蒋新生1，翟 琰1，徐建楠1，冯 军1，尤 杨2
（1．后勤工程学院军事供油工程系，重庆401311；2.62025部队，北京102300）
摘要：为改善泡沫灭火剂的高温稳定性和抗复燃性能，将石墨粉、膨润土和空心玻璃微珠按一定比例复配加入泡沫灭火剂中制备防灭火三相泡沫，利用自主设计的实验台架，研究其发泡、稳泡及油面热稳定性等主要性能，分析复配超细粉体对泡沫灭火剂稳定性的影响机理。实验证明，复配粉体的加入可使泡沫灭火剂在高温下的稳定时间延长10倍以上，粉体颗粒会在泡沫表面形成一层致密壳层，增强泡沫的隔热阻燃性能，石墨粉的存在使壳层更加致密且增强了泡沫的流动性，但会对泡沫的发泡性能产生较大的影响，当空心玻璃微珠和石墨粉的添加质量比为5:2时，整体效果较好。
关键词：油料池火灾；防灭火三相泡沫；超细粉体；灭火剂改性；热稳定性
中图分类号：X932 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 01. 023
0 引 言
极易复燃复爆是油料火灾的主要特性之一。泡沫灭火剂是油料火灾的常用灭火剂，若灭火剂可长时间覆盖于油品表面，阻碍可燃气体的挥发和油品与环境之间的传热过程，则可大大降低油品复燃的可能性，但现有泡沫灭火剂稳定性差，抗复燃效果（抗烧性能）并不理想，特别是在高温条件下，泡沫内水分蒸发速率和气体扩散速率迅速提高，泡沫体积急剧膨胀，泡沫稳定性能急剧恶化。
为增强泡沫稳定性，国内外广泛开展三相泡沫灭火介质方面的研究。三相泡沫是通过向固相粉体颗粒的浆液中加入发泡剂、稳泡剂等助剂，以机械发泡的方式制得，其主要成分包括气（空气或氮气）、液（自来水）、固（超细耐烧粉体）三相。A．M. Sani等人将纳米粘土加入水相泡沫中，得到的泡沫在常温下可稳定数小时，秦波涛等人以粉煤灰和黄泥为固相基料，系统研究了用于煤矿采空区的防灭火三相泡沫组成、形成和衰变机理、流变特性等问题，研制出适用于粉煤灰三相泡沫的发泡剂和稳泡剂，取得了良好的工程应用效果。陈伟红等人将空心玻璃微珠与泡沫灭火剂混合发泡制备三相泡沫，并对其发泡、稳泡及热稳定性能进行了测定。但现有研究多集中于煤矿开采领域，针对油料火灾的研究成果较少，且大多采用单一类型的超细粉体制备三相泡沫，本文开创性的将不同类型的粉体进行复配，考察多种粉体复配之后的协同作用和油品对三相泡沫性能的影响等问题，为三相泡沫在油料火灾领域的应
用奠定实验基础。
本文将空心玻璃微珠、膨润土和石墨粉按一定比例复配后制备粉水浆液，以市售6%合成蛋白泡沫液为发泡剂，经高速搅拌制成复配粉体三相泡沫灭火剂，利用自行设计的实验台架，对其发泡性能、稳泡性能和油面热稳定性能的变化进行探究，分析超细粉体对泡沫性能的多方面影响，确定超细粉体作为泡沫灭火剂改性材料的最优添加量。
1 实验装置与实验方法
1.1 发泡装置及析液时间测定装置
三相泡沫中含固体颗粒，故采用Waring Blender法（即机械搅拌法）进行发泡，主要装置为高速分散机( FS- 400D型，功率400 W，最高转速8 000 r/min。泡沫析液时间测定装置如图1所示，上方为标准检验筛，孔径为0. 125 mm，下方为析液容器和电子天平(精度0.01g)。
1.2 泡沫油面热稳定性实验装置
泡沫油面热稳定性测定系统（如图2）主要由加热装置、泡沫容器、测温模块、记录模块组成。加热装置可精准恒温供热，且加热盘采用锥形结构，热量散失较少，对非加热区域的影响较小。测温模块由两个K型热电偶、ADAM4018数据采集模块以及MCGS数据采集软件构成，上层热电偶与油面平齐，下层热电偶与油水界面平齐（如图3）。记录仪每10 s拍摄一张泡沫形态图片，方便后期对泡沫形态变化进行精准分析。泡沫容器主要由两面铁质壁面和两面耐高温石英玻璃壁面组合而成，石英玻璃壁面构成可视化窗口，主要作用为观察罐内油品液位、泡沫形态和泡沫析出液体积，铁质壁面钻有M20圆孔，方便安装热电偶探头或其他相关设施。
1.3 实验方法
1)固定合成蛋白泡沫液添加量为12 m L，加水稀释至200 m L，按实验需求添加相应粉体，用高速分散机充分搅拌发泡，分散机转速定为4 000 r/min，搅拌时间为1min。记录泡沫高度随时间变化及最终发泡高度，计算发泡倍数。
2)取部分泡沫加入析液时间测定装置，通过计算机记录泡沫的析液质量，计算泡沫25%析液时间。
3)设定热源加热温度为500 0C，向容器中加入1 800 m L清水和400 m L油品，使两支热电偶恰好位于油品表面和底层。向容器中加入适量泡沫，泡沫初始厚度控制在4 cm左右，开启MCGS软件，开始采集温度数据，打开图像记录仪，打开隔热板。观察泡沫形态和泡沫高度变化，进行必要的记录和拍摄。
2 实验材料
本文以市售合成蛋白泡沫液（潍坊泰和消防科技有限公司，规格型号为6%（S，-40C），发泡剂为Fchj -50，稳泡剂为JF1127A）合成蛋白泡沫液为基料，选用空心玻璃微珠、石墨粉进行混合发泡，实验介质为航空煤油。所选用粉体的基本参数如表1所示。
3 实验结果与分析
3.1 粉体添加量对三相泡沫形成和稳定的影响
向泡沫液中添加不同质量的空心玻璃微珠，泡沫发泡性能和25%析液时间变化曲线如图4所示。
加入不同质量的石墨粉后，泡沫发泡性能和25%析液时间随浆液浓度变化曲线如图5所示。
由图4可知，超细粉体浆液的浓度对三相泡沫发泡、稳泡性能有很大影响。当空心玻璃微珠添加量在5g以下时，三相泡沫发泡性能略有下降，25%析液时间基本保持稳定，其原因可能为粉体添加量较少，不足以同泡沫液充分混合形成均匀的三相泡沫体系，但在发泡的
过程中，由于粉体对泡沫的冲击作用，加速了泡沫破坏速度，对泡沫发泡性能产生不利影响。随着粉体添加量的增大，固、液、气三相形成稳定的三相泡沫体系，泡沫稳定性大为增强，其原因为在该三相体系中发生原位疏水化作用，带有相反电荷的表面活性剂分子吸附于颗粒表面，形成单分子层，使颗粒表面疏水，从而使颗粒可以吸附到气／液界面，阻止了泡沫水层的流泻和气泡之间的聚并，同时增强了气泡的机械强度。粉体添加量越大，泡沫稳定性越强。
由图5可以发现，石墨粉对泡沫发泡性能影响较大，且在石墨粉添加量较低时，无法在气泡间形成较为致密的堆积，由于石墨粉流动性较强，对泡沫稳定性的提升作用不明显，但当石墨粉过量时，泡沫的常温稳定性迅速提高。石墨粉具有良好的表面疏水性，因此，虽然其真密度(2.033 g/ml)远大于水，但仍可在水面漂浮。随着石墨粉添加量的增加，三相泡沫的发泡性能急剧下降，这主要是由于石墨粉的表面疏水性导致的。研究表明，疏水性颗粒则具有消泡作用，Livshitz和Duden-kov据此提出了疏水性颗粒的搭桥一去润湿机理。当颗粒在界面的接触角> 900时，颗粒在液膜表明搭桥时，一对润湿周边就会在毛细力的作用下相互接近，使液膜排液速度加快，液膜变薄，加速气泡破裂。当石墨粉添加量超过25 g/200 m L泡沫液时，含石墨粉三相泡沫在常温下的稳定时间明显延长，形成的三相泡沫十分细腻均匀，且随石墨粉添加量的增大，三相泡沫的流动性不断提高，这一点与空心玻璃微珠三相泡沫恰恰相反，其原因可能与泡沫发泡倍数降低，单位含水率升高以及石墨粉堆积的润滑作用导致，添加30 g石墨粉的三相泡沫呈亮黑色，泡沫层表面十分光滑。
容易看出，粉体添加量越大，泡沫稳定性越强，但同时，若浆液浓度过高，相对含水量过低，则泡沫发泡性能会急剧下降，根据实验，本文认为超细粉体与水的质量比控制在1:4～1：2之间为宜。为进一步探讨超细粉体对泡沫稳定性的影响，向200 m L 6%合成泡沫液中加入12.5 g空心玻璃微珠和15 g石墨粉，制备复合粉体三相泡沫。该复合粉体三相泡沫的发泡体积为1 450 m L，发泡倍数为6倍，粉体对泡沫的发泡性能有较大的影响。对比不同泡沫的析液质量与速率曲线（图6，速率曲线由质量曲线求一阶导数得到）发现，两相泡沫的析液速率有先增加后减少的趋势，说明泡沫在形成之初处于热力学的不稳定状态，泡沫间水层含水率过高，泡沫不均匀。而含有复合粉体的三相泡沫开始析液时速率存在波动，其原因可能为复合粉体材料的存在有一定的消泡作用，但所形成的泡沫更加细腻均匀，加之粉体对的阻碍和润湿作用，增强了体系的稳定性，延缓了析液过程的进行，使析液速率基本保持稳定。外观上，含有复合粉体的三相泡沫表面光亮，流动性优良。
3.2 复配粉体对三相泡沫油面热稳定性的影响
通过热电偶，测得在顶部热源作用下覆盖有不同灭火泡沫的航空煤油表面温度变化如图7所示。含有复配粉体的三相泡沫在油面的热稳定性远远超过单一粉体添加时泡沫的热稳定性，在含复配粉体、仅空心微珠以及仅石墨粉三相泡沫覆盖下航煤表面温升曲线如图7所示。
含复合粉体的三相泡沫在顶部热源辐射下，表面迅速形成一层致密的粉体壳层（如图8所示），当粉体壳层形成之后，泡沫高度基本不再变化，且随时间的增长，壳层厚度不断增大，壳层与水相泡沫间形成明显分界，分界高度逐渐下降。
40 min之后，泡沫层水分基本蒸发完毕，此时，航煤由壳体底层开始逐渐向上浸润，浸润期间，粉体壳层形态仍无明显变化。3 500 s时，在航煤向壳层浸润基本完成后，壳层突然塌陷，整个塌陷过程大概持续20 s，远远高于单一粉体壳层的塌陷速度。此时，航煤表面由壳层完全覆盖在20 s内完全暴露于热源中，温度开始迅速上升，并伴有表面爆沸现象，而此时，由于石墨粉比重较大，粉体混合物悬浮于航煤表面以下，呈冰山状，这一现象也说明石墨粉和空心玻璃微珠之间具有较为紧密的连结，其平均密度大概与航煤密度相当。
实验现象表明，含有空心玻璃微珠和石墨粉复配粉体的三相泡沫，在500℃热源下可维持稳定近1h，是普通两相泡沫的5倍以上。但同时发现，泡沫壳层在完全失水的条件下有可能更长时间的保持稳定，其破坏的主要原因是航煤向壳层浸润。由于空心玻璃微珠和石墨粉均为表面亲油性粉体，在失去泡沫层保护后，由于毛细力作用，航煤向上浸润，在短时间内破坏壳层，因此，若可通过对粉体表面进行包覆或者改性，使粉体表面具有憎油性，则有可能使粉体壳层长时间漂浮于油面之上，进而大大增强其油面热稳定性和对油品的覆盖保护能力。
3.3复配粉体添加比例的确定
石墨粉的加入虽有助于泡沫稳定性的提升，但由于石墨粉比重过大，若石墨粉含量过高，不仅影响泡沫的发泡性能，还有可能影响泡沫的喷射性能。实验表明，当石墨粉的添加量减少至5g时，三相泡沫在前期的隔热性能没有较大变化，但泡沫完全破灭的时间有所提前（如图9所示），考虑泡沫综合性能，本文按照空心玻璃微珠与石墨粉质量比5:2制备三相泡沫。
4 结论
1)向两相泡沫中加入空心玻璃微珠可显著增强其高温下稳定性，泡沫稳定性与空心玻璃微珠添加量成正比，但当空心玻璃微珠添加量超过30%时，泡沫的发泡性能受到较大影响，泡沫粘度增大，流动性变差。空心玻璃微珠的最优添加量为25. 1%( 11.2 wt.%)左右。
2)含有石墨粉的三相泡沫在高温热源作用下，表面可形成致密、均匀的石墨粉壳层，阻碍泡沫与外界的传热传质过程，使泡沫热稳定性和覆盖性能明显提高，添加石墨粉的三相泡沫抗高温性能最好。随着石墨粉添加量的增加，壳层厚度和均匀程度不断提高，所形成的三相泡沫更加均匀，泡沫流动性提高。但石墨粉对泡沫的发泡性能有较大影响，石墨粉添加量为30 g／200 ml时，泡沫发泡性能下降23 %。石墨粉的最优添加量为6. 87%(13.2 wt.%)左右。
3)空心玻璃微珠和石墨粉复配后体现出良好的协同作用，空心玻璃微珠有利于石墨粉粘结成块，而石墨粉由于形状不规则，充分补充了空心玻璃微珠失水之后的堆积缝隙，使壳体更为细腻均匀。另外，两种粉体结合较为紧密，使泡沫失水后说形成的壳层结构稳定性远远优于单一粉体所形成的壳层，因此，可在整个覆盖阶段保持稳定。由于两者的结合，使石墨粉重力沉降的比例大大减少，用于形成壳层和隔热的粉体数量增加，进一步增强了隔热效果。
下一篇:返回列表
