氟碳表面活性剂在消防领域中的应用

杨士亮，杨宏伟，吴 超

(空军勤务学院，江苏 徐州 221006)

氟碳表面活性剂在消防领域中的应用

杨士亮，杨宏伟，吴 超

(空军勤务学院，江苏 徐州 221006)

分析了氟碳表面活性剂的结构和性能特点；讲解了氟蛋白泡沫灭火剂、轻水泡沫灭火剂和凝胶型抗溶剂泡沫灭火剂的基本组成、性能特点和在消防领域中的应用场合等；最后指出在研发过程中科学工作者必须考虑氟碳表面活性剂对人类身体和环境可能产生的危害。

氟碳表面活性剂；氟蛋白泡沫；轻水泡沫；凝胶型抗溶剂泡沫；消防领域

火灾严重地危害着生命和财产的安全，同时火灾生成了大量的有害气体，如氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、一氧化碳（CO），和一些碳氢化合物等，从而引起了诸如酸雨、温室效应等严重的环境问题[1]。因此，研制新型有效的灭火剂是十分迫切和必要的。

氟碳表面活性剂以其优良而独特的性能，在消防领域中有着不可替代的作用，作为新型的灭火剂正日益受到重视。本文分析了氟碳表面活性剂的结构和性能特点，概述了在消防领域中的应用。

1 氟碳表面活性剂的结构性能特点

氟碳表面活性剂特有的性能与氟元素的结构性能是密不可分的。氟元素是所有元素中反应活性最强、负电性最强的元素，并且原子极化率又是最低的。碳氢化合物中，氟元素的结合能非常高（如表1所示）[2,3]。资料显示，碳氟键比碳氢键的键能大约 76 kJ·mol-1，而且键长很短，分子偶极距小，极化率小，与化学活性物质相互作用力小，因此其热稳定性和化学稳定性都很强。同时，氟碳结构中，氟元素的范德华半径比氢元素的稍大，但是比其他所有元素的原子半径要小，恰好能把碳链紧密包裹，形成氟元素的空间屏障保护和负电屏蔽保护。因此氟碳表面活性剂具有“三高两憎”的特性，即高表面活性、高热稳定性、高化学稳定性和憎水憎油性能[4]。

表1 氟元素的结合能Table 1 Binding energy of fluorine

2 消防领域中氟碳表面活性剂的应用

2.1 氟蛋白泡沫灭火剂

氟蛋白泡沫灭火剂（Fluoroprotein Foam，FP）是将阴离子型氟表面活性剂添加进普通泡沫灭火剂之中制成的，因此又简称为氟蛋白。它的特点主要有，（1）灭火速度快。由于氟表面活性剂降低了表面张力，从而降低了液体的剪切力和流动阻力，提高了泡沫的流动性，使泡沫能迅速覆盖在火焰表面，阻隔空气中的氧气达到灭火目的；（2）灭火效率高。灭火速度比普通蛋白泡沫灭火剂快3~4倍，且不复燃。氟蛋白还具有自封作用，将局部火焰自行扑灭。资料显示[5]，面积为80 m2的火场，利用200 dm3含40 g阴离子氟蛋白泡沫灭火剂即可将火有效扑灭；（3）联用效果好。与普通干粉灭火剂联用，能增强灭火效果。美国National Foam System公司、英国George Augus公司、加拿大Laurention公司和我国上海有机氟材料研究所都有此类灭火剂。

成膜氟蛋白泡沫灭火剂（Film forming fluoroprotein foam，FFFP）是现在国外消防领域广泛应用的一种复合表面表面活性剂。该产品是包含氟表面活性剂和乙二醇溶剂的水解蛋白溶液，还含有防止凝结、腐蚀和细菌分解的各种添加剂（如表2所示）[6]。

表2 成膜氟蛋白泡沫灭火剂的化学组成Table 2 Chemical composition of the FFFP

成膜氟蛋白泡沫灭火剂具有泡沫稳定性好、抗烧时间长、流动性能快和粘度低等特点，它能与干粉灭火剂联用，也可采用液下喷射的方法灭火，因此特别适用于大型化工产、化工仓库、油库和飞机场等场所所引起的火灾。2003年，我国上海化学工业园区孚宝码头的消防工程中就引用了该产品。

2.2 轻水泡沫灭火剂

轻水泡沫灭火剂（Aqueous Film Forming Foaming，AFFF）又称为水薄膜泡沫形成剂。由于该灭火剂形成的水膜虽然相对密度比油大，但由于氟碳表面活性剂大大降低了水的表面张力，使之能漂浮于油面之上，使燃油降温、隔绝氧气而灭火。要使水溶液在油面上铺展必须使铺展系数S水/油＞0：

式中，S水/油：水在油面上的铺展系数；γ油：油的表面张力；γ水：水的表面张力；γ水/油：油水界面张力。

20世纪60年代，美国3M公司与美国海军就联合研制生产了这类灭火剂，我国上海有机氟材料研究所也已经研制并批量生产。对于轻水泡沫灭火剂中的主要成分氟碳表面活性剂，国内科学研究者也进行有益的探索和研究，例如刘振营等研究了一种新型的非离子型氟碳表面活性剂 Interehem-1，其表面张力可达16.8 Mn/m，具有优良的发泡性和泡沫稳定性，以此氟碳表面活性剂为主剂的轻水泡沫灭火剂，灭火效果非常优异。AFFF能在油层表面形成泡沫薄膜，窒息火焰，并有抑制油层表面蒸发的能力，防止复燃，因此可广泛应用于机场油库，以及隧道的灭火。利用其特点我国还将之应用于地下车库、广场和水面舰艇等消防场所[7,8]。

2.3 凝胶型抗溶剂泡沫灭火剂

凝胶型抗溶剂灭火剂（是指在蛋白泡沫灭火剂中添加的两性氟表面活性剂，在溶液表面形成高分子聚合物膜，能有效延缓泡沫收缩，增强泡沫抗热能力，抵抗极性溶剂消泡作用的一类灭火剂。1935年，德国人Bohm以季铵盐型的阳离子表面活性剂获得了英国专利；1939年，Dimario首创了金属皂型泡沫；20世纪50年代初，美国Pefri等人将锌、镉等金属盐以过量的乙醇胺分散到水解蛋白之中，研制成至今广泛使用的凝胶型抗溶剂灭火剂。

常用的抗极性溶剂的灭火剂有三类。（1）合成表面活性剂中添加氨基醇的金属皂；（2）加水分解的蛋白液中溶解了氨基醇的金属皂；（3）合成表面活性剂中溶解了藻酸钠等水溶性高分子。该类灭火剂适用于醇、酯、酮、醚和甲苯等有机酸等可溶性的可燃、易燃液体火灾的预防和消防。灭火剂中关键的组成成分抗溶性添加剂，最常用的是触变性多糖有黄单胞细菌多糖、杂多糖和菌核葡聚糖等。此外，该类灭火剂还含有降粘剂、增溶剂、稳定剂和抗冻剂等添加剂。

3 结束语

氟碳表面活性剂在消防领域的作用越来越大，应用越来越广泛。但是，在研发性能更加优良的氟碳表面活性剂的同时，它们是否对人类身体和环境产生现实和潜在的危害是科学工作者难以规避的考虑范畴之一。

［1］Takahiro Kishi，Mitsuru Arai. Study on the generation of perfluorooctane surfonate from the aqueous film-forming foam [J]. J Hazardous Mater, 2008, 159(6): 81-86.

［2］ MP Krafft， JG Riess. Highly fluorinated amphiphiles and colloidal systems and their applications in the biomedical field. A contribution [J]. Biochimic, 1998, 80(6): 489-514.

［3］ H. Groult ，F. Lantelme， M. Salanne， et al. Role of elemental fluorine in nuclear field [J]. J Fluorine Chem, 2007, 128(11): 285-295.

［4］ 曾毓华. 氟碳表面活性剂[M]. 北京：化学工业出版社，2001.

［5］ 梁治齐. 氟表面活性剂[M]. 北京：中国轻工业出版社，2000.

［6］ S.A. Magrabi，B.Z. Dlugogorski，G.J. Jameson. A comparative study of drainage characteristics in AFFF and FFFP compressed-air fire-fighting foams [J]. Fire Safety Journal, 2002, 37(1): 21-52.

［7］ 黄仁勇．AFFF系统在延安东路隧道中的应用[J].地下工程与隧道，1995（1）：35-39.

［8］ 刘振营，郭亚军，沈明欢,等．新型氟碳表面活性剂在轻水泡沫灭火剂中的应用研究[J].化工时刊，2007，21（1）：45-47.

Application of Fluorocarbon Surfactant in Fire-fighting Field

YANG Shi-liang，YANG Hong-wei，WU Chao
(Air Force Service College, Jiangsu Xuzhou 221000，China)

Properties and characteristics of fluorocarbon surfactants were analyzed. The basic composition and performance of fluoroprotein foam, aqueous film forming foaming and gel-type anti-solvent foam fire extinguishing agent were introduced as well as their application scopes. At last, it’s pointed out that fluorocarbon surfactant’s hazard to human and environment must be considered.

Fluorocarbon surfactant; Fluoroprotein foam; Aqueous film-forming foam (AFFF); Gel-type anti-solvent foam; Fire fighting field

TQ 423

A

1671-0460（2012）09-0970-02

2012-05-17

杨士亮（1968-），男，四川荣县人，副教授，硕士研究生，1991年毕业于电子科技大学电子工程专业，研究方向：复合材料及大学物理的研究和相关教学工作。E-mail：13952196949@163.com。