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碳氟表面活性剂与水成膜泡沫灭火剂1




本文从碳氟表面活性剂与水成膜泡沫灭火剂的关系出发,分析了我国水成膜泡沫灭火剂未能大量推广使用的主要原因。对发展我国自己的碳氟表面活性剂工业,以促进水成膜泡沫灭火剂的进一步发展提出了看法。
内 容： 
    在目前用于扑灭油类火灾的灭火剂中,水成膜泡沫灭火剂由于其水成膜及泡沫的双重灭火作用而具有最佳灭火效果,而且水成膜泡沫灭火剂中97%以上的组分是水,这使得它在国际范围的“淘汰哈龙行动”中作为哈龙灭火剂的理想替代品,成为国际上重点发展的灭火剂。

水成膜泡沫灭火剂的原理基于很低浓度的氟表面活性剂水溶液在油面上的铺展。碳氟表面活性剂是普通表面活性剂(碳氢表面活性剂)分子碳氢链中的氢原子部分或全部用氟原子取代形成的一类特种表面活性剂,是目前所有表面活性剂中表面活性最高的一类,其最突出的性质之一是它能把水的表面张力降低到很低,以致水溶液可在油面上铺展形成一层水膜。这种能够在油面上铺展形成的水膜的碳氟表面活性剂水溶液俗称“轻水”。若将“轻水”制成泡沫,即为水成膜泡沫灭火剂(或称“轻水”泡沫灭火剂)。

水成膜泡沫灭火剂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。当把轻水泡沫喷射到燃油表面时,泡沫迅速在油面上散开,并析出液体冷却油面。析出的液体同时在油面上铺展形成一层水膜,与泡沫层共同抑制燃油蒸发。这不仅使油与空气隔绝,而且泡沫受热蒸发产生的水蒸汽还可以降低油面上氧的浓度,水溶液的铺展作用又可带动泡沫迅速流向尚未灭火的区域进一步灭火。

水成膜泡沫灭火剂是由美国3M公司开发的。我国公安部天津消防研究所等单位也曾合作研制出类似产品。最初由于其原料来源紧缺､成本太高､腐蚀大及其它因素未能推广使用。此后公安部天津消防研究所等研制出改进产品,又由于多种因素仍未大量推广使用。目前国内已有多家生产水成膜泡沫灭火剂的单位,但灭火剂市场中水成膜泡沫灭火剂仍然是凤毛麟角,基本上只有一些重要部门配备了水成膜泡沫灭火剂,而且很多仍依赖于进口。造成这种现象的主要原因是氟表面活性剂合成困难,价格昂贵。从前面讨论可知,在水成膜泡沫灭火剂中,碳氟表面活性剂是最重要的组分,它决定着水成膜泡沫灭火剂的性能和成本(碳氟表面活性剂占水成膜泡沫灭火剂总成本的80～85%以上)。虽然掌握水成膜泡沫灭火剂配方的单位较多,但基本均不掌握核心技术———即碳氟表面活性剂的生产技术,因此国内所需氟表面活性剂大多是从美国3M公司进口。现今美国3M公司由于特殊原因已停止氟表面活性剂生产,以致使国内许多灭火剂生产厂家陷入困境。

由此可见,欲使水成膜泡沫灭火剂大量推广使用,选择和制备性能优异且价格低廉的碳氟表面活性剂是关键因素之一。

与国外相比,目前我国的碳氟表面活性剂无论从基础理论还是工业应用都非常薄弱,以致尚无一家专业生产碳氟表面活性剂的厂家。表面的原因是碳氟表面活性剂成本高,用不起,深层的原因笔者认为是含氟烷基与碳氟表面活性剂合成､碳氟表面活性剂性能及应用研究两个环节相互脱节,不同研究单位各自为战,缺乏合作。对于专门从事表面活性剂研究的单位,如北京大学化学学院胶化研究室,由于缺乏有机合成的专业力量,难以得到所需要的碳氟表面活性剂。碳氟表面活性剂虽然可从外边购买,但由于其极强的应用背景,其生产单位因技术保密和技术垄断方面的原因,除了极少数人所共知的碳氟表面活性剂之外,一般厂家不告知产品的组成和化学结构,只有其商品名称,研究人员难以进行深入的基础理论及应用研究,即使研制出实际工业应用配方,也要受碳氟表面活性剂生产单位的制约(购买碳氟表面活性剂的成本太高),难以大量推广使用。

像国内一些单位,虽然具有碳氟化合物有机合成方面的专业力量,但对碳氟表面活性剂性能和应用方面的研究还需要很强的表面活性剂物理化学方面的专业背景和专业力量,必须从表面活性剂结构与性能的关系出发,设计合成具有特定性能的多种表面活性剂系列,深入研究它们的物理化学性质,再依据这些性质应用于具体工业配方,而这正是这些单位的弱项。因此虽然碳氟表面活性剂的种类很多,但他们只生产品种单一的少数几种,这些不成系列的产品极大地限制了实际应用研究,应用跟不上,则不能形成大的生产规模,因而成本降不下来。以全氟辛酸和全氟辛基磺酰氟为例,目前国内全氟辛酸的售价在1800元/公斤左右,全氟辛基磺酰氟的售价在1100～1400元/公斤左右,而这两种产品仅为合成氟表面活性剂的基本原料,欲制成氟表面活性剂,还需再经过几步反应,所以最终产品价格更高。如此形成不良循环,以致于碳氟表面活性剂工业在我国长期得不到应有的发展,与国际上这一领域突飞猛进的发展形成巨大的反差。

以上仅为氟表面活性剂的情况。欲制备水成膜泡沫灭火剂,除了氟表面活性剂这一核心原料之外,还需加入其它多种组分,以此造成水成膜泡沫灭火剂的成本一直居高不下,极大地限制了国内水成膜泡沫灭火剂的推广使用。

两性表面活性剂的助水溶性




助水溶性是指一种化学物质增加微水溶性有机物质在水中溶解度的能力。两性表面活性剂也能起助水溶剂的作用。我们用以下配方来评价不同两性表面活性剂的助水溶性。
　　在持续搅拌下按表13顺序加入所有组分，形成白色乳状分散液。由于有电解质存在，所以非离子表面活性剂TX—100不能溶解于水，当加入二甲苯磺酸钠或两性表面活性剂等助水溶剂后就可以得到透明的溶液。不同物质的助水溶能力从1—10划分，高分值相应为低助水溶性，反之，低分值对应高的助水溶能力，表14中列出了测试结果。

　　卫生间清洗液配方可以采用两性表面活性剂作为增稠剂。牛油二羟乙基甜菜碱是在此类应用中比较普遍的一种两性表面活性剂。我们对比了不同牛油二羟乙基甜菜碱含量对10％盐酸溶液黏度的影响，结果如表15所示。

　　总之，两性表面活性剂能够有效地应用于形成温和、可生物降解和高效的家用或工业以及公用设施清洗配方中，而且两性表面活性剂的任何应用都与协合作用有很大关系。两性表面活性剂的温和性和适度的洁净性都比传统的肥皂好，因而可以很好地应用于洗手液中。其在高pH值下的稳定性十分有利于其在金属清洗中的应用。其他的工业清洗剂如高压清洗剂、交通污膜脱除剂和泡沫清洁剂等都会用到两性表面活性剂，有些污垢仅靠机械冲刷力并不能全部除去，高压清洗剂主要靠高压水射流，一些两性表面活性剂被选用，但必须注意表面活性剂泡沫性质以及产生过量泡沫的问题。除去交通污膜是通常的清洗剂配方不容易做到的，两性非离子混合表面活性剂的增效作用可以帮助解决这一问题。这种清洁剂中，非离子表面活性剂常用作渗透剂和润滑剂，两性表面活性剂并不是通过与通常污垢膜的直接作用，而可能的是发生一种增效作用。

表面活性剂




表面活性剂被称为“工业味精”。目前，它的应用空前广泛，已从日化工业发展到石油、纺织、医药、采矿、食品、环境保护等各个领域，现在全球年产量己达1000万吨，品种则达万种以上。表面活性剂种类繁多，各种表面活性剂都有其独特的结构和性质，如何合理地选择和使用，一直是这一领域人们致力于解决的重要问题[1]。
表面活性剂分子是一种两亲分子，具有既亲油又亲水的两亲性质。其分子一般总是由非极性的、亲油的碳氢链和极性的、亲水的基团两部分组成，该两部分分处在两端，形成不对称的结构，因此，它具有可在各种界面上定向吸附及在溶液内部形成胶团的重要性质。
  在表面活性剂中，比较其表面活性分子中亲水基团的亲水性和亲油基团的亲油性是一项衡量效率的重要指标。1949年，Griffin首次提出用HLB值表示表面活性分子内部平衡后整个分子的综合倾向是亲水的还是亲油的，以及亲和程度如何。表面活性剂的HLB值均以石蜡的HLB＝0，聚乙二醇的HLB＝20，十二烷基硫酸钠的HLB＝40作为参考标准，其他表面活性剂的HLB值可用浊度法即由它在水中的溶解情况按表1的标准估计该表面活性剂的HLB范围。
表1 浊度法测定HLB值对照表
加水后情况 HLB值 加水后情况 HLB值
不分散 1——4 稳定乳白色分散系 8——10
分散较差 3——6 半透明至透明分散系 10——13
剧烈振荡后成乳剂 6——8 透明溶液 13以上

HLB值越大，表示该表面活性剂的亲水性越强，反之，则亲油性越强，HLB值在10附近的亲水亲油能力均衡。
表面活性剂分子的HLB值可按照下式计算：
HLB值＝7＋ ∑(亲水基的HLB值)－∑(亲油基的HLB值)

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