增粘型水成膜泡沫灭火剂制备及性能表征

张建成 曹求洋 王志刚 罗剑飞 张美琪 景伟 吴刘锁

(1.国网电力科学研究院有限公司 南京211000；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 杭州 310014)

0 引言

近年来国内外变电站电力设备火灾事故频发，大型油浸式变压器作为核心电力设备在发生火灾时易造成严重后果，其爆炸时具有快速性、破坏性、多变性和火灾形式多样性等特点[1]。油浸式变压器多为封闭结构，故障状态下的高温常引起绝缘油或气体膨胀，在失控状态下易发生爆炸。大量变压器油在重力作用下，从箱体开裂处向外猛烈喷出，呈现出喷射火、流淌火、油池火等多种火灾形式，大大增加了火灾扑救的难度。

《泡沫灭火系统设计规范》[2]规定了泡沫喷雾系统保护独立变电站的油浸电力变压器时的设计参数，确定了泡沫喷雾灭火系统对于变压器火灾的灭火有效性。水成膜泡沫灭火剂是针对B类火灾最有效的灭火介质，灭火作用机理主要包括水膜封闭、水的冷却、泡沫窒息、泡沫遮断等[3-4]，在水膜和泡沫的共同作用下达到最佳的灭火效果。

变电站场景常用现混式泡沫灭火系统，传统泡沫灭火剂在经过比例混合器与水混合后，粘度快速降低，使用后对于变压器箱体及内部的冷却效果相对较差。同时，针对变压器火灾事故特殊性，传统的泡沫灭火剂在耐高温、抗烧效果上不具有优势，导致灭火过程中出现复燃现象。为保证泡沫灭火剂在变电站火灾场景中的灭火有效性，应对其专用灭火剂提出更高的性能要求。

1 实验部分

1.1 实验材料

C6氟碳表面活性剂(Capstone 1470)，购自科慕化学(上海)有限公司。烷基糖苷(APG0810)，购自扬州晨化新材料股份有限公司。椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(6501)，购自赞宇科技有限公司。乙二醇丁醚、尿素、苯甲酸钠，AR，纯度>99%。

1.2 实验设备与方法

1.2.1 表面张力性能

泡沫液与去离子水按体积比3：97配制泡沫溶液。保持泡沫溶液温度为20℃，采用QBZY-1型表面张力仪(上海方瑞仪器有限公司)，使用吊片法测定泡沫溶液的表面张力。重复试验，取2次试验平均值为测定结果。

1.2.2 发泡性能

使用2152型罗氏泡沫仪(北京恒奥德仪器仪表有限公司)，按照表面活性剂发泡力的测定方法[5]进行测试。通过HH-501超级恒温水浴(金坛市白塔新宝仪器厂)保持泡沫溶液温度为50 ℃，使500 mL泡沫溶液从450 mm高度下落，测量泡沫在液流停止后30 s的泡沫体积。

1.2.3 泡沫稳定性测试

保持泡沫溶液温度为20 ℃，利用RW20数显型顶置式机械搅拌器(德国IKA公司)，测试100 mL泡沫溶液在2 000 r/min旋转速度下，泡沫析出25%、50%液体的时间。重复一次实验，取2次试验平均值为测定结果。泡沫稳定性测试装置如图1所示。

1—恒温水浴装置;2—保温套筒;3—刻度量筒;4—机械搅拌器

1.2.4 粘度测试

保持泡沫溶液温度为20 ℃，利用旋转粘度计(美国Brookfield公司)测定泡沫液、泡沫溶液粘度，转速设置为100 r/min，待数据稳定后，记录粘度值。重复1次试验，取2次试验平均值为测定结果。

1.2.5 流变特性测试

使用HAAKE MARS 60流变仪(ThermoFisher公司)，测试转子使用60 mm 2度锥板，保持泡沫溶液温度为20 ℃，在振荡模式下测试泡沫液和泡沫溶液的储能模量、损耗模量及复数黏度。

1.2.6 标准设备泡沫性能测试

实验参照国标GB15308—2006《泡沫灭火剂》，调整泡沫枪入口压力为(0.63±0.03)MPa，测试泡沫灭火剂在11.4 L/min标准管腔中的发泡倍率、25%析液时间。

1.2.7 灭火性能测试

使用国标GB15308—2006《泡沫灭火剂》附录A中灭火设备，测试泡沫灭火剂对120#橡胶工业溶剂油的灭火性能。实验使用强施放的灭火方式，记录90%控火时间、灭火时间和25%抗烧时间。

2 结果与讨论

2.1 不同配方的制备

水成膜泡沫灭火剂的主要成分包括氟碳表面活性剂、发泡剂、稳泡剂、抗冻剂、助溶剂、抗菌剂等助剂。基础配方设置为Capstone 1470、APG0810、尿素、苯甲酸钠和水，研究CAB、6501、乙二醇丁醚复配对于体系粘度、泡沫性能及灭火性能的影响。本实验中设置CAB用量为6%、乙二醇丁醚用量4%，主要研究6501用量对于泡沫灭火剂性能的影响。

2.2 表面张力测试

不同配方的泡沫溶液表面张力如图2所示。随着6501加入量的增加，表面张力持续增加。与传统的增粘剂不同的是，本实验中加入的6501是1种碳氢类表面活性剂，加入量的提升会导致泡沫液表面张力的增加。加入量较少时，表面张力变化相对较小，加入量5%时表面张力从16.7 mN/m增加到17.3 mN/m。当加入量继续增加时，表面张力增加比较明显。当加入量为10%时，泡沫溶液表面张力增加到19.5 mN/m。泡沫溶液的表面张力过高，不利于泡沫灭火剂在油表面铺展，影响最终的灭火效果。一般IA级泡沫灭火剂的表面张力<18 mN/m，当表面张力过高时，可以采用更换氟碳表面活性剂、增加氟碳表面活性剂用量、控制表面活性剂用量等方法来降低溶液表面张力。

图2 不同配方产品的表面张力

2.3 泡沫粘度测试

不同配方的泡沫液和泡沫溶液粘度如图3所示。在乙二醇丁醚的降粘作用下，泡沫液粘度相对较低。随着6501的加入量增加，泡沫液粘度随之增加。当加入量增加到10%时，泡沫液粘度由16.0 mPa·s增加到35.2 mPa·s。随着6501加入量增加，泡沫溶液粘度也在不断提高。泡沫溶液粘度变化比较明显，当6501使用量达到10%时，泡沫溶液粘度由11.2 mPa·s增加到81.5 mPa·s。由图3可以看出，当6501加入量达到5%时，产品经3%比例稀释后，粘度由20.8 mPa·s增加到69.5 mPa·s，形成增粘型泡沫灭火剂。

图3 不同配方泡沫液及泡沫溶液粘度

烷醇酰胺类表面活性剂是日化行业常用的原料，具有优异的增粘和稳泡性能。当6501加入到泡沫灭火剂配方中，产品粘度不断增加。为了降低母液粘度，本研究中使用CAB与6501复配。CAB与6501在水溶液中相容性较差，在乙二醇丁醚作用下2种增粘剂结构以分子链卷曲的形式分散于水溶液体系中，因而在宏观上体现出泡沫液的低粘性质。如图4所示，当泡沫液与水进行混合后，2种增粘剂组分被大量稀释，相互制约的作用大大降低，分子链由卷曲逐渐伸展。在这个过程中，烷醇酰胺、烷基酰胺丙基甜菜碱中的酰胺基与其他表面活性剂之间形成氢键，使增粘效果显著增加。

图4 泡沫液和泡沫溶液中表面活性剂分子间作用示意图

2.4 流变性能表征

当6501加入量为5%时，泡沫液、泡沫溶液的流变性能如图5所示。随着角频率的持续增加，泡沫液的复数黏度基本保持不变。而泡沫溶液呈现出粘度剪切变稀的现象，属于假塑性流体。对比图5泡沫液和泡沫溶液的流变曲线，在低剪切速率下，泡沫溶液的粘度要高于泡沫液的粘度，所开发的泡沫灭火剂呈现出稀释增粘的现象，这主要是因为在泡沫液中CAB和6501 2种增粘剂结构以分子链卷曲的形式分散于水溶液体系中，分子间作用力相对较低，泡沫液粘度较低。当泡沫液经3%比例稀释后，CAB和6501 2种分子链由卷曲逐渐伸展，表面活性剂分子链之间形成氢键相互作用，从而使泡沫溶液黏度增加。

图5 增粘型泡沫液及泡沫溶液流变性能

2.5 泡沫性能分析

Ross-Miles法主要用于表面活性剂溶液的起泡能力，前期已经有相应的文章将他作为评价泡沫灭火剂产品发泡性的方法[6]。泡沫稳定性评价方法以高速搅拌方式使泡沫溶液混入空气，形成稳定泡沫，研究泡沫析出不同质量液体的时间。为评价不同泡沫之间的泡沫稳定性差异，搭建了泡沫稳定性测试装置[7-8]。使用罗氏泡沫仪、泡沫稳定性测试装置分别对不同配方的泡沫性能进行测定，结果如图6所示。

图6 不同配方发泡性及稳泡性能对比

传统增粘剂的加入，使体系粘度变化不断增加，导致发泡高度降低，析液时间增加。本研究中所加入的复合型泡沫稀释液增粘剂，当6501加入量为5%时，体系粘度突然降低，导致发泡高度降低、析液时间大幅提升。当加入量继续增加，由于CAB和6501结构之间的相互作用，导致分子链收缩，氢键作用降低使发泡性增加，泡沫稳定性降低。

2.6 灭火性能测试

使用南瑞怡和自主开发3%(AFFF、-5 ℃)-NRYH泡沫灭火剂进行性能对比，研究增粘型泡沫灭火剂产品在标准管腔中产生的泡沫特性及对于橡胶工业溶剂油的灭火效率，结果如表1所示。

表1 灭火性能数据对比

灭火过程如图7所示。溶剂油经预燃60 s后燃烧达到稳定状态，开始供泡，泡沫逐渐在油面铺展，火势不断降低；泡沫不断积累，厚度逐渐增加，火势持续降低，由于泡沫液落下导致泡沫层不稳定出现燃烧现象，由于密封层不稳定，油蒸汽不断穿过泡沫层出现闪燃现象；当泡沫层积累到一定程度，通过水膜和泡沫层的共同作用来扑灭燃烧物。自供泡起持续喷射3 min，形成稳定的泡沫层。

图7 增粘型灭火剂的灭火过程

抗烧过程如图8所示。在泡沫液中点燃抗烧罐，罐体的温度不断增加，泡沫表面包裹的油蒸汽出现复燃现象，边缘泡沫厚度不断降低；当泡沫表面的包裹油燃尽后，泡沫表面火焰熄灭。随着抗烧罐温度持续增加，罐体附近的泡沫不断破裂，靠近抗烧罐的泡沫层厚度持续降低，罐体边缘出现细小火焰后熄灭。泡沫不断向抗烧罐体外边缘扩散，增强了泡沫的抗复燃能力。抗烧罐的持续燃烧使泡沫不断降低，局部出现无泡沫覆盖情况，火势不断增加，引燃其他部分同时燃烧，泡沫快速破裂，最后完全复燃。

图8 增粘型灭火剂的抗烧过程

相比之下，本研究中使用复配表面活性剂作为泡沫增粘剂，形成的增粘型泡沫灭火剂具有发泡倍率高、泡沫稳定性好的特点。在灭火过程中，增粘型泡沫灭火剂的控火时间更短，泡沫能够快速在油面铺展，快速降低火势。凭借优异的泡沫稳定性，增粘型泡沫灭火剂能够在燃烧物表面形成稳定的泡沫层，达到更好的灭火、降温作用。

3 结论

(1)针对变电站火灾特点，研究出1种增粘型水成膜泡沫灭火剂。泡沫灭火剂粘度低，经3%比例稀释后，泡沫溶液粘度增加并呈现出1种剪切变稀的非牛顿流体特征。

(2)增粘型水成膜泡沫灭火剂具有表面张力低、流动性好的特点，产品发泡倍率高、泡沫稳定性较好，能够快速熄灭B类火灾，达到更好的控火、灭火、抗烧效果。