抗醇泡沫滅火劑在水溶性有機(jī)溶劑表面鋪展能力的實(shí)驗(yàn)研究

王　鵬

(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院科研部，河北 廊坊，065000)

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抗醇泡沫滅火劑在水溶性有機(jī)溶劑表面鋪展能力的實(shí)驗(yàn)研究

王鵬*

(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院科研部，河北 廊坊，065000)

摘要：為了研究抗醇泡沫滅火劑在水溶性有機(jī)溶劑表面的鋪展能力，發(fā)明了一種新的實(shí)驗(yàn)方法，正交實(shí)驗(yàn)了9種配方。得到了粘度、發(fā)泡倍數(shù)和表面張力對(duì)鋪展能力的影響數(shù)據(jù)，通過方差分析驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)抗醇泡沫滅火劑的粘度和發(fā)泡倍數(shù)可以影響其在醇類表面的鋪展能力，但是表面張力對(duì)鋪展無影響。對(duì)于泡沫的鋪展存在一個(gè)最佳粘度和最差發(fā)泡倍數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)不能表征抗醇泡沫滅火劑在水溶性有機(jī)溶劑表面的鋪展能力。

關(guān)鍵詞：鋪展；抗醇；泡沫；滅火劑

0引言

水成膜泡沫滅火劑(AFFF)是以碳?xì)浔砻婊钚詣┖头急砻婊钚詣榛系呐菽瓬缁饎?，可在某些烴類表面上形成一層水膜[1]?？勾妓赡づ菽瓬缁饎?AFFF/AR)是一種更高級(jí)的水成膜泡沫滅火劑，所產(chǎn)生的泡沫施放到醇類或其他極性溶劑表面時(shí)，可抵抗其對(duì)泡沫的破壞性，又稱為抗溶泡沫滅火劑。泡沫的鋪展能力通常可以由泡沫的擴(kuò)散系數(shù)或者鋪展量來表征，而這些都與泡沫的粘度、發(fā)泡倍數(shù)以及表面張力等有關(guān)，由于擴(kuò)散系數(shù)的測量誤差較大，而且界面張力難以測定，因而現(xiàn)在大多采用鋪展量來表征。

擴(kuò)散系數(shù)[1]是衡量一種液體在另一種液體表面上自由鋪展的能力。其計(jì)算公式為S=Tc-Tf-Ti，式中：S——擴(kuò)散系數(shù)(mN/m)；Tc——環(huán)己烷的表面張力(mN/m)；Tf——泡沫溶液的表面張力(mN/m)；Ti——泡沫溶液與環(huán)己烷之間的界面張力(mN/m)。從以上定義和公式可知，擴(kuò)散系數(shù)S不能衡量兩種互溶液體之間的鋪展能力。因?yàn)椋闊N(例如正庚烷、環(huán)己烷、汽油、柴油等)不溶于水，在加入氟碳表面活性劑后，由于水的表面張力小于烷烴的表面張力，所以水可以在烷烴表面鋪展。但是，極性有機(jī)溶劑(例如丙酮、乙醇等)與水混溶，即使在加入氟碳表面活性劑后，水也不能在極性有機(jī)溶劑表面鋪展。

鋪展量的實(shí)驗(yàn)方法不是國標(biāo)，關(guān)于鋪展量的實(shí)驗(yàn)方法詳見張和廖[2]，肖等[3]的論文。這種鋪展量實(shí)驗(yàn)測定方法存在以下問題：實(shí)驗(yàn)測定的是水在烷烴表面的鋪展能力，不能測定泡沫在水溶性極性有機(jī)溶劑表面的鋪展能力，且實(shí)驗(yàn)裝置尺寸小，厘米量級(jí)。

基于以上問題，本文發(fā)明了一種新的實(shí)驗(yàn)方法，用于較精確地測定抗醇型水成膜泡沫滅火劑在水溶性極性有機(jī)溶劑表面的鋪展能力。并研究了表面張力、發(fā)泡倍數(shù)和粘度對(duì)鋪展能力的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

抗醇型泡沫滅火劑在水溶性極性有機(jī)溶劑表面鋪展問題的研究國內(nèi)外未見報(bào)道。因?yàn)閲鴥?nèi)外沒有一種可行的實(shí)驗(yàn)裝置和方法。本文發(fā)明了一種新的裝置專門用于研究以上問題。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作加工價(jià)格便宜，便于廣大研究者普遍采用。本裝置是一個(gè)圓盤[4]，直徑0.6 m，面積0.28 m2。在圓盤的圓心正上方設(shè)有一個(gè)漏斗，漏斗下緣略高于圓盤上緣。此漏斗用6根輻條與圓盤外緣相連，6根輻條延圓盤半徑均勻分布，把整個(gè)圓盤均分為6等份，每一份為π/3。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由不銹鋼制成，如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)圓盤Fig.1　Experimental tray

關(guān)于實(shí)驗(yàn)圓盤有以下三點(diǎn)說明：

(1)圓盤直徑問題。本實(shí)驗(yàn)圓盤的直徑為0.6 m是根據(jù)DEF(AUST)5706設(shè)定的[4]。由于實(shí)驗(yàn)圓盤為本文首創(chuàng)，所以其面積大小沒有可參考的文獻(xiàn)。圓盤面積越小，實(shí)驗(yàn)誤差越大；圓盤面積太大，不便于實(shí)驗(yàn)操作。

(2)圓盤水平問題。實(shí)驗(yàn)裝置中的漏斗、圓盤是固定的，不需要活動(dòng)或能調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，圓盤內(nèi)盛裝乙醇，無論圓盤是否水平，內(nèi)盛乙醇表面一定是自動(dòng)水平的，泡沫在乙醇表面鋪展也一定是自動(dòng)水平的。

(3)圓盤材料問題。本文認(rèn)為圓盤材料對(duì)實(shí)驗(yàn)無影響，只要是不易生銹的材料均可。本文采用的材料是不銹鋼，鋁合金也可以。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)過程

(1)向圓盤內(nèi)倒入2 L乙醇。在倒入乙醇后，圓盤內(nèi)形成一層有一定厚度(大約7 mm)的乙醇層。

(2)通過漏斗向圓盤中的乙醇表面倒入200 g泡沫。漏斗定位在圓盤圓心的正上方，這確保了泡沫從乙醇表面的中心向四周鋪展。

(3)泡沫在乙醇表面流動(dòng)，待泡沫在乙醇表面靜止后形成一片白色的泡沫層。如圖2所示。

圖2　在圓盤內(nèi)乙醇表面流動(dòng)的泡沫層Fig.2　Spreading foam layer on the alcohol surface in the tray

(4)沿著6根輻條測量泡沫層外緣到圓盤外緣的距離。其實(shí)應(yīng)該是沿著輻條在乙醇表面上的投影測量。如圖3所示。

圖3　沿著輻條投影方向測量泡沫外緣到圓盤外緣的距離Fig.3　Measuring the data along a spoke

每根輻條都是圓盤的半徑，且每兩根相鄰輻條之間的夾角都是60度，所以6根輻條把圓盤均分6份。如圖4所示。

圖4　實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)Fig.4　Experimental method

在圖4中，橢圓形陰影面積表示泡沫層，圓形表示圓盤外緣，6根半徑表示6根輻條。圖4中x1,x2……x6表示沿著輻條投影方向上，泡沫層外緣到圓盤外緣的距離。

(5)記錄6個(gè)數(shù)據(jù)：x1,x2……x6。以上6個(gè)數(shù)據(jù)的和表示泡沫層外緣到圓盤外緣的距離，下文簡稱距離和。

1.2.2實(shí)驗(yàn)說明

關(guān)于以上實(shí)驗(yàn)過程有以下7點(diǎn)說明：

(1)倒入乙醇的量應(yīng)足夠多，一定要保證圓盤內(nèi)的乙醇層有一定厚度，以確保乙醇表面的水平。

(2)倒入泡沫的量應(yīng)根據(jù)圓盤大小確定，泡沫量太少，實(shí)驗(yàn)誤差太大；泡沫量太多，鋪滿整個(gè)圓盤則得不到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是6個(gè)“0”)。

(3)泡沫在乙醇表面鋪展過程大約需要1 min，初期泡沫在乙醇表面鋪展迅速，隨著鋪展進(jìn)行，泡沫的流動(dòng)速度越來越慢，到最后僅在部分邊緣緩慢向外流動(dòng)。

(4)因?yàn)橐陨系?點(diǎn)原因，本文最初設(shè)想記錄泡沫的鋪展時(shí)間不能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵阡佌沟淖詈箅A段，泡沫流動(dòng)速度太慢，不能精確記錄泡沫鋪展的停滯時(shí)間。例如，有時(shí)整個(gè)泡沫層已經(jīng)停止流動(dòng)，只有小部分外緣還在向外鋪展，這給計(jì)時(shí)帶來困難。所以最終決定采用記錄泡沫靜止后面積大小的方法。這種方法雖然沒有記錄泡沫鋪展時(shí)間，但數(shù)據(jù)精度高，且操作方便。

(5)本文測量泡沫層面積采用的是間接方法。用泡沫層外緣到圓盤外緣的6個(gè)距離和間接表征泡沫層的面積。距離和越大說明泡沫層外緣到圓盤外緣的距離越遠(yuǎn)，也就是說，泡沫層越小，或者說，泡沫鋪展能力越差；反之，距離和越小說明泡沫層外緣到圓盤外緣的距離越近，也就是說，泡沫層越大，或者說，泡沫鋪展能力越強(qiáng)。

(6)理論上泡沫在水平的乙醇層上鋪展應(yīng)該是圓形的(在圖4中用橢圓形陰影表示泡沫層是因?yàn)樽鲌D方便)，但是實(shí)驗(yàn)過程中泡沫自由鋪展形成的形狀沒有一次是圓形或橢圓形，實(shí)際形成的泡沫層是一個(gè)非常不規(guī)則的地圖形狀，且每次實(shí)驗(yàn)都不同。

(7)由于以上第6點(diǎn)原因，單次實(shí)驗(yàn)誤差較大。所以每組配方都進(jìn)行7次平行實(shí)驗(yàn)以減小隨機(jī)誤差，實(shí)踐證明，誤差減小到了可接受的水平，相見以下討論部分。

1.3　泡沫配方

為了得到理化參數(shù)不同的泡沫滅火劑，通過正交實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)了9種不同的泡沫滅火劑配方，使用了L9(34)正交設(shè)計(jì)表，如表1所示。

表1　用L9(34)正交表得到的9種泡沫滅火劑配方Table 1　L9(34) orthogonal array of differentformulations of foam

在表1中，因素的水平數(shù)表示各因素在10%泡沫濃縮液中的質(zhì)量百分比濃度，也就是在泡沫稀釋液中的質(zhì)量千分比濃度。應(yīng)注意的是，本文采用的泡沫濃縮液濃度是10%，而不是常用的3%或6%，這主要是為了計(jì)算方便。誤差被安排在了第4列，其余為水。

1.4　影響因素的選擇和測量

1.4.1影響因素的選擇

本文研究了發(fā)泡倍數(shù)、粘度和表面張力對(duì)于抗醇型水成膜泡沫滅火劑在水溶性極性有機(jī)溶劑(乙醇)表面鋪展能力的影響。選擇以上3個(gè)因素研究是在參考GB15308-2006《泡沫滅火劑》中對(duì)泡沫理化參數(shù)的要求，同時(shí)考慮可能對(duì)鋪展性能有明顯影響而選定的。其中不包括25%析液時(shí)間的影響，因?yàn)楸疚呐菽瓬缁饎┑呐浞街卸己休^多量的多糖，這主要是保證泡沫滅火劑具有明顯的抗醇性[5]，同時(shí)使得泡沫的析液時(shí)間較長，一般大于15 min，而泡沫的鋪展過程一般小于1 min，所以認(rèn)為25%析液時(shí)間的影響較小，忽略不計(jì)。擴(kuò)散系數(shù)是由2種液體的表面張力和2種液體的界面張力決定的。本文僅研究了表面張力，因?yàn)樗鸵掖际腔烊艿?，不分相。所以在水和乙醇之間不存在界面，也就無從談起界面張力問題。

1.4.2因素的測量方法

表面張力的測量使用的是上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JK99B型全自動(dòng)表面界面張力儀(POWEREACH?)，采用的是“環(huán)法”。發(fā)泡倍數(shù)的測量采用的方法詳見文獻(xiàn)[3]。粘度測量使用的是廣州標(biāo)格達(dá)實(shí)驗(yàn)室儀器用品有限公司生產(chǎn)的BGD186型斯托莫粘度計(jì)，粘度單位是KU值。注意，本文測量的是泡沫濃縮液的粘度，不是泡沫稀釋液或泡沫本身的粘度，因?yàn)榕菽♂屢旱恼扯葞缀鹾退粯?，而泡沫的粘度幾乎沒有變化。

2結(jié)果和討論

2.1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為降低隨機(jī)誤差，每種配方的鋪展能力進(jìn)行7次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2　泡沫鋪展能力的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2　The spreading ability of different formulations

續(xù)表2

續(xù)表2

注：上表中因?qū)嶒?yàn)失誤，第V號(hào)配方只有6次平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

粘度、發(fā)泡倍數(shù)和表面張力以及表2中距離和數(shù)據(jù)的平均值如表3所示。

表3　粘度、發(fā)泡倍數(shù)、表面張力和距離和Table 3　Viscosity, expansion, surfacetension and spreading ability

2.2　數(shù)據(jù)的可靠性分析

在得到了鋪展量距離和數(shù)據(jù)后，首先要做的是計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差。因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)方法屬于首創(chuàng)，不是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，所以數(shù)據(jù)的可靠性就成為本文的根本問題。誤差的大小可根據(jù)方差分析確定。方差分析結(jié)果如表4所示。

在表4中，誤差的離差平方和是4個(gè)因素中最小的，說明誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響在4個(gè)因素中是最微弱的。4個(gè)因素中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響最顯著的是水溶性多糖溶液。表4的方差分析證明了數(shù)據(jù)的可靠性。

表4　各因素影響的方差分析Table 4　Variance analysis of Table 1

2.3　討論

2.3.1粘度

粘度對(duì)抗醇泡沫滅火劑在乙醇表面鋪展能力的影響如圖5所示。

圖5　粘度對(duì)鋪展距離和影響的3次多項(xiàng)式擬合Fig.5　Polynomial fit as a function of viscosity

圖5中曲線的擬合公式為：

y=970.90-26.63x+0.25x2-7.55×10-4x3

在圖5中，距離和曲線先下降，在經(jīng)過一個(gè)最小值拐點(diǎn)后，曲線上升。說明泡沫的鋪展能力隨粘度的增加先增大后減小。所以存在一個(gè)最佳粘度使得泡沫的鋪展能力最好，如圖5所示，這個(gè)最佳粘度大約在90 ku左右。這是因?yàn)檎扯扔伤苄远嗵呛繘Q定，多糖含量越多，泡沫濃縮液的粘度越大。多糖就是抗醇劑，使得泡沫具有抗醇功能[5]。在粘度小于最佳粘度之前，增加多糖含量有助于泡沫在乙醇表面的漂浮。但是，在粘度大于最佳粘度之后，增加多糖含量使得粘度過大，阻礙了泡沫的流動(dòng)，使得鋪展能力減弱。

2.3.2發(fā)泡倍數(shù)

發(fā)泡倍數(shù)對(duì)抗醇泡沫滅火劑在乙醇表面鋪展能力的影響如圖6所示。

圖6　發(fā)泡倍數(shù)對(duì)鋪展距離和影響的4次多項(xiàng)式擬合Fig.6　Polynomial fit as a function ofexpansion

圖6中曲線的擬合公式為：

y=6843.82-8208.70x+3678.00x2

-720.98x3+52.13x4

在圖6中，距離和曲線先增大后減小。這說明存在一個(gè)最差發(fā)泡倍數(shù)使得泡沫鋪展能力最差，這個(gè)最差發(fā)泡倍數(shù)在3~3.5倍之間。在發(fā)泡倍數(shù)大于3.5倍以后，隨著發(fā)泡倍數(shù)的增加，泡沫的體積增大，所以鋪展面積也越來越大。

2.3.3表面張力

表面張力對(duì)抗醇泡沫滅火劑在乙醇表面鋪展能力的影響如圖7所示。

圖7　表面張力對(duì)鋪展距離和影響的5次多項(xiàng)式擬合Fig.7　Polynomial fit as a function of surface tension

圖7中曲線的擬合公式為：

y=-214498.29+48546.50x-4353.14x2

+193.37x3-4.26x4+0.037x5

在圖7中，距離和曲線隨表面張力的變化波動(dòng)，沒有明顯的規(guī)律性。這證明了前文的觀點(diǎn)：抗醇泡沫滅火劑在水溶性極性有機(jī)溶劑表面的鋪展機(jī)理與在烷烴表面鋪展的機(jī)理是不同的，所以不受表面張力的影響。擴(kuò)散系數(shù)只能用于評(píng)價(jià)泡沫在烷烴表面的鋪展能力，不能用于評(píng)價(jià)泡沫在極性有機(jī)溶劑(例如乙醇、丙酮等)表面的鋪展能力。

3結(jié)論

通過以上的討論，得出以下結(jié)論：

(1)粘度可以顯著影響抗醇泡沫滅火劑在醇類表面的鋪展。存在一個(gè)最佳粘度使得泡沫的鋪展能力最強(qiáng)，這個(gè)最佳粘度大約在90 ku左右。過大的粘度影響泡沫流動(dòng)。

(2)發(fā)泡倍數(shù)可以顯著影響抗醇泡沫滅火劑在醇類表面的鋪展。存在一個(gè)最差發(fā)泡倍數(shù)使得泡沫的鋪展能力最差，這個(gè)最差發(fā)泡倍數(shù)大約在3~3.5倍之間。在發(fā)泡倍數(shù)大于3.5倍之后，泡沫的鋪展能力隨發(fā)泡倍數(shù)的增大越來越好。

(3)表面張力不能影響抗醇泡沫滅火劑在醇類表面的鋪展。擴(kuò)散系數(shù)不能用于評(píng)價(jià)泡沫在極性有機(jī)溶劑(例如乙醇、丙酮等)表面的鋪展能力。

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Experimental study on spreading ability of alcohol resistant aqueous film

forming foam (AR-AFFF) on water-miscible liquids

WANG Peng

(The Chinese People’s Armed Police Forces Academy, Langfang 065000, China)

Abstract:This work aimed to study the spreading ability of alcohol resistant aqueous film forming foam (AR-AFFF) on water-miscible liquids. A new experimental apparatus was invented, and nine kinds of formulations were tested.Data concerning the influence of viscosity, expansion and surface tension were obtained, and the reliability of the datawas approved by variance analysis.It was found that viscosity and expansion can influence the spreading ability of AR-AFFF on alcohol, while surface tension has no effect. There is a best viscosity and worst expansion for the spread of foam. Spreading coefficient cannot be used to characterize the spreadingability of AR-AFFF over the surface of water miscible liquids.

Keyword: Spread; AFFF/AR; Foam; Alcohol

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.04.06

文章編號(hào)：1004-5309(2015)-00229-06

通訊作者：趙國敏，E-mail:guominzhao@163.com

作者簡介：趙國敏(1977-)，女，河北任丘人，博士，副教授，主要從事城市公共場所人群疏散研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué) (11202004；51108297)資助。

收稿日期：2015-01-16；修改日期：2015-06-02

中圖分類號(hào)：TQ569；X915.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A