空心微珠对泡沫灭火剂灭火性能实验研究

张玉红王彦斌

摘要：泡沫灭火剂是扑救油罐类火灾最常用的灭火方法。空心微珠对泡沫液发泡能力会产生一定影响，故本文通过实验研究了空心微珠在泡沫灭火剂中不同添加量对泡沫混合液的发泡能力和热稳定性的影响，试图找到使泡沫混合液发泡能力和热稳定性能均得到保障的添加量。

关键词：空心微珠；消防泡沫；灭火性能；研究

1?引言

空心玻璃微珠是一种新型粉体材料，粒度介于10～250μm之间，堆积密度约为0.1～0.3g/cm3，具有隔热和轻质等优点。

本文利用空心玻璃微珠的优点，对添加空心微珠的消防泡沫的发泡能力和热稳定性进行了实验，研究了空心微珠添加量、泡沫液浓度、空心微珠粒径等因素对泡沫发泡能力和稳定性的影响。

2实验部分

2.1实验装置和实验材料

2.1.1实验装置

电动搅拌器（WH7401–90型，转速200~3000r/min，30cm×35cm×76cm，天津市威华实验仪器厂）

测温仪XMT型数显调节仪。

辐射加热仪SLT—181TX型，频率50~60Hz，电源电压为AC220V，输出功率为230~280W，深圳仪表厂。

烧杯（500mL）；秒表；直尺（量程20cm，最小刻度1mm）。

2.1.2实验材料

蛋白消防泡沫液，氟蛋白消防泡沫液和抗溶消防泡沫液。

A、B、C类空心玻璃微珠，微珠的粒度范围为10～100μm，堆积密度为0.18～0.20g/cm3，漂浮率≥93%。

2.2实验方法

2.2.1泡沫灭火剂发泡能力实验

在500mL烧杯中加入100mL的泡沫混合液（水和蛋白泡沫比例为94：6），加入一定量空心玻璃微珠，电动搅拌器快速搅拌10min后静置，记录初始时刻泡沫混合液的泡沫高度。实验过程中控制搅拌速度和搅拌时间的一致性。

2.2.2泡沫稳定性实验

向泡沫混合液加入一定量的空心微珠，快速搅拌10min后静置，记录不同时刻泡沫的整体高度和水层高度，取二者的差值对时间作图，研究常温条件下泡沫的稳定性。

将搅拌后的泡沫置于辐射加热仪下，记录不同时刻泡沫整体高度和水层高度，取二者的差值对时间作图，研究泡沫热稳定性。

2.3结果与讨论

2.3.1空心微珠添加量对泡沫发泡能力及稳定性的影响

泡沫的发泡能力和稳定性是衡量泡沫灭火剂的重要指标，为研究添加空心微珠后泡沫发泡能力及稳定性，固定普通蛋白液浓度为6%，实验了A类空心微珠添加量分别为0ml、10ml、20ml、30ml、40ml和50ml时，消防泡沫发泡能力和稳定性能。

2.3.1.1空心微珠添加量对泡沫发泡能力的影响

A类空心微珠添加量分别为0ml、10ml、20ml、30ml、40ml和50ml时，消防泡沫高度随时间的变化情况，当空心微珠添加量在10~30mL时，空心微珠对泡沫混合液的发泡高度影响并不大；而当添加量大于40mL时，泡沫混合液的发泡能力明显降低，空心微珠添加比例越高，蛋白泡沫的发泡能力越差。

2.3.1.2空心微珠添加量对泡沫发泡能力的影响

随着空心微珠添加量的增大，泡沫的稳定性呈现先降低后升高的趋势[3]。当添加量为10mL时，泡沫在初期时高度变化比较缓慢，40min后泡沫高度迅速降低，60min后降至1.8cm左右，比未添加微珠的泡沫液高度降低约80%。当添加量增加到30mL时，泡沫稳定性更差，在20min时已经降低到2.5cm左右，最终高度仅为1.0cm左右。而当添加量增加到50mL时，泡沫稳定性却明显增强，15min后泡沫高度基本稳定在3cm左右，高度仅降低50%。

2.3.3空心微珠粒径对泡沫发泡能力及稳定性的影响

空心微珠粒径对泡沫发泡能力和稳定性的影响，实验了蛋白浓度为6%及微珠添加量为50mL时，不同空心微珠粒径对消防泡沫的发泡能力和稳定性的影响，对两相泡沫来说，液膜的厚度和强度由气泡的直径来决定，气泡越小，析液速度越慢。而对三相泡沫体系来说，液膜的厚度和强度由微珠的间距决定,对应相同浓度的消防泡沫，其液膜的厚度相等，当微珠相添加量也相同时，粒径越小的空心微珠，其在液膜内的间距越小，很大程度上降低了液膜排水速度，使得液膜强度越高。在加入空心微珠后形成的混合泡沫中，微珠是均匀附着在气泡外壁上的，当微珠的粒径过大时，微珠不易黏附在气泡上，且使得微珠自身重力超过气泡的承载能力，最终导致泡沫坍塌。

3空心微珠对泡沫热稳定性的影响机理

3.1泡沫的破裂机理

泡沫破裂的快慢取决于自身的稳定性和外界环境的影响，其中泡沫自身的稳定性主要由泡沫液膜析水速度及气体穿透液膜扩散速度决定。

泡沫液膜析水是气体相互挤压和液体自身重力作用的结果，而气体在液膜的扩散是由泡沫的非均匀性造成的。由于小泡内的气体压力总是高于大泡内的压力,在两侧压差的作用下，小泡内的气体将自动透过液膜扩散到低压的大泡中，结果造成小泡变小直至消失，大泡变大，导致泡沫最终破裂。

外界环境主要是指压力、气泡大小的分布及温度。相同条件下，压力越大，泡沫的半径越小，而液膜面积越大，液膜越薄，排液速度越慢；当外界温度升高时，泡沫内水分蒸发越快，液膜强度降低，破裂速度加快。

3.2空心微珠对消防泡沫热稳定性的影响机理

添加空心微珠之后，泡沫由气–液两相结构转变为气–液–固三相结构，因而泡沫受热后的破裂机理有很大改变。

未添加微珠之前，高温作用下，上部泡沫水分首先蒸发，导致液膜强度降低，出现破灭，且此时泡沫的破裂是由上而下逐层进行的。添加空心微珠之后，黏附在泡沫表面的微珠颗粒可延缓液膜排液速率，且泡沫内部形成的气–液–固三相结构还可抑制气泡间的气体扩散，使泡沫的稳定性能有所提高。

空心玻璃微珠添加量较低时，所形成的微珠之间三相骨架结构强度较低，尽管液膜中水分的蒸发受到了一定的限制，但是当上部泡沫破裂之后，原来分散在其中的空心微珠在重力作用下将向下沉降。由于微珠表面受热后温度升高，对下层的泡沫有很强的破坏作用，从而加速下层泡沫的破裂。因此，当微珠添加量较低时，由于三相骨架结构的稳定性较差，致使泡沫的热稳定性减弱。

空心微珠添加量较高时，泡沫内部三相骨架结构的强度较高。当泡沫受到热辐射作用时，一方面，由于空心微珠添加量较大，所构成的骨架结构较密实，具有良好的隔热能力；另一方面，泡沫表面的微珠在受辐射热时所形成的轻质覆盖层具有良好的隔热作用，可有效阻隔热量进一步向下传递，从而减少热辐射对下层泡沫的破坏作用；液膜中水分的蒸发速度减慢，泡沫的破裂速度降低，从而使得泡沫的稳定性增强。

4结论

通过研究，得出以下结论：

（1）空心微珠对蛋白泡沫的发泡能力有一定的影响。当空心微珠添加量低于30mL时，空心微珠对泡沫混合液的发泡高度影响并不大；而当添加量大于40mL时，泡沫混合液的发泡能力开始降低，空心微珠添加比例越高，蛋白泡沫的发泡能力越差。

（2）空心微珠对泡沫的稳定性也有很显著的影响。随着空心微珠添加量的增大，泡沫的稳定性呈现先降低后升高的趋势。当添加量增加到50mL时，泡沫稳定性明显增强。

（3）微珠粒径和消防泡沫浓度对泡沫的发泡能力和稳定性的影响：微珠粒径越小，对泡沫混合液的发泡能力影响越小，泡沫的稳定性越强。在相同微珠添加量条件下，泡沫液的浓度越高，泡沫混合液的发泡能力越强。

通过实验发现，在空心微珠添加量为50ml时，可较好的兼顾泡沫液的稳定性和发泡能力。

参考文献

[1]石成利,梁忠友.玻璃微珠及其应用[J].山东陶瓷,2005,28(3):26-28.

[2]郭志伟,许昌学,路遥,等.泡沫其泡性、稳定性及评价方法[J].化学工程师,2006,127(4):51-54.