多种类型纳米颗粒对短链氟碳化合物与烃类表面活性剂混合物泡沫热流变性能的影响

《Powder Technology》：Influence of multi-type nanoparticles on the foam thermo-rheological properties of mixtures of short-chain fluorocarbons and hydrocarbon surfactants

纳米颗粒（SiO?、Al(OH)?、β-Al?O?）与短链氟碳表面活性剂协同作用对泡沫热流变学性能的影响。研究发现纳米颗粒与表面活性剂分子相互作用，降低初始泡沫高度（340→250-260 mL）和起泡能力，显著提升泡沫热稳定性及热流变学特性，其中Al(OH)?效果最优。

　　

郭毅|张家庆|李长江|张善文|盛友杰|李阳

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥230027，中国

摘要

虽然已知纳米颗粒（NPs）能够改善消防泡沫的流变性能，但不同类型纳米颗粒对泡沫热流变性能的影响尚不清楚。本研究使用了短链氟碳和碳氢化合物表面活性剂以及三种类型的纳米颗粒（SiO₂、Al(OH)₃和β-Al₂O₃）来制备泡沫。分析了纳米颗粒与表面活性剂之间的相互作用，以及它们对泡沫发泡能力、泡沫稳定性和泡沫热流变性能的影响。结果表明，纳米颗粒可以与表面活性剂分子形成聚集体，从而影响泡沫的表面张力、pH值、导电性、Zeta电位、粘弹性和粘度。纳米颗粒可将泡沫初始高度从340 mL降低到250–260 mL，并显著降低泡沫的发泡能力。这三种纳米颗粒都能显著延缓泡沫的排水并提高泡沫稳定性。在45°C时，纳米颗粒可以降低泡沫的粘度和粘弹性。所有泡沫在45°C时的触变行为表现出不同的趋势，其中含有Al(OH)₃纳米颗粒的泡沫表现出最佳的触变结构恢复能力。含有Al(OH)₃纳米颗粒的泡沫在45°C时的滞后行为有所减弱，而含有SiO₂和β-Al₂O₃的泡沫则表现出增强的滞后行为。总体而言，这三种纳米颗粒都能提高泡沫的稳定性和热流变性能，其中Al(OH)₃的效果最为显著。本研究为开发由纳米颗粒稳定的消防泡沫提供了理论支持。

引言

公认的最佳大规模易燃液体火灾灭火剂是水成膜泡沫（AFFF）[1,2]。AFFF以长链氟碳表面活性剂为核心，多糖作为泡沫稳定剂，并辅以其他有机溶剂。这种灭火剂中的长链（C8-C10）氟碳表面活性剂可以在液体燃料表面形成一层水膜，迅速扩散覆盖燃料表面，从而达到密封和隔离的效果[[3], [4], [5]]。然而，由于环境问题，长链氟碳表面活性剂已被列入持久性有机污染物（POPs）控制名单[[6], [7], [8]]。在全球范围内淘汰AFFF已成为不可避免的趋势。在缺乏合适替代品的情况下，研究人员通过用短链（C4-C6）氟碳表面活性剂替代长链氟碳表面活性剂来开发环保型消防泡沫[9,10]。但由于氟碳链较短，短链氟碳表面活性剂的性能低于长链氟碳表面活性剂[11]，导致这些环保泡沫的性能也逊色于AFFF，例如灭火性能和泡沫稳定性。因此，需要寻找新的泡沫稳定剂来提高环保泡沫的性能。

作为一种新型阻燃剂，无机纳米颗粒（NPs）相比传统的多糖稳定剂[18,19]，可以显著提高灭火剂[12,13]、涂层[14,15]和聚合物纳米复合材料[16,17]的阻燃性和热稳定性。因此，添加纳米颗粒有望提升环保泡沫的性能。在灭火过程中，泡沫的稳定性和流变性能是决定灭火效果的关键因素[20,21]。泡沫的流变性能决定了液体燃料的扩散速度以及流动完成后的堆积情况[22,23]，而泡沫的稳定性则决定了其在高温下的存在时间[24,25]。因此，先前的研究者已将纳米颗粒引入环保泡沫中，开发了以纳米颗粒为稳定剂的新型环保泡沫，并对其流变性能[25], [26], [27]和泡沫稳定性[25], [26], [27], [28], [29]进行了研究。研究结果证明，纳米颗粒可以显著提高泡沫的稳定性。此外，在室温下，添加纳米颗粒已被证明可以改善泡沫的流变性能，尤其是泡沫的粘弹性[[25], [26], [27],30]。

然而，在实际的灭火操作中，火场温度会升高，泡沫的流变性能必然会发生变化。非灭火泡沫应用中的研究表明，温度显著影响泡沫的流变性能，如表观粘度[[31], [32], [33]]、粘弹性和触变性[33]。因此，研究纳米颗粒稳定泡沫在高温下的流变性能有助于更好地了解泡沫在火场中的实际流动情况。此外，以往的研究往往只关注单一纳米颗粒对泡沫流变性能的影响[26,27]，较少有研究比较不同纳米颗粒对泡沫流变性能的影响。因此，需要进一步研究和确定不同纳米颗粒稳定的环保消防泡沫的热流变性能。

本研究使用了三种纳米颗粒（SiO₂、Al(OH)₃和β-Al₂O₃）、短链氟碳表面活性剂和碳氢化合物表面活性剂来制备泡沫分散液。测量了泡沫分散液的表面张力、导电性、pH值、Zeta电位、发泡能力、粘度和粘弹性，以分析纳米颗粒与表面活性剂之间的相互作用。通过测量泡沫的排水体积和速率来评估泡沫稳定性。还研究了泡沫在高温下的粘度、粘弹性和触变性能，以评估其热流变性能。

材料

两亲性短链氟碳表面活性剂Capstone? FS-50的纯度为27%（剩余73%为少量乙醇和去离子水），购自杜邦公司。非离子碳氢化合物表面活性剂烷基葡萄糖苷（APG-0810）的纯度为50%（剩余50%为去离子水和乙醇），购自山东友硕化学科技有限公司。FS-50和APG-0810的配方如图1所示。

三种不同纳米颗粒的形态如下

不同纳米颗粒对混合系统参数的影响

图2显示了混合分散液的表面张力、导电性和pH值。与F-0#相比，所有样品的表面张力均有所增加，而导电性和pH值均有所下降。pH值的变化表明，添加SiO₂纳米颗粒使混合分散液从碱性变为酸性。这是因为SiO₂微溶于水，可以生成偏硅酸[43]，从而改变泡沫分散液的pH值。其他样品在添加后仍保持碱性

结论

分析了泡沫分散液的表面张力、pH值、导电性、Zeta电位、发泡能力、粘弹性和粘度。研究了不同纳米颗粒稳定泡沫的稳定性和热流变性能。主要发现如下：

纳米颗粒的存在降低了混合分散液的导电性和表面活性，同时提高了粘度和粘弹性。只有含有SiO₂纳米颗粒的样品呈酸性，而其他样品呈碱性。

作者贡献声明

郭毅：可视化、验证、资源获取、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构建。张家庆：验证、研究实施、数据分析。李长江：方法论设计、研究实施、数据管理。张善文：初稿撰写、方法论设计、研究实施。盛友杰：撰写审查与编辑、方法论设计、研究实施。李阳：方法论设计、研究实施。

利益冲突声明

本手稿不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家电网安徽电力公司科技项目（项目编号：B3120523000U）的支持。