伴随着现代工业产业的飞速发展,一些较为发达的工业国家为了适应消防系统的需求,相继在20世纪60年代研发新型高效的灭火剂,AFFF就是其中之一。在此之前,曾被广泛使用的蛋白泡沫灭火剂,已不能满足扑灭较大规模可燃性液体泄露所引起火灾的需求,特别是不能达到快速控制火势以避免可燃性液体着火爆炸的要求。1964年,为应对飞行器事故引起的火灾,AFFF及其所用装备由美国海军研究所和3M公司共同研制开发,并凭借其控火速度快、效果显著、贮存时间长等特点,在随后的数十年中,被大多数工业发达国家广泛釆用。
AFFF的核心组分是氟碳表面活性剂,国家标准GB/T15308-2006中对AFFF的定义为“以碳氢表面活性剂和氟碳表面活性剂为基料的泡沫液,可在某些烧类表面上形成一层水膜”。除了氟碳表面活性剂和碳氢表面活性剂,AFFF中还需要泡沫稳定剂、抗冻剂、螯合剂、防腐剂、缓冲剂等组分。常见AFFF有3%型和6%型2种浓缩液,使用时与水混合后(称为“预混液”)喷射施放,或预混液贮存于灭火器中备用。
AFFF的原理是基于很低浓度的氟碳表面活性剂水溶液在油面上的铺展。氟表面活性剂最突出的性质之一是它能把水的表面张力降到很低,以致水溶液可在油面上铺展形成一层水膜,使油与空气隔绝。当一种液体滴加于另一种液体的表面,可出现三种情况:液滴下沉于底部,如水滴在油上;液滴浮于表面,如一滴石蜡在水面上;液滴在另一液体表面铺开形成一层液膜,如长链醇在水面上。第三种情况称为液体在液体上的铺展。
纯水不能在油面铺展,碳氢表面活性剂水溶液也不能在油面铺展。氟表面活性剂水溶液的表面张力可降到20mN/m以下(甚至15mN/m左右),油的表面张力通常在20-30mN/m,因此氟表面活性剂水溶液突出的低表面张力使其能在油面上铺展一层水膜,由此发展了一种扑灭油品火灾的高性能灭火剂——水成膜泡沫灭火剂。AFFF的出现是灭火剂的革命——用水扑灭油类火灾。
AFFF的灭火作用是由漂浮于油面上的水膜层和泡沫层共同承担的。当把AFFF喷射到燃油表面时:泡沫迅速在油面上沿燃烧物(固体或液体)表面向四周扩散,并由泡沫析出的液体形成一层水膜,隔离可燃物和空气,水膜与泡沫层共同抑制燃油蒸发;泡沫析出液体同时也冷却油面;泡沫中析出的水吸热变为水蒸气,蒸发后稀释了可燃物周围空气,降低了油面上氧的浓度;水溶液的铺展作用带动泡沫迅速流向尚未灭火的区域。除了水膜的封闭作用,氟碳表面活性剂的存在提高了泡沫的流动性(降低泡沫在液面上流动的剪切力),提高了泡沫的耐油性(氟碳链具有疏油性),也提高了泡沫的耐醇性,从而增强了泡沫的铺展性和镇火、灭火能力。高分子化合物的存在提高了泡沫的稳定性、抗烧性和抗醇性能。因而AFFF在隔离(封闭)、降温及窒息三重作用下实现灭火。在扑救B类火灾时,AFFF的灭火作用主要依赖于其水溶液形成水膜在油面上的铺展⑸,进而封闭油面使油与空气隔绝;决定灭火性能的2个关键因素是AFFF在油面上的铺展性能和水膜对油面的密封性能⑹。中华人民共和国国家标准《泡沫灭火剂》对AFFF的检验标准中也以铺展系数和抗烧时间2个指标进行评价⑺。
Tuve等⑶最初提出的AFFF核心组分为长链氟碳表面活性剂,如图1所示。该5种化合物的水溶液均可以扑灭汽油火并防止复燃,其中组成为0.25%A,0.25%D和0.5%PolyoxWSR-35(水溶性聚氧乙烯醍)的混合物水溶液效果较佳。美国3M公司合成了新型含氟表面活性剂,并提岀了较为完善的6%型AFFF配方(见表1),在进行直径1.82m的圆形油盘的灭火实验中,灭火时间为41s(淡水)和49s(海水),抗烧时间为360s(淡水)和294s(海水)⑻。此后,3M公司继续拓展AFFF中氟碳表面活性剂的类型至数十种,包含多种类型的全氟辛基磺酰基、全氟辛酰基及全氟己基磺酰基化合物。
2000年,3M公司进一步提出了一系列全氟甲基-烷基梭酸衍生物为碳氢结构单元的合成方法及该类化合物在AFFF中的应用。表2为一个典型的3%型AFFF配方,该型灭火剂经淡水或海水稀释后在圆形油盘中进行测试,结果列于表3完全满足美国国防部标准除3M公司以外,德国公司、英国公司"对、美国公司、日本公司等均在该领域占有一席之。
表13M公司6%型AFFF的配方
我国AFFF的研究起步较晚。1979年,公安部天津消防研究所和上海有机化学研究所共同研制出第一代AFFF,并在1983和1995年研制成功第二和第三代产品。近年来,北京大学關、中国科学技术大学质、国内一些消防公司等提出了多种AFFF配方。
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