復(fù)配超細(xì)粉體三相泡沫的制備與穩(wěn)定性研究
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蔣新生1，翟 琰1，徐建楠1，馮 軍1，尤 楊2
（1．后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶401311；2.62025部隊(duì)，北京102300）
摘要：為改善泡沫滅火劑的高溫穩(wěn)定性和抗復(fù)燃性能，將石墨粉、膨潤土和空心玻璃微珠按一定比例復(fù)配加入泡沫滅火劑中制備防滅火三相泡沫，利用自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺架，研究其發(fā)泡、穩(wěn)泡及油面熱穩(wěn)定性等主要性能，分析復(fù)配超細(xì)粉體對泡沫滅火劑穩(wěn)定性的影響機(jī)理。實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)配粉體的加入可使泡沫滅火劑在高溫下的穩(wěn)定時間延長10倍以上，粉體顆粒會在泡沫表面形成一層致密殼層，增強(qiáng)泡沫的隔熱阻燃性能，石墨粉的存在使殼層更加致密且增強(qiáng)了泡沫的流動性，但會對泡沫的發(fā)泡性能產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)空心玻璃微珠和石墨粉的添加質(zhì)量比為5:2時，整體效果較好。
關(guān)鍵詞：油料池火災(zāi)；防滅火三相泡沫；超細(xì)粉體；滅火劑改性；熱穩(wěn)定性
中圖分類號：X932 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 01. 023
0 引 言
極易復(fù)燃復(fù)爆是油料火災(zāi)的主要特性之一。泡沫滅火劑是油料火災(zāi)的常用滅火劑，若滅火劑可長時間覆蓋于油品表面，阻礙可燃?xì)怏w的揮發(fā)和油品與環(huán)境之間的傳熱過程，則可大大降低油品復(fù)燃的可能性，但現(xiàn)有泡沫滅火劑穩(wěn)定性差，抗復(fù)燃效果（抗燒性能）并不理想，特別是在高溫條件下，泡沫內(nèi)水分蒸發(fā)速率和氣體擴(kuò)散速率迅速提高，泡沫體積急劇膨脹，泡沫穩(wěn)定性能急劇惡化。
為增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性，國內(nèi)外廣泛開展三相泡沫滅火介質(zhì)方面的研究。三相泡沫是通過向固相粉體顆粒的漿液中加入發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等助劑，以機(jī)械發(fā)泡的方式制得，其主要成分包括氣（空氣或氮?dú)猓�、液（自來水）、固（超�?xì)耐燒粉體）三相。A．M. Sani等人將納米粘土加入水相泡沫中，得到的泡沫在常溫下可穩(wěn)定數(shù)小時，秦波濤等人以粉煤灰和黃泥為固相基料，系統(tǒng)研究了用于煤礦采空區(qū)的防滅火三相泡沫組成、形成和衰變機(jī)理、流變特性等問題，研制出適用于粉煤灰三相泡沫的發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑，取得了良好的工程應(yīng)用效果。陳偉紅等人將空心玻璃微珠與泡沫滅火劑混合發(fā)泡制備三相泡沫，并對其發(fā)泡、穩(wěn)泡及熱穩(wěn)定性能進(jìn)行了測定。但現(xiàn)有研究多集中于煤礦開采領(lǐng)域，針對油料火災(zāi)的研究成果較少，且大多采用單一類型的超細(xì)粉體制備三相泡沫，本文開創(chuàng)性的將不同類型的粉體進(jìn)行復(fù)配，考察多種粉體復(fù)配之后的協(xié)同作用和油品對三相泡沫性能的影響等問題，為三相泡沫在油料火災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)
用奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
本文將空心玻璃微珠、膨潤土和石墨粉按一定比例復(fù)配后制備粉水漿液，以市售6%合成蛋白泡沫液為發(fā)泡劑，經(jīng)高速攪拌制成復(fù)配粉體三相泡沫滅火劑，利用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺架，對其發(fā)泡性能、穩(wěn)泡性能和油面熱穩(wěn)定性能的變化進(jìn)行探究，分析超細(xì)粉體對泡沫性能的多方面影響，確定超細(xì)粉體作為泡沫滅火劑改性材料的最優(yōu)添加量。
1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法
1.1 發(fā)泡裝置及析液時間測定裝置
三相泡沫中含固體顆粒，故采用Waring Blender法（即機(jī)械攪拌法）進(jìn)行發(fā)泡，主要裝置為高速分散機(jī)( FS- 400D型，功率400 W，最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min。泡沫析液時間測定裝置如圖1所示，上方為標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩，孔徑為0. 125 mm，下方為析液容器和電子天平(精度0.01g)。
1.2 泡沫油面熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)裝置
泡沫油面熱穩(wěn)定性測定系統(tǒng)（如圖2）主要由加熱裝置、泡沫容器、測溫模塊、記錄模塊組成。加熱裝置可精準(zhǔn)恒溫供熱，且加熱盤采用錐形結(jié)構(gòu)，熱量散失較少，對非加熱區(qū)域的影響較小。測溫模塊由兩個K型熱電偶、ADAM4018數(shù)據(jù)采集模塊以及MCGS數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成，上層熱電偶與油面平齊，下層熱電偶與油水界面平齊（如圖3）。記錄儀每10 s拍攝一張泡沫形態(tài)圖片，方便后期對泡沫形態(tài)變化進(jìn)行精準(zhǔn)分析。泡沫容器主要由兩面鐵質(zhì)壁面和兩面耐高溫石英玻璃壁面組合而成，石英玻璃壁面構(gòu)成可視化窗口，主要作用為觀察罐內(nèi)油品液位、泡沫形態(tài)和泡沫析出液體積，鐵質(zhì)壁面鉆有M20圓孔，方便安裝熱電偶探頭或其他相關(guān)設(shè)施。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
1)固定合成蛋白泡沫液添加量為12 m L，加水稀釋至200 m L，按實(shí)驗(yàn)需求添加相應(yīng)粉體，用高速分散機(jī)充分?jǐn)嚢璋l(fā)泡，分散機(jī)轉(zhuǎn)速定為4 000 r/min，攪拌時間為1min。記錄泡沫高度隨時間變化及最終發(fā)泡高度，計(jì)算發(fā)泡倍數(shù)。
2)取部分泡沫加入析液時間測定裝置，通過計(jì)算機(jī)記錄泡沫的析液質(zhì)量，計(jì)算泡沫25%析液時間。
3)設(shè)定熱源加熱溫度為500 0C，向容器中加入1 800 m L清水和400 m L油品，使兩支熱電偶恰好位于油品表面和底層。向容器中加入適量泡沫，泡沫初始厚度控制在4 cm左右，開啟MCGS軟件，開始采集溫度數(shù)據(jù)，打開圖像記錄儀，打開隔熱板。觀察泡沫形態(tài)和泡沫高度變化，進(jìn)行必要的記錄和拍攝。
2 實(shí)驗(yàn)材料
本文以市售合成蛋白泡沫液（濰坊泰和消防科技有限公司，規(guī)格型號為6%（S，-40C），發(fā)泡劑為Fchj -50，穩(wěn)泡劑為JF1127A）合成蛋白泡沫液為基料，選用空心玻璃微珠、石墨粉進(jìn)行混合發(fā)泡，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為航空煤油。所選用粉體的基本參數(shù)如表1所示。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 粉體添加量對三相泡沫形成和穩(wěn)定的影響
向泡沫液中添加不同質(zhì)量的空心玻璃微珠，泡沫發(fā)泡性能和25%析液時間變化曲線如圖4所示。
加入不同質(zhì)量的石墨粉后，泡沫發(fā)泡性能和25%析液時間隨漿液濃度變化曲線如圖5所示。
由圖4可知，超細(xì)粉體漿液的濃度對三相泡沫發(fā)泡、穩(wěn)泡性能有很大影響。當(dāng)空心玻璃微珠添加量在5g以下時，三相泡沫發(fā)泡性能略有下降，25%析液時間基本保持穩(wěn)定，其原因可能為粉體添加量較少，不足以同泡沫液充分混合形成均勻的三相泡沫體系，但在發(fā)泡的
過程中，由于粉體對泡沫的沖擊作用，加速了泡沫破壞速度，對泡沫發(fā)泡性能產(chǎn)生不利影響。隨著粉體添加量的增大，固、液、氣三相形成穩(wěn)定的三相泡沫體系，泡沫穩(wěn)定性大為增強(qiáng)，其原因?yàn)樵谠撊囿w系中發(fā)生原位疏水化作用，帶有相反電荷的表面活性劑分子吸附于顆粒表面，形成單分子層，使顆粒表面疏水，從而使顆�？梢晕降綒猓航缑妫柚沽伺菽畬拥牧鳛a和氣泡之間的聚并，同時增強(qiáng)了氣泡的機(jī)械強(qiáng)度。粉體添加量越大，泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng)。
由圖5可以發(fā)現(xiàn)，石墨粉對泡沫發(fā)泡性能影響較大，且在石墨粉添加量較低時，無法在氣泡間形成較為致密的堆積，由于石墨粉流動性較強(qiáng)，對泡沫穩(wěn)定性的提升作用不明顯，但當(dāng)石墨粉過量時，泡沫的常溫穩(wěn)定性迅速提高。石墨粉具有良好的表面疏水性，因此，雖然其真密度(2.033 g/ml)遠(yuǎn)大于水，但仍可在水面漂浮。隨著石墨粉添加量的增加，三相泡沫的發(fā)泡性能急劇下降，這主要是由于石墨粉的表面疏水性導(dǎo)致的。研究表明，疏水性顆粒則具有消泡作用，Livshitz和Duden-kov據(jù)此提出了疏水性顆粒的搭橋一去潤濕機(jī)理。當(dāng)顆粒在界面的接觸角> 900時，顆粒在液膜表明搭橋時，一對潤濕周邊就會在毛細(xì)力的作用下相互接近，使液膜排液速度加快，液膜變薄，加速氣泡破裂。當(dāng)石墨粉添加量超過25 g/200 m L泡沫液時，含石墨粉三相泡沫在常溫下的穩(wěn)定時間明顯延長，形成的三相泡沫十分細(xì)膩均勻，且隨石墨粉添加量的增大，三相泡沫的流動性不斷提高，這一點(diǎn)與空心玻璃微珠三相泡沫恰恰相反，其原因可能與泡沫發(fā)泡倍數(shù)降低，單位含水率升高以及石墨粉堆積的潤滑作用導(dǎo)致，添加30 g石墨粉的三相泡沫呈亮黑色，泡沫層表面十分光滑。
容易看出，粉體添加量越大，泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng)，但同時，若漿液濃度過高，相對含水量過低，則泡沫發(fā)泡性能會急劇下降，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，本文認(rèn)為超細(xì)粉體與水的質(zhì)量比控制在1:4～1：2之間為宜。為進(jìn)一步探討超細(xì)粉體對泡沫穩(wěn)定性的影響，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，制備復(fù)合粉體三相泡沫。該復(fù)合粉體三相泡沫的發(fā)泡體積為1 450 m L，發(fā)泡倍數(shù)為6倍，粉體對泡沫的發(fā)泡性能有較大的影響。對比不同泡沫的析液質(zhì)量與速率曲線（圖6，速率曲線由質(zhì)量曲線求一階導(dǎo)數(shù)得到）發(fā)現(xiàn)，兩相泡沫的析液速率有先增加后減少的趨勢，說明泡沫在形成之初處于熱力學(xué)的不穩(wěn)定狀態(tài)，泡沫間水層含水率過高，泡沫不均勻。而含有復(fù)合粉體的三相泡沫開始析液時速率存在波動，其原因可能為復(fù)合粉體材料的存在有一定的消泡作用，但所形成的泡沫更加細(xì)膩均勻，加之粉體對的阻礙和潤濕作用，增強(qiáng)了體系的穩(wěn)定性，延緩了析液過程的進(jìn)行，使析液速率基本保持穩(wěn)定。外觀上，含有復(fù)合粉體的三相泡沫表面光亮，流動性優(yōu)良。
3.2 復(fù)配粉體對三相泡沫油面熱穩(wěn)定性的影響
通過熱電偶，測得在頂部熱源作用下覆蓋有不同滅火泡沫的航空煤油表面溫度變化如圖7所示。含有復(fù)配粉體的三相泡沫在油面的熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一粉體添加時泡沫的熱穩(wěn)定性，在含復(fù)配粉體、僅空心微珠以及僅石墨粉三相泡沫覆蓋下航煤表面溫升曲線如圖7所示。
含復(fù)合粉體的三相泡沫在頂部熱源輻射下，表面迅速形成一層致密的粉體殼層（如圖8所示），當(dāng)粉體殼層形成之后，泡沫高度基本不再變化，且隨時間的增長，殼層厚度不斷增大，殼層與水相泡沫間形成明顯分界，分界高度逐漸下降。
40 min之后，泡沫層水分基本蒸發(fā)完畢，此時，航煤由殼體底層開始逐漸向上浸潤，浸潤期間，粉體殼層形態(tài)仍無明顯變化。3 500 s時，在航煤向殼層浸潤基本完成后，殼層突然塌陷，整個塌陷過程大概持續(xù)20 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一粉體殼層的塌陷速度。此時，航煤表面由殼層完全覆蓋在20 s內(nèi)完全暴露于熱源中，溫度開始迅速上升，并伴有表面爆沸現(xiàn)象，而此時，由于石墨粉比重較大，粉體混合物懸浮于航煤表面以下，呈冰山狀，這一現(xiàn)象也說明石墨粉和空心玻璃微珠之間具有較為緊密的連結(jié)，其平均密度大概與航煤密度相當(dāng)。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，含有空心玻璃微珠和石墨粉復(fù)配粉體的三相泡沫，在500℃熱源下可維持穩(wěn)定近1h，是普通兩相泡沫的5倍以上。但同時發(fā)現(xiàn)，泡沫殼層在完全失水的條件下有可能更長時間的保持穩(wěn)定，其破壞的主要原因是航煤向殼層浸潤。由于空心玻璃微珠和石墨粉均為表面親油性粉體，在失去泡沫層保護(hù)后，由于毛細(xì)力作用，航煤向上浸潤，在短時間內(nèi)破壞殼層，因此，若可通過對粉體表面進(jìn)行包覆或者改性，使粉體表面具有憎油性，則有可能使粉體殼層長時間漂浮于油面之上，進(jìn)而大大增強(qiáng)其油面熱穩(wěn)定性和對油品的覆蓋保護(hù)能力。
3.3復(fù)配粉體添加比例的確定
石墨粉的加入雖有助于泡沫穩(wěn)定性的提升，但由于石墨粉比重過大，若石墨粉含量過高，不僅影響泡沫的發(fā)泡性能，還有可能影響泡沫的噴射性能。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)石墨粉的添加量減少至5g時，三相泡沫在前期的隔熱性能沒有較大變化，但泡沫完全破滅的時間有所提前（如圖9所示），考慮泡沫綜合性能，本文按照空心玻璃微珠與石墨粉質(zhì)量比5:2制備三相泡沫。
4 結(jié)論
1)向兩相泡沫中加入空心玻璃微珠可顯著增強(qiáng)其高溫下穩(wěn)定性，泡沫穩(wěn)定性與空心玻璃微珠添加量成正比，但當(dāng)空心玻璃微珠添加量超過30%時，泡沫的發(fā)泡性能受到較大影響，泡沫粘度增大，流動性變差。空心玻璃微珠的最優(yōu)添加量為25. 1%( 11.2 wt.%)左右。
2)含有石墨粉的三相泡沫在高溫?zé)嵩醋饔孟拢砻婵尚纬芍旅�、均勻的石墨粉殼層，阻礙泡沫與外界的傳熱傳質(zhì)過程，使泡沫熱穩(wěn)定性和覆蓋性能明顯提高，添加石墨粉的三相泡沫抗高溫性能最好。隨著石墨粉添加量的增加，殼層厚度和均勻程度不斷提高，所形成的三相泡沫更加均勻，泡沫流動性提高。但石墨粉對泡沫的發(fā)泡性能有較大影響，石墨粉添加量為30 g／200 ml時，泡沫發(fā)泡性能下降23 %。石墨粉的最優(yōu)添加量為6. 87%(13.2 wt.%)左右。
3)空心玻璃微珠和石墨粉復(fù)配后體現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，空心玻璃微珠有利于石墨粉粘結(jié)成塊，而石墨粉由于形狀不規(guī)則，充分補(bǔ)充了空心玻璃微珠失水之后的堆積縫隙，使殼體更為細(xì)膩均勻。另外，兩種粉體結(jié)合較為緊密，使泡沫失水后說形成的殼層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單一粉體所形成的殼層，因此，可在整個覆蓋階段保持穩(wěn)定。由于兩者的結(jié)合，使石墨粉重力沉降的比例大大減少，用于形成殼層和隔熱的粉體數(shù)量增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了隔熱效果。
