高海拔环境下水成膜泡沫(AFFF)稳定性机制研究：排水、粗化与液膜行为解析

【编辑推荐】为提升水成膜泡沫(AFFF)在高海拔地区的灭火效能，研究人员系统考察了50?m至4000?m海拔梯度下泡沫的排水时间、粗化速率(coarsening rate)及液膜寿命等参数变化。发现海拔升高导致表面张力降低、Marangoni效应增强，但气体扩散效率下降，揭示了液膜周期性波动等新现象，为高海拔AFFF优化应用提供理论支撑。

　　

随着电力负荷激增，变电站数量快速增长，而变压器作为核心设备储存大量易燃油类，火灾风险突出。水成膜泡沫(Aqueous Film-Forming Foam, AFFF)因其能在油面形成隔离层和水膜的双重灭火机制，成为变电站火灾防控的关键材料。然而，中国高海拔地区变电站的快速建设使得AFFF的应用环境日趋复杂。尽管已有研究表明AFFF的泡沫膨胀率(foam expansion ratio)等参数在低气压环境下会衰减，但对其稳定性机制——包括排水(drainage)、气泡粗化(coarsening)和液膜动力学等核心科学问题的系统性研究仍属空白。

为揭示海拔对AFFF稳定性的影响机制，国网公司科研团队在《Journal of Molecular Liquids》发表研究，通过50?m至4000?m五级海拔梯度实验，结合表面张力测量、高速显微观测等技术，首次量化了海拔对AFFF关键性能参数的调控规律。

研究采用低压模拟舱控制环境参数，通过电子天平实时监测泡沫质量变化计算排水率，利用显微高速摄像追踪气泡尺寸演变以评估粗化速率，并采用干涉法测定液膜厚度动态。样本选用厦门国安达公司生产的1% AFFF标准溶液，确保批次一致性。

表面张力变化机制
数据显示，海拔从50?m升至4000?m时，表面张力由16.5?mN/m降至15.3?mN/m。这是由于低气压环境提高临界胶束浓度(critical micelle concentration, CMC)，促使更多表面活性剂分子富集于气液界面。但空气密度降低同时削弱了发泡能力，形成竞争效应。

排水行为与粗化动力学
海拔升高导致排水量显著增加，源于泡沫含水量上升及气泡-大气间气体扩散增强。有趣的是，粗化速率却随海拔升高而降低，这与界面吸附的表面活性剂分子阻碍气泡间气体传输有关，该发现颠覆了传统认知。

液膜稳定性突破
研究首次发现Marangoni效应（由表面张力梯度驱动的流体运动）在高海拔环境下被强化，使液膜寿命延长。更值得注意的是，排水作用与Marangoni效应的竞争导致液膜高度呈现周期性波动，这一现象为解释高原泡沫异常稳定性提供了新视角。

该研究建立了海拔-AFFF性能的定量关系模型，揭示低气压环境通过改变CMC和气体传输效率双重路径调控泡沫稳定性的机制。实践层面，建议高海拔地区AFFF使用时应优化表面活性剂配比以平衡CMC与发泡性能，同时利用Marangoni效应增强液膜持久性。理论层面，发现的液膜波动现象为复杂流体界面动力学研究开辟了新方向。研究结果对保障高海拔地区电力设施安全具有重要指导价值，相关机制也可能拓展至食品加工、矿物浮选等泡沫应用领域。