水成膜泡沫灭火剂性能的测定

刘 平，姜塍林，窦增培，葛 峰，姜红红，何学昌

(1.杭州市消防救援支队，浙江 杭州 311106;2.浙江睦田消防科技开发有限公司，浙江 杭州 311106;3.浙江清华长三角研究院杭州分院智慧消防应用中心，浙江 杭州 310019)

0 引言

水成膜泡沫灭火剂(aqueous film-forming foam, AFFF)通常由氟表面活性剂、碳氢表面活性剂和其他助剂组成，能够在可燃液体表面形成一层水膜。AFFF在电力系统有着重要应用，可应用于变压器设备、电缆隧道、电动车充电站、发电厂锅炉重油系统、油库等场所。随着发电及输配电设备规模和数量的快速增长，研发、生产和应用适用于上述场所的AFFF，对保证设备安全运行、控制火灾影响范围、降低火灾事故损失有着重要意义。

AFFF的核心组分为氟表面活性剂，其生产和使用需遵循《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》及其相关议定书的规范[1-2]。当前，国内外正在逐步限制乃至禁止长链氟碳化合物的生产和使用(如PFOS/PFOA等)，且应用于灭火剂领域的长链氟表面活性剂也在禁限用之列。目前，国内缺乏自主生产PFOS/PFOA类氟表面活性剂替代产品的能力，一些厂家依赖进口氟碳表面活性剂(如科慕Forafac®1157/1157N等)进行AFFF的生产，受国际关系、贸易限制等影响较大。因此，研发具有自主知识产权的高效环保型AFFF迫在眉睫。

2005年至今，学术界一直在探讨我国新一代AFFF的发展方向[3]，一是以电解氟化产物衍生化得到的短链氟表面活性剂作为AFFF的核心组分;二是以调聚法产物衍生化得到的氟表面活性剂为AFFF的核心组分。近期，国内在这两个方向的研究上均取得了一定成果。

本研究涉及的是具有自主知识产权的MTC601型短链氟表面活性剂，具有优异的表面活性和泡沫性能，并在此基础上研发出了4种AFFF产品。下面针对MT-C601和4种AFFF的表面活性、泡沫性能、灭火性能和腐蚀性等开展相关实验研究和分析[4-5]。

1 AFFF灭火机理

AFFF灭火机理主要体现在隔氧窒息作用、辐射热阻隔作用和吸热冷却作用等几个方面。AFFF施放到可燃有机液体表面后，随着泡沫在液面的铺展会迅速形成一层水膜，能有效保护泡沫、提高泡沫的封闭性能，使燃烧物和空气中的氧气隔绝，起到隔绝助燃物的效果。此外，在扑救极性有机液体火灾中，AFFF还可在液体表面形成一层聚合物薄层。该聚合物层不溶于有机液体，起到更好的隔绝作用，同时能进一步提高泡沫的稳定性。

2 AFFF分类

根据泡沫浓缩液的耐离子性能，可分为耐海水型AFFF和淡水型AFFF。根据是否能够灭救醇、醚、酯、酮、醛等可燃极性溶剂火灾，可分为抗溶型AFFF和非抗溶型AFFF；根据使用时泡沫液稀释比例的不同，又可分为3 %型AFFF和6 %型AFFF。

3 AFFF性能测试

3.1 测试方法

根据GB 15308—2006《泡沫灭火剂》标准所述方式，测试AFFF泡沫溶液和MT-C601型氟表面活性剂水溶液的表面张力、界面张力和扩散系数，各AFFF泡沫溶液发泡倍数和25 %析液时间，各AFFF泡沫溶液灭火性能，以及各AFFF泡沫溶液对钢片和铝片的腐蚀率。

3.2 测试结果分析

3.2.1 表面活性测试

表面活性是决定AFFF能否在油面自发铺展、形成水膜抑制油气挥发的重要指标，直接关系到AFFF的灭火效能[6-8]。MT-C601型氟表面活性剂水溶液的表面张力测试结果见表1，随着MTC601质量分数的增大，水溶液表面张力逐步降低，最终在0.1 %处达到最低值，说明MT-C601的临界胶束浓度在0.1 %左右，该结果可指导AFFF中MT-C601的用量。

表1 MT-C601型氟表面活性剂水溶液的表面张力

以MT-C601为核心组分的4种AFFF的表面张力测试结果见表2。由于AFFF中加入了碳氢表面活性剂、发泡剂、聚合物等，使得同等浓度下AFFF的表面张力较MT-C601水溶液略高，但仍能保证AFFF溶液在有机液体表面自发铺展，表2中界面张力和扩散系数数据也说明了这一点。

表2 各AFFF的表面张力、界面张力及扩散系数

扩散系数S=γc-γf-γi，其中γc为环己烷表面张力(20 ℃下为24 mN/m)；γf为泡沫溶液表面张力；γi为泡沫溶液与环己烷之间的界面张力。扩散系数为正值的泡沫溶液满足在油面铺展的热力学条件，可在油面实现自发铺展。表2所示的扩散系数结果表明，基于MT-C601的4种AFFF均可在油面自发铺展。

3.2.2 AFFF发泡倍数和25 %析液时间测试

发泡倍数是泡沫体积与构成该泡沫的泡沫溶液体积的比值，市售合成类AFFF产品的发泡倍数通常不小于5[9-10]。25 %析液时间是指泡沫中析出其质量25 %的液体所需要的时间，该值过小或过大均会影响灭火效果，太小会导致泡沫迅速失水变成干泡影响流动性能，太大则表明析水缓慢导致油面温度下降变慢。GB 15308—2006《泡沫灭火剂》标准中并未提出发泡倍数和25 %析液时间的限值区间，只要求AFFF生产厂家提供相应特征值。

以MT-C601为核心组分的4种AFFF的发泡倍数和25 %析液时间测试结果见表3。各AFFF泡沫溶液发泡倍数均在7～9左右，高于合成类低倍数泡沫溶液常见值(5～6)。各AFFF的25 %析液时间在4～7 min内，可很好地平衡灭火过程中泡沫流动性和油面降温两方面的要求，为各AFFF具有良好的灭火效果奠定了基础。

表3 各AFFF的发泡倍数和25 %析液时间

3.2.3 AFFF灭火性能测试

4种AFFF泡沫溶液灭火性能测试结果见表4，各AFFF的灭火性能级别均达到Ⅰ级(灭火时间不超过3 min，强施放)，抗烧水平均达到A级(抗烧时间10 min及以上，强施放)。

表4 各AFFF灭火性能测试结果 单位：min

3.2.4 AFFF对钢片和铝片的腐蚀率测试

AFFF-6 %、AFFF/AR-3 %、AFFF/AR-6 %的腐蚀率指标与AFFF-3 %接近，以AFFF-3 %为例分析腐蚀率测试结果及相关的研究成果。

AFFF-3 %对钢片的腐蚀率为0.6 mg/(天·dm2)，对铝片的腐蚀率为0.5 mg/(天·dm2)，均显著低于GB 15308—2006《泡沫灭火剂》标准要求(小于等于15 mg/(天·dm2))。此外，AFFF-3 %稀释液在不同pH值、不同盐度下对钢片和铝片的腐蚀率测试结果分别见图1、2，其中盐度测试所用的盐为氯化钠、氯化镁、氯化钙和硫酸钠的无机盐混合物，各无机盐浓度均低于1 %。

图1 AFFF-3 %腐蚀率随pH值变化趋势

由图1可知，泡沫液在中性时腐蚀率最低，偏酸性或偏碱性时均会导致腐蚀率提高，进而影响产品品质(铁离子或铝离子混入泡沫液)，不利于产品的长期保存。因此，各AFFF泡沫液的pH值均控制在7.0～7.5范围内，并添加有机缓冲剂、抑菌剂等组分减小pH值的波动。

由图2可知，AFFF对钢片和铝片的腐蚀率均随盐浓度提高而增大，减少泡沫液中无机盐的用量对降低腐蚀率有重要作用。

图2 AFFF-3 %腐蚀率随盐浓度变化趋势

除上述指标外，各AFFF产品的凝固点、抗冻融性、比流动性、pH值及温度敏感性等指标均达到GB 15308—2006《泡沫灭火剂》标准中低倍泡沫液和泡沫溶液应达到的要求。

4 结论

对4种AFFF的表面张力、界面张力、扩散系数、发泡倍数、25 %析液时间、灭火时间、抗烧时间、腐蚀率等指标的测试结果表明，其各项性能达到并优于GB 15308—2006《泡沫灭火剂》标准要求，是优秀的消防产品；其腐蚀率测试结果表明，AFFF泡沫液中pH值呈中性或盐度较低时腐蚀率较低。由此可见，MT-C601型短链氟表面活性剂表面活性优异，可应用于AFFF领域，其开发应用意味着我国高环保AFFF具备了自主生产能力，可降低进口依赖度。