在目前用于撲滅油類火災(zāi)的滅火劑中,水成膜泡沫滅火劑由于其水成膜及泡沫的雙重滅火作用而具有最佳滅火效果,而且水成膜泡沫滅火劑中97%以上的組分是水,這使得它在國際范圍的“淘汰哈龍行動”中作為哈龍滅火劑的理想替代品,成為國際上重點發(fā)展的滅火劑。
水成膜泡沫滅火劑的原理基于很低濃度的氟表面活性劑水溶液在油面上的鋪展。碳氟表面活性劑是普通表面活性劑(碳?xì)浔砻婊钚詣?/SPAN>)分子碳?xì)滏溨械臍湓硬糠只蛉坑梅尤〈纬傻囊活愄胤N表面活性劑,是目前所有表面活性劑中表面活性最高的一類,其最突出的性質(zhì)之一是它能把水的表面張力降低到很低,以致水溶液可在油面上鋪展形成一層水膜。這種能夠在油面上鋪展形成的水膜的碳氟表面活性劑水溶液俗稱“輕水”。若將“輕水”制成泡沫,即為水成膜泡沫滅火劑(或稱“輕水”泡沫滅火劑)。
水成膜泡沫滅火劑的滅火作用是由漂浮于油面上的水膜層和泡沫層共同承擔(dān)的。當(dāng)把輕水泡沫噴射到燃油表面時,泡沫迅速在油面上散開,并析出液體冷卻油面。析出的液體同時在油面上鋪展形成一層水膜,與泡沫層共同抑制燃油蒸發(fā)。這不僅使油與空氣隔絕,而且泡沫受熱蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽還可以降低油面上氧的濃度,水溶液的鋪展作用又可帶動泡沫迅速流向尚未滅火的區(qū)域進(jìn)一步滅火。
水成膜泡沫滅火劑是由美國3M公司開發(fā)的。我國公安部天津消防研究所等單位也曾合作研制出類似產(chǎn)品。最初由于其原料來源緊缺､成本太高､腐蝕大及其它因素未能推廣使用。此后公安部天津消防研究所等研制出改進(jìn)產(chǎn)品,又由于多種因素仍未大量推廣使用。目前國內(nèi)已有多家生產(chǎn)水成膜泡沫滅火劑的單位,但滅火劑市場中水成膜泡沫滅火劑仍然是鳳毛麟角,基本上只有一些重要部門配備了水成膜泡沫滅火劑,而且很多仍依賴于進(jìn)口。造成這種現(xiàn)象的主要原因是氟表面活性劑合成困難,價格昂貴。從前面討論可知,在水成膜泡沫滅火劑中,碳氟表面活性劑是最重要的組分,它決定著水成膜泡沫滅火劑的性能和成本(碳氟表面活性劑占水成膜泡沫滅火劑總成本的80～85%以上)。雖然掌握水成膜泡沫滅火劑配方的單位較多,但基本均不掌握核心技術(shù)———即碳氟表面活性劑的生產(chǎn)技術(shù),因此國內(nèi)所需氟表面活性劑大多是從美國3M公司進(jìn)口。現(xiàn)今美國3M公司由于特殊原因已停止氟表面活性劑生產(chǎn),以致使國內(nèi)許多滅火劑生產(chǎn)廠家陷入困境。
由此可見,欲使水成膜泡沫滅火劑大量推廣使用,選擇和制備性能優(yōu)異且價格低廉的碳氟表面活性劑是關(guān)鍵因素之一。
與國外相比,目前我國的碳氟表面活性劑無論從基礎(chǔ)理論還是工業(yè)應(yīng)用都非常薄弱,以致尚無一家專業(yè)生產(chǎn)碳氟表面活性劑的廠家。表面的原因是碳氟表面活性劑成本高,用不起,深層的原因筆者認(rèn)為是含氟烷基與碳氟表面活性劑合成､碳氟表面活性劑性能及應(yīng)用研究兩個環(huán)節(jié)相互脫節(jié),不同研究單位各自為戰(zhàn),缺乏合作。對于專門從事表面活性劑研究的單位,如北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院膠化研究室,由于缺乏有機(jī)合成的專業(yè)力量,難以得到所需要的碳氟表面活性劑。碳氟表面活性劑雖然可從外邊購買,但由于其極強(qiáng)的應(yīng)用背景,其生產(chǎn)單位因技術(shù)保密和技術(shù)壟斷方面的原因,除了極少數(shù)人所共知的碳氟表面活性劑之外,一般廠家不告知產(chǎn)品的組成和化學(xué)結(jié)構(gòu),只有其商品名稱,研究人員難以進(jìn)行深入的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究,即使研制出實際工業(yè)應(yīng)用配方,也要受碳氟表面活性劑生產(chǎn)單位的制約(購買碳氟表面活性劑的成本太高),難以大量推廣使用。
像國內(nèi)一些單位,雖然具有碳氟化合物有機(jī)合成方面的專業(yè)力量,但對碳氟表面活性劑性能和應(yīng)用方面的研究還需要很強(qiáng)的表面活性劑物理化學(xué)方面的專業(yè)背景和專業(yè)力量,必須從表面活性劑結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系出發(fā),設(shè)計合成具有特定性能的多種表面活性劑系列,深入研究它們的物理化學(xué)性質(zhì),再依據(jù)這些性質(zhì)應(yīng)用于具體工業(yè)配方,而這正是這些單位的弱項。因此雖然碳氟表面活性劑的種類很多,但他們只生產(chǎn)品種單一的少數(shù)幾種,這些不成系列的產(chǎn)品極大地限制了實際應(yīng)用研究,應(yīng)用跟不上,則不能形成大的生產(chǎn)規(guī)模,因而成本降不下來。以全氟辛酸和全氟辛基磺酰氟為例,目前國內(nèi)全氟辛酸的售價在1800元/公斤左右,全氟辛基磺酰氟的售價在1100～1400元/公斤左右,而這兩種產(chǎn)品僅為合成氟表面活性劑的基本原料,欲制成氟表面活性劑,還需再經(jīng)過幾步反應(yīng),所以最終產(chǎn)品價格更高。如此形成不良循環(huán),以致于碳氟表面活性劑工業(yè)在我國長期得不到應(yīng)有的發(fā)展,與國際上這一領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的發(fā)展形成巨大的反差。
以上僅為氟表面活性劑的情況。欲制備水成膜泡沫滅火劑,除了氟表面活性劑這一核心原料之外,還需加入其它多種組分,以此造成水成膜泡沫滅火劑的成本一直居高不下,極大地限制了國內(nèi)水成膜泡沫滅火劑的推廣使用。
為縮短我國與國外的差距,進(jìn)一步發(fā)展我國的水成膜泡沫滅火劑工業(yè),筆者有以下建議:
第一,應(yīng)設(shè)法降低碳氟表面活性劑的成本。一方面從事含氟烷基生產(chǎn)的單位在生產(chǎn)工藝方面不斷降低含氟烷基的生產(chǎn)成本,另一方面利用現(xiàn)有的含氟烷基,在后續(xù)合成步驟上做文章。以全氟辛基磺酰氟的生產(chǎn)為例,傳統(tǒng)的方法是從正辛醇出發(fā),經(jīng)過1 溴辛烷､辛基磺酸鈉和辛基磺酰氯這三步,再由辛基碘酰氯在無水氟化氫中電解而得到全氟辛基磺酰氟。筆者曾做過詳細(xì)估算,正辛醇的價格在16000元/噸左右,以上述方法生產(chǎn)的全氟辛基磺酰氟的成本價應(yīng)在250元/公斤左右,而目前國內(nèi)售價在1100～1400元/公斤左右。若以正辛烷氯磺化或?qū)⑿亮虼佳趸梢徊降玫叫粱酋Ｂ?/SPAN>,以此生產(chǎn)的全氟辛基磺酰氟價格將更低。在作為碳氟表面活性劑基礎(chǔ)原料的幾種含氟烷基中,四氟乙烯五聚體可能是價格最為低廉的一種,但已知的用四氟乙烯五聚體合成的碳氟表面活性劑的表面活性都比較差,其水溶液的最低表面張力(γcmc)一般都在22mN/m以上。我們通過改變與四氟乙烯五聚體相連基團(tuán)的結(jié)構(gòu),合成了具有高表面活性的陽離子和兩性碳氟表面活性劑,其γcmc分別為17.8mN/m和18.7mN/m。由此表明由四氟乙烯五聚體得到具有很高表面活性的碳氟表面活性劑是可能的。因此若深入開展這方面的研究,有可能進(jìn)一步降低碳氟表面活性劑的成本。
降低成本的另一條途徑是加強(qiáng)碳氟表面活性劑復(fù)配,特別是碳氟表面活性劑與碳?xì)浔砻婊钚詣?fù)配技術(shù)的研究,降低碳氟表面活性劑在實際配方中的用量。如在碳氟表面活性劑中加入異電性碳?xì)浔砻婊钚詣?/SPAN>,不僅可大大降低氟表面活性劑的使用濃度,在有些情況下,還可進(jìn)一步降低水溶液的表面張力,即達(dá)到全面增效作用。
第二,擴(kuò)展碳氟表面活性劑品種,使其種類多樣化､系列化。目前限制碳氟表面活性劑應(yīng)用的因素除了其成本太高之外,可供應(yīng)用配方研究人員試驗的碳氟表面活性劑種類太少是另一重要因素。因為一個實用配方是在經(jīng)過對多種表面活性劑的篩選之后完成的,必須有多種碳氟表面活性劑系列產(chǎn)品以供篩選。另一方面,盡管氟表面活性劑種類繁多,但能用于水成膜泡沫滅火劑的卻不多。因為作為水成膜泡沫滅火劑,關(guān)鍵因素是水溶液要能在油面上鋪展,有好多氟表面活性劑盡管其水溶液的表面張力很低,如果鋪展速度很慢,則不能達(dá)到迅速滅火的目的。因此必須為配方研究者提供多種氟表面活性劑進(jìn)行篩選。
第三,碳氟表面活性劑的合成到水成膜泡沫滅火劑配方的一體化。因為碳氟表面活性劑的價格主宰水成膜泡沫滅火劑產(chǎn)品的成本(占總成本的80～85%以上),滅火劑生產(chǎn)廠家若不能獨立生產(chǎn)碳氟表面活性劑,則很難降低產(chǎn)品成本,難以大量推廣使用。目前國內(nèi)的現(xiàn)狀正是有配方的單位不能獨立生產(chǎn)碳氟表面活性劑,而碳氟表面活性劑生產(chǎn)單位缺少應(yīng)用配方。
要達(dá)到以上目的,必須將含氟烷基的生產(chǎn)單位與表面活性劑研究單位及消防部門聯(lián)合起來。其中消防與化學(xué)工作者的聯(lián)合是至關(guān)重要的。因為水成膜泡沫滅火劑的研制主要是一個化學(xué)問題。欲制備水成膜泡沫滅火劑,除了氟表面活性劑這一核心原料之外,還需加入其它多種組分,如碳?xì)浔砻婊钚詣?#65380;泡沫穩(wěn)定性､增稠劑､抗燒劑､助溶劑､緩沖溶液､金屬緩蝕劑､抗凍劑､抑菌劑､螯合劑等,必須從化學(xué)的角度,深入研究各種組分的物理化學(xué)性質(zhì),特別是不同組分之間的相互作用,使各種組分不僅可相互共存,還能具有協(xié)同作用。一個典型實例是我國早期的水成膜泡沫滅火劑采用上海有機(jī)化學(xué)研究所生產(chǎn)的一種陽離子型氟表面活性劑,其中一些添加劑如海藻酸鈉等又有大的有機(jī)陰離子,這樣復(fù)配極易產(chǎn)生沉淀使氟表面活性劑失效。這就是國內(nèi)早期的水成膜泡沫滅火劑穩(wěn)定性較差的主要原因之一。若能事先充分了解這些組分之間的相互作用,這類問題即可避免。因此應(yīng)在發(fā)揮上述單位各自獨立優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,打破壟斷,分工協(xié)作,強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。
綜上所述,我國對于碳氟表面活性劑的開發(fā)､性能研究及在水成膜泡沫滅火劑的應(yīng)用領(lǐng)域方面與國外相比尚有較大差距,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及綜合國力的不斷增強(qiáng),碳氟表面活性劑與水成膜泡沫滅火劑這一新產(chǎn)品､新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用將會呈現(xiàn)出廣闊前景。
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