐中，當(dāng)液體從析液口流出進(jìn)入液體收集罐時(shí)開始計(jì)時(shí)，觀測電子天平的數(shù)值，待液體收集罐中的液體質(zhì)量為25%泡沫質(zhì)量時(shí)，記錄時(shí)間，即為25%析液時(shí)間，用于評(píng)估泡沫滅火劑的泡沫穩(wěn)定性，用t25%表示。將液體收集罐中的液體質(zhì)量隨時(shí)間的變化關(guān)系作圖，通過擬合，得到曲線的斜率，即為析液速率。

圖1 析液裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of drainage analysis device1.泡沫收集罐；2.支架；3.恒溫水浴鍋；4.橡膠管；5.液體收集罐；6.電子天平；7.PC端

1.3.3 泡沫形貌分析 將少量泡沫放入帶有凹槽的載玻片上，置于顯微鏡下，采用4倍物鏡每隔30 s拍攝泡沫照片，并經(jīng)Image J軟件處理后，測量氣泡的直徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 多糖聚合物對(duì)泡沫滅火劑粘度的影響

多糖聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫滅火劑粘度的影響見圖2。

由圖2可知，除明膠外，泡沫滅火劑的粘度隨單一組分多糖聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。黃原膠/海藻酸鈉和黃原膠/明膠復(fù)配體系的粘度隨穩(wěn)泡劑質(zhì)量濃度比的增大而增大，而明膠/海藻酸鈉復(fù)配體系的粘度隨質(zhì)量濃度比的增大而減小。

圖2 泡沫滅火劑粘度隨聚合物濃度的變化關(guān)系Fig.2 The viscosity of AFFF solutions with different polysaccharide polymersa.不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多糖聚合物；b.黃原膠/海藻酸鈉復(fù)配體系；c.明膠/海藻酸鈉復(fù)配體系；d.黃原膠/明膠復(fù)配體系

2.2 多糖聚合物對(duì)泡沫滅火劑起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響

多糖聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫滅火劑起泡性能的影響見圖3，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

圖3 3種穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫滅火劑初始泡沫高度的影響Fig.3 The initial foam height of foam solutions with different polysaccharide polymersa.黃原膠；b.海藻酸鈉；c明膠

由圖3可知，黃原膠和海藻酸鈉對(duì)泡沫滅火劑的起泡性具有抑制作用，且隨著黃原膠和海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起泡性能逐漸下降，這主要是因?yàn)辄S原膠和海藻酸鈉對(duì)泡沫滅火劑粘度的提升導(dǎo)致Ross-Miles的泡沫在生長過程中由液滴沖擊泡沫的空氣注入量減少，降低了液滴吸入空氣的效率，從而使得起泡性能降低。然而，明膠對(duì)泡沫滅火劑的起泡性具有促進(jìn)作用，且當(dāng)明膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.05%增大到0.20%，初始泡沫高度相較于未添加穩(wěn)泡劑分別提升了8.6%，15.3%，12.6%和9.9%。

表2 泡沫滅火劑的理化性能參數(shù)Table 2 The physicochemical parameters of foam solutions

添加不同穩(wěn)泡劑泡沫滅火劑的析液速率和25%析液時(shí)間分別見圖4和圖5。

圖4 3種穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫滅火劑析液速率的影響Fig.4 The drainage rate of foam solutions with different polysaccharide polymersa.黃原膠；b.海藻酸鈉；c.明膠

圖5 3種穩(wěn)泡劑對(duì)25%析液時(shí)間的影響Fig.5 The 25% drainage time of foam solutions with different polysaccharide polymersa.黃原膠；b.海藻酸鈉；c.明膠

由圖4和圖5可知，隨著穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，泡沫滅火劑的析液速率逐漸減小、25%析液時(shí)間逐漸增大，其中黃原膠表現(xiàn)出最佳的穩(wěn)泡效果。當(dāng)添加0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的黃原膠，可使泡沫滅火劑的t25%增加至202.7 s，但卻降低了泡沫的起泡性能。由此可見，添加單一組分穩(wěn)泡劑無法有效均衡起泡性和泡沫穩(wěn)定性，因而有必要探究多糖聚合物復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑性能的影響。

2.3 多糖聚合物復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑起泡性能和泡沫穩(wěn)定性能的影響

穩(wěn)泡劑復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑初始泡沫高度的影響見圖6，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

圖6 穩(wěn)泡劑復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑 初始泡沫高度的影響Fig.6 The initial foam height of foam solutions with different mixed systemsa.黃原膠/海藻酸鈉；b.明膠/海藻酸鈉；c.黃原膠/明膠

由圖6可知，添加黃原膠/海藻酸鈉復(fù)配體系，會(huì)降低泡沫滅火劑的起泡性能，當(dāng)復(fù)配體系的質(zhì)量濃度比為1∶9時(shí)，初始泡沫高度(H0)=0。而添加明膠/海藻酸鈉和黃原膠/明膠復(fù)配體系，則可以提升泡沫滅火劑的起泡性能，當(dāng)黃原膠分別與海藻酸鈉和明膠的質(zhì)量濃度比為1∶5時(shí)，初始泡沫高度(H0)相較于未添加穩(wěn)泡劑提升了9.9%。

不同聚合物復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑析液速率和25%析液時(shí)間的影響見圖7和圖8。

由圖7和圖8可知，明膠/海藻酸鈉復(fù)配體系無法有效提升泡沫穩(wěn)定性；黃原膠/海藻酸鈉和黃原膠/明膠復(fù)配體系對(duì)泡沫穩(wěn)定性具有明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)黃原膠分別與海藻酸鈉和明膠以質(zhì)量濃度比1∶5復(fù)配時(shí)，所制備的環(huán)保型泡沫滅火劑的25%析液時(shí)間相較于未添加穩(wěn)泡劑分別增大了638.9%和398.4%。

圖7 穩(wěn)泡劑復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑析液速率的影響Fig.7 The drainage rate of foam solutions with different mixed systemsa.黃原膠/海藻酸鈉；b.明膠/海藻酸鈉；c黃原膠/明膠

圖8 穩(wěn)泡劑復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑25% 析液時(shí)間的影響Fig.8 The 25% drainage time of foam solutions with different mixed systemsa.黃原膠/海藻酸鈉；b.明膠/海藻酸鈉；c黃原膠/明膠

綜上所述，黃原膠/海藻酸鈉和明膠/海藻酸鈉復(fù)配體系無法改善泡沫滅火劑的綜合性能，而黃原膠/明膠復(fù)配體系能有效均衡起泡性能和泡沫穩(wěn)定性。結(jié)合粘度測試結(jié)果可知，黃原膠/海藻酸鈉復(fù)配體系提高了泡沫滅火劑的粘度，導(dǎo)致泡沫在生長過程中由液滴沖擊泡沫的空氣注入量大量減少，起泡性能迅速下降；明膠/海藻酸鈉復(fù)配體系降低了泡沫滅火劑的粘度，導(dǎo)致液膜的強(qiáng)度下降，析液速率增大，泡沫穩(wěn)定性下降；黃原膠/明膠復(fù)配體系對(duì)泡沫滅火劑粘度影響較小，在略微降低泡沫膜的破裂同時(shí)，延長了泡沫的壽命，從而有效提升泡沫滅火劑的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。

2.4 溫度對(duì)析液過程的影響

環(huán)保型泡沫滅火劑在不同溫度下的析液速率和25%析液時(shí)間見圖9。

圖9 不同溫度下泡沫滅火劑的析液速率 和25%析液時(shí)間Fig.9 The variation of drainage rate and 25% drainage time versus temperaturea.析液速率；b.25%析液時(shí)間

由圖9可知，析液速率隨溫度的升高而逐漸增大，25%析液時(shí)間隨溫度的升高而逐漸減小。擬合得到25%析液時(shí)間隨溫度變化的表達(dá)式如下：

t=133.068-0.309 4T-0.003 3T2

(1)

式中t——25%析液時(shí)間，s；

T——實(shí)驗(yàn)溫度，℃。

由式(1)可得，當(dāng)T=159.3 ℃時(shí)，t=0，即當(dāng)溫度超過159.3 ℃時(shí)，泡沫液膜瞬間破裂，泡沫結(jié)構(gòu)破壞，液體迅速析出而喪失穩(wěn)定性，此時(shí)泡沫無法在燃料表面形成隔絕層，不能起到滅火的作用。

2.5 多糖聚合物在泡沫滅火劑中的穩(wěn)泡機(jī)制

添加黃原膠/明膠復(fù)配體系前后的氣泡尺寸隨時(shí)間的變化見圖10。

圖10 添加黃原膠/明膠復(fù)配體系前后氣泡 尺寸隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.10 Variation of bubble diameters of AFFF with and without xanthan gum/gelatina.t=0 min；b.t=10 min；c.t=20 min；d.t=30 min

由圖10可知，在t=0 min時(shí)，兩組泡沫的氣泡直徑均小于60 μm，未添加穩(wěn)泡劑泡沫的平均直徑為24.7 μm，添加黃原膠/明膠復(fù)配體系泡沫的平均直徑為22.8 μm；當(dāng)t>10 min后，氣泡尺寸分布變化明顯，直徑小于60 μm的氣泡占比顯著降低。當(dāng)t=30 min時(shí)，未添加穩(wěn)泡劑的泡沫直徑在10～30 μm 的氣泡減少到10%，90～120 μm的氣泡增加到15%而120～150 μm、150～180 μm和210～240 μm的氣泡分別增加至5%，平均直徑為 75.0 μm；添加黃原膠/明膠復(fù)配體系的氣泡尺寸均不超過120 μm、平均直徑為58.8 μm。由此可知，添加黃原膠/明膠復(fù)配體系可減緩泡沫的粗化速度。

綜上所述，黃原膠/明膠復(fù)配體系的加入，使泡沫滅火劑的粘度增大，一方面增強(qiáng)了泡沫液膜的表面強(qiáng)度，導(dǎo)致泡沫液膜在較長的時(shí)間間隔后破裂[11]；另一方面，也增大了氣泡高原邊界的流動(dòng)阻力，降低了析液速率和氣泡粗化速度，從而提高了泡沫穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

選取黃原膠、海藻酸鈉和明膠作為穩(wěn)泡劑制得環(huán)保型泡沫滅火劑，研究了穩(wěn)泡劑的類型、濃度和配比對(duì)泡沫滅火劑理化性能的影響和規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)添加單一黃原膠或海藻酸鈉作為穩(wěn)泡劑，雖能有效提升泡沫滅火劑的粘度和25%析液時(shí)間，但會(huì)降低起泡性能，無法有效均衡泡沫起泡性能和穩(wěn)定性。

(2)添加黃原膠和明膠復(fù)配體系，能有效均衡泡沫滅火劑的起泡性和泡沫穩(wěn)定性，當(dāng)m(黃原膠)∶m(明膠)=1∶5時(shí)，所制備泡沫滅火劑的初始泡沫高度和25%析液時(shí)間最佳分別為123.0 mm和128.1 s。

(3)泡沫滅火劑的析液速率隨溫度的升高而逐漸增大，其中25%析液時(shí)間與溫度的關(guān)系可表達(dá)為：t=133.068-0.309 4T-0.003 3T2。

(4)相較于黃原膠/海藻酸鈉和明膠/海藻酸鈉復(fù)配體系，黃原膠/明膠復(fù)配體系的加入，使泡沫滅火劑粘度增大，增強(qiáng)了泡沫液膜的表面強(qiáng)度和氣泡高原邊界的流動(dòng)阻力，進(jìn)而有效提高泡沫滅火劑的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。