康文东，徐志胜，丁发兴，颜龙

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

泡沫灭火剂是目前扑救液体火灾最常用、最有效的方法[1-2]，其稳定性在灭火过程中起着至关重要的作用。然而，泡沫作为热力学不稳定结构，会随时间的推移而逐渐消失[3]。针对泡沫不稳定的问题，研究者采用表面活性剂、固体颗粒和聚合物等来提高其稳定性[4-7]。目前，添加多糖聚合物作为稳泡剂提升泡沫稳定性的重要方式之一，但关于多糖聚合物种类和浓度对泡沫灭火剂性能影响的研究较少[8-10]。

本文以黄原胶、海藻酸钠和明胶为稳泡剂制备环保型泡沫灭火剂，探讨了多糖聚合物种类、浓度和配比对泡沫灭火剂粘度、起泡性和泡沫稳定性的影响和规律，并揭示了多糖聚合物的稳泡机制。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

α-烯烃磺酸钠(AOS)、海藻酸钠、黄原胶(纯度≥99%)、明胶均为工业品；尿素、二乙二醇丁醚、乙二醇均为分析纯；去离子水，阿拉丁试剂；磷酸酯两性有机硅表面活性剂(PPSS)，自制。

NDJ-5S型旋转粘度计；FA1004型电子分析天平；2151罗氏泡沫仪；析液测试装置，自制；Lcd micro 5MP型显微镜。

1.2 环保型泡沫灭火剂的制备

将AOS和PPSS溶于去离子水中得到表面活性剂溶液。加入乙二醇和二乙二醇丁醚，再缓慢加入尿素和泡沫稳定剂。最后，加入去离子水，充分混合，制得泡沫灭火剂，基本组成见表1。

表1 灭火剂的基本组成Table 1 The basic components of foam solution

1.3 测试与表征

1.3.1 起泡性能测试 泡沫灭火剂的起泡性能采用Ross-Miles法进行测试，在实验开始时，打开球形漏斗阀门，漏斗中的泡沫液滴入到装有相同溶液的圆柱形玻璃容器中，液体相互撞击形成泡沫且泡沫高度逐渐增加，直至漏斗中的液体完全排出，然后记录泡沫的初始高度(H0)用于评估泡沫灭火剂的起泡性能。

1.3.2 析液特性测试 采用图1所示的自组析液装置测试。该装置由泡沫收集罐、支架、恒温水浴锅、橡胶管、液体收集罐、电子天平和数据采集装置组成。泡沫收集罐由双层玻璃制成，容积为 250 mL；泡沫收集罐外接循环水浴锅以保持泡沫收集罐内的温度保持恒定。

实验开始时，打开循环水浴锅并调节水浴锅温度，待温度稳定后将泡沫快速倒入泡沫收集罐中，当液体从析液口流出进入液体收集罐时开始计时，观测电子天平的数值，待液体收集罐中的液体质量为25%泡沫质量时，记录时间，即为25%析液时间，用于评估泡沫灭火剂的泡沫稳定性，用t25%表示。将液体收集罐中的液体质量随时间的变化关系作图，通过拟合，得到曲线的斜率，即为析液速率。

图1 析液装置示意图Fig.1 Schematic diagram of drainage analysis device1.泡沫收集罐；2.支架；3.恒温水浴锅；4.橡胶管；5.液体收集罐；6.电子天平；7.PC端

1.3.3 泡沫形貌分析 将少量泡沫放入带有凹槽的载玻片上，置于显微镜下，采用4倍物镜每隔30 s拍摄泡沫照片，并经Image J软件处理后，测量气泡的直径。

2 结果与讨论

2.1 多糖聚合物对泡沫灭火剂粘度的影响

多糖聚合物质量分数对泡沫灭火剂粘度的影响见图2。

由图2可知，除明胶外，泡沫灭火剂的粘度随单一组分多糖聚合物质量分数的增大而增大。黄原胶/海藻酸钠和黄原胶/明胶复配体系的粘度随稳泡剂质量浓度比的增大而增大，而明胶/海藻酸钠复配体系的粘度随质量浓度比的增大而减小。

图2 泡沫灭火剂粘度随聚合物浓度的变化关系Fig.2 The viscosity of AFFF solutions with different polysaccharide polymersa.不同质量分数的多糖聚合物；b.黄原胶/海藻酸钠复配体系；c.明胶/海藻酸钠复配体系；d.黄原胶/明胶复配体系

2.2 多糖聚合物对泡沫灭火剂起泡性和泡沫稳定性的影响

多糖聚合物质量分数对泡沫灭火剂起泡性能的影响见图3，相关数据见表2。

图3 3种稳泡剂对泡沫灭火剂初始泡沫高度的影响Fig.3 The initial foam height of foam solutions with different polysaccharide polymersa.黄原胶；b.海藻酸钠；c明胶

由图3可知，黄原胶和海藻酸钠对泡沫灭火剂的起泡性具有抑制作用，且随着黄原胶和海藻酸钠质量分数的增加，起泡性能逐渐下降，这主要是因为黄原胶和海藻酸钠对泡沫灭火剂粘度的提升导致Ross-Miles的泡沫在生长过程中由液滴冲击泡沫的空气注入量减少，降低了液滴吸入空气的效率，从而使得起泡性能降低。然而，明胶对泡沫灭火剂的起泡性具有促进作用，且当明胶的质量分数由0.05%增大到0.20%，初始泡沫高度相较于未添加稳泡剂分别提升了8.6%，15.3%，12.6%和9.9%。

表2 泡沫灭火剂的理化性能参数Table 2 The physicochemical parameters of foam solutions

添加不同稳泡剂泡沫灭火剂的析液速率和25%析液时间分别见图4和图5。

图4 3种稳泡剂对泡沫灭火剂析液速率的影响Fig.4 The drainage rate of foam solutions with different polysaccharide polymersa.黄原胶；b.海藻酸钠；c.明胶

图5 3种稳泡剂对25%析液时间的影响Fig.5 The 25% drainage time of foam solutions with different polysaccharide polymersa.黄原胶；b.海藻酸钠；c.明胶

由图4和图5可知，随着稳泡剂质量分数的增大，泡沫灭火剂的析液速率逐渐减小、25%析液时间逐渐增大，其中黄原胶表现出最佳的稳泡效果。当添加0.05%(质量分数)的黄原胶，可使泡沫灭火剂的t25%增加至202.7 s，但却降低了泡沫的起泡性能。由此可见，添加单一组分稳泡剂无法有效均衡起泡性和泡沫稳定性，因而有必要探究多糖聚合物复配体系对泡沫灭火剂性能的影响。

2.3 多糖聚合物复配体系对泡沫灭火剂起泡性能和泡沫稳定性能的影响

稳泡剂复配体系对泡沫灭火剂初始泡沫高度的影响见图6，相关数据见表2。

图6 稳泡剂复配体系对泡沫灭火剂 初始泡沫高度的影响Fig.6 The initial foam height of foam solutions with different mixed systemsa.黄原胶/海藻酸钠；b.明胶/海藻酸钠；c.黄原胶/明胶

由图6可知，添加黄原胶/海藻酸钠复配体系，会降低泡沫灭火剂的起泡性能，当复配体系的质量浓度比为1∶9时，初始泡沫高度(H0)=0。而添加明胶/海藻酸钠和黄原胶/明胶复配体系，则可以提升泡沫灭火剂的起泡性能，当黄原胶分别与海藻酸钠和明胶的质量浓度比为1∶5时，初始泡沫高度(H0)相较于未添加稳泡剂提升了9.9%。

不同聚合物复配体系对泡沫灭火剂析液速率和25%析液时间的影响见图7和图8。

由图7和图8可知，明胶/海藻酸钠复配体系无法有效提升泡沫稳定性；黄原胶/海藻酸钠和黄原胶/明胶复配体系对泡沫稳定性具有明显的促进作用。当黄原胶分别与海藻酸钠和明胶以质量浓度比1∶5复配时，所制备的环保型泡沫灭火剂的25%析液时间相较于未添加稳泡剂分别增大了638.9%和398.4%。

图7 稳泡剂复配体系对泡沫灭火剂析液速率的影响Fig.7 The drainage rate of foam solutions with different mixed systemsa.黄原胶/海藻酸钠；b.明胶/海藻酸钠；c黄原胶/明胶

图8 稳泡剂复配体系对泡沫灭火剂25% 析液时间的影响Fig.8 The 25% drainage time of foam solutions with different mixed systemsa.黄原胶/海藻酸钠；b.明胶/海藻酸钠；c黄原胶/明胶

综上所述，黄原胶/海藻酸钠和明胶/海藻酸钠复配体系无法改善泡沫灭火剂的综合性能，而黄原胶/明胶复配体系能有效均衡起泡性能和泡沫稳定性。结合粘度测试结果可知，黄原胶/海藻酸钠复配体系提高了泡沫灭火剂的粘度，导致泡沫在生长过程中由液滴冲击泡沫的空气注入量大量减少，起泡性能迅速下降；明胶/海藻酸钠复配体系降低了泡沫灭火剂的粘度，导致液膜的强度下降，析液速率增大，泡沫稳定性下降；黄原胶/明胶复配体系对泡沫灭火剂粘度影响较小，在略微降低泡沫膜的破裂同时，延长了泡沫的寿命，从而有效提升泡沫灭火剂的起泡性和泡沫稳定性。

2.4 温度对析液过程的影响

环保型泡沫灭火剂在不同温度下的析液速率和25%析液时间见图9。

图9 不同温度下泡沫灭火剂的析液速率 和25%析液时间Fig.9 The variation of drainage rate and 25% drainage time versus temperaturea.析液速率；b.25%析液时间

由图9可知，析液速率随温度的升高而逐渐增大，25%析液时间随温度的升高而逐渐减小。拟合得到25%析液时间随温度变化的表达式如下：

t=133.068-0.309 4T-0.003 3T2

(1)

式中t——25%析液时间，s；

T——实验温度，℃。

由式(1)可得，当T=159.3 ℃时，t=0，即当温度超过159.3 ℃时，泡沫液膜瞬间破裂，泡沫结构破坏，液体迅速析出而丧失稳定性，此时泡沫无法在燃料表面形成隔绝层，不能起到灭火的作用。

2.5 多糖聚合物在泡沫灭火剂中的稳泡机制

添加黄原胶/明胶复配体系前后的气泡尺寸随时间的变化见图10。

图10 添加黄原胶/明胶复配体系前后气泡 尺寸随时间的变化关系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

由图10可知，在t=0 min时，两组泡沫的气泡直径均小于60 μm，未添加稳泡剂泡沫的平均直径为24.7 μm，添加黄原胶/明胶复配体系泡沫的平均直径为22.8 μm；当t>10 min后，气泡尺寸分布变化明显，直径小于60 μm的气泡占比显著降低。当t=30 min时，未添加稳泡剂的泡沫直径在10～30 μm 的气泡减少到10%，90～120 μm的气泡增加到15%而120～150 μm、150～180 μm和210～240 μm的气泡分别增加至5%，平均直径为 75.0 μm；添加黄原胶/明胶复配体系的气泡尺寸均不超过120 μm、平均直径为58.8 μm。由此可知，添加黄原胶/明胶复配体系可减缓泡沫的粗化速度。

综上所述，黄原胶/明胶复配体系的加入，使泡沫灭火剂的粘度增大，一方面增强了泡沫液膜的表面强度，导致泡沫液膜在较长的时间间隔后破裂[11]；另一方面，也增大了气泡高原边界的流动阻力，降低了析液速率和气泡粗化速度，从而提高了泡沫稳定性。

3 结论

选取黄原胶、海藻酸钠和明胶作为稳泡剂制得环保型泡沫灭火剂，研究了稳泡剂的类型、浓度和配比对泡沫灭火剂理化性能的影响和规律，得出以下结论。

(1)添加单一黄原胶或海藻酸钠作为稳泡剂，虽能有效提升泡沫灭火剂的粘度和25%析液时间，但会降低起泡性能，无法有效均衡泡沫起泡性能和稳定性。

(2)添加黄原胶和明胶复配体系，能有效均衡泡沫灭火剂的起泡性和泡沫稳定性，当m(黄原胶)∶m(明胶)=1∶5时，所制备泡沫灭火剂的初始泡沫高度和25%析液时间最佳分别为123.0 mm和128.1 s。

(3)泡沫灭火剂的析液速率随温度的升高而逐渐增大，其中25%析液时间与温度的关系可表达为：t=133.068-0.309 4T-0.003 3T2。

(4)相较于黄原胶/海藻酸钠和明胶/海藻酸钠复配体系，黄原胶/明胶复配体系的加入，使泡沫灭火剂粘度增大，增强了泡沫液膜的表面强度和气泡高原边界的流动阻力，进而有效提高泡沫灭火剂的起泡性和泡沫稳定性。