2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1表面活性劑發(fā)泡性分析

2.1.1表面活性劑一元體系發(fā)泡性能研究

如圖1所示，3種表面活性劑發(fā)泡性能隨濃度增加而增大，都經(jīng)過了快速增長階段、緩慢增長階段，最后發(fā)泡高度趨于平穩(wěn)，不再隨濃度增加而變化。SDS、CAB、無患子皂苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在5%、8%、15%時(shí)初始泡沫高度達(dá)到了最高值，分別是166 mm、171 mm、152 mm。形成大量泡沫的關(guān)鍵因素是表面流動(dòng)性［8］，以上結(jié)果表明CAB具有更好的表面流動(dòng)性。

圖1表面活性劑發(fā)泡性隨體積分?jǐn)?shù)的變化

以發(fā)泡體系的復(fù)配組分（無患子皂苷、SDS、CAB 3種表面活性劑）為考察的3個(gè)因素，根據(jù)3種表面活性劑的發(fā)泡性能，每個(gè)因素選3個(gè)水平，選用L9（33）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化泡沫滅火劑的配方，正交表設(shè)計(jì)如表1所示。

表1正交試驗(yàn)因素及水平單位：%

表2發(fā)泡性能正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2表面活性劑三元體系泡沫溶液發(fā)泡性能

根據(jù)正交表測定其發(fā)泡高度，結(jié)果見表2。表2中K1、K2、K3表示各因素在相應(yīng)水平下評價(jià)指標(biāo)的平均值，R為各因素相應(yīng)水平下評價(jià)指標(biāo)的級(jí)差。發(fā)泡高度的極差R值表明，各因素的重要性依次為SDS>CAB=無患子皂苷，SDS對復(fù)配體系的發(fā)泡性能影響最大。由表2中發(fā)泡高度的K值可見，發(fā)泡性能最佳的組合是第9組。表面活性劑復(fù)配后隨著其添加量的增加，空氣與液膜之間的活性劑分子濃度增加，有利于提高泡沫溶液的發(fā)泡能力［9］。

表3為泡沫溶液的配方。根據(jù)三元復(fù)配體系的發(fā)泡性能，選取發(fā)泡性能最佳的9號(hào)組，無患子皂苷、SDS、CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定在15%、5%、5%。研究XG濃度變化對泡沫溶液性能的影響。

表3泡沫液的組分單位：%

2.2 XG對泡沫溶液性能的影響

2.2.1發(fā)泡能力

市售3%AFFF和5組試驗(yàn)組泡沫溶液的發(fā)泡能力測試結(jié)果如圖2所示。SDS、CAB、無患子皂苷的發(fā)泡能力隨著XG濃度的增加而下降。XG引起的泡沫溶液發(fā)泡能力的下降主要因?yàn)閄G分子之間的相互作用形成網(wǎng)狀包裹結(jié)構(gòu)，降低了表面活性分子其周圍結(jié)合水分子的數(shù)目，從而降低泡沫溶液的發(fā)泡性能。

圖2泡沫溶液發(fā)泡性能隨XG濃度的變化

2.2.2泡沫穩(wěn)定性

泡沫的穩(wěn)定性主要由泡沫的排水、粗化和聚并等多因素決定［10］。雙注射器技術(shù)產(chǎn)生的6種泡沫的圖像見圖3，而6種泡沫的50%析液時(shí)間測定結(jié)果見表4。這6種泡沫在0 s時(shí)有相同的初始體積，在重力作用下發(fā)生泡沫排水現(xiàn)象，600 s后6種泡沫的排水體積之間存在很大的差異，X-0#、X-1#和X-2#樣品泡沫排水量幾乎達(dá)到發(fā)泡前泡沫溶液的初始體積，X-3#泡沫排水量明顯降低，X-4#泡沫的排水體積較3%AFFF的排水體積少。以上結(jié)果表明添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%的XG能很好地減緩泡沫排水，使無氟泡沫和商用泡沫滅火劑有相當(dāng)?shù)呐菽€(wěn)定性。

圖3通過雙注射器技術(shù)在不同時(shí)間泡沫溶液產(chǎn)生的泡沫

X-1#、X-2#與X-0#樣品的50%析液時(shí)間相近，表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%的XG和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的XG對穩(wěn)定泡沫無明顯作用。為簡潔起見，僅顯示X-0#、X-3#、X-4#和3%AFFF泡沫形態(tài)隨時(shí)間的變化見圖4。在形成均質(zhì)泡沫后30 s時(shí)，4種泡沫溶液產(chǎn)生的泡沫尺寸大部分為幾十微米，大的不超過200m。之后由于泡沫之間的壓差，導(dǎo)致泡沫不斷粗化、聚并，在泡沫粗化過程中，各組泡沫形態(tài)發(fā)生變化。X-0#和X-3#的泡沫在600 s時(shí)，泡沫數(shù)量明顯減少，X-0#最大泡沫尺寸達(dá)到239m，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的XG的X-3#泡沫量也減少，但泡沫粗化現(xiàn)象減弱，XG加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的X-4#樣品泡沫尺寸變化小，最大泡沫尺寸為164m，可見添加XG對泡沫的粗化有明顯的抑制作用。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%XG泡沫與3%AFFF有相似的泡沫粗化過程。

表4 50%析液時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果單位：s

圖4泡沫粗化過程

2.2.3泡沫擴(kuò)散性分析

測得環(huán)己烷的表面張力為25.24 mN/m，根據(jù)式（1），6組試驗(yàn)組其擴(kuò)散系數(shù)如表5所示。X-0#、X-1#、X-2#、X-3#和X-4#樣品擴(kuò)散系數(shù)都為負(fù)值。試劑復(fù)配后活性劑分子疏水基水分子之間依然有較大斥力，因此，此配方所產(chǎn)生的泡沫無法在油面上形成水膜［11］。X-0#、X-1#、X-2#、X-3#和X-4#樣品之間的表面張力和界面張力表現(xiàn)出較小的差異，分別在29.60～30.28 mN/m和2.31～2.65 mN/m之間。表明XG對泡沫溶液的表面張力和界面張力影響較小，影響表面張力和界面張力的主要原因是表面活性劑的種類。X-4#樣品的粘度變化比較明顯，因?yàn)閄G濃度的增加導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，并且XG與表面活性劑相互作用：通過靜電、疏水和氫鍵等發(fā)生，這有助于顯著增加溶液粘度的協(xié)同效應(yīng)。

表5泡沫溶液的性能