《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Role of rheological network toughness in firefighting foams co-stabilized by polymer and nanoparticle
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•XG或GG的存在提高了泡沫的表观黏度和模量值•NP/XG体系形成了具有更高内聚模量的更强韧流变网络•NP/XG体系显著延缓了排液并提高了稳定性•与NP稳定泡沫相比，NP/XG稳定泡沫的复燃时间延长了21.25%引言随着现代工业的发展，各类高危险性火灾的防控面临严峻挑战[1],
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XG或GG的存在提高了泡沫的表观黏度和模量值
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NP/XG体系形成了具有更高内聚模量的更强韧流变网络
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NP/XG体系显著延缓了排液并提高了稳定性
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与NP稳定泡沫相比，NP/XG稳定泡沫的复燃时间延长了21.25%
引言
随着现代工业的发展，各类高危险性火灾的防控面临严峻挑战[1], [2], [3]。特别是蔓延迅速、破坏性强的易燃液体火灾的防控已成为当前研究热点。众所周知，消防泡沫是扑灭液体火灾的高效介质[2], [4], [5]。消防泡沫是热力学不稳定体系。为克服这一固有缺陷并增强泡沫性能，传统上引入以多糖为代表的聚合物，通过提高黏度来改善泡沫性能[6], [7], [8]。然而，虽然泡沫性能得到改善，但显著增加的本体黏度直接降低了发泡性能[9], [10]。为解决这一问题，许多研究者将纳米颗粒作为新兴稳定剂引入消防泡沫中。研究表明，纳米颗粒通过在气/液界面吸附、增强液膜弹性以及阻塞普拉托边界，可以在保持发泡性能的同时有效增强泡沫性能[4], [11], [12]。这种稳定机制与其他复杂表面活性剂体系的基本原理相同[13], [14], [15], [16], [17]。
在纳米颗粒稳定泡沫的各种性能中，流变学被认为是一个关键特性，它直接影响泡沫在液体燃料表面的快速铺展和灭火能力[18], [19], [20]。研究表明，纳米颗粒可以增强泡沫的流变性能，特别是黏弹性[11], [18], [19], [20], [21]。然而，纳米颗粒对泡沫性能的增强主要集中在气/液界面和普拉托边界，而在连续水相中难以构建足够强的流变网络结构。这导致纳米颗粒对泡沫流变性能的提升相对有限。相比之下，聚合物可以在体相内发挥作用，从而显著提高泡沫模量和屈服应力[22], [23], [24]。因此，在纳米颗粒稳定泡沫中引入少量聚合物，有望在不显著影响发泡性能的情况下进一步增强泡沫流变性能。多项研究表明，在纳米颗粒稳定泡沫中引入少量聚合物后，黏弹性和触变性等流变性能确实显著改善[25], [26], [27], [28], [29]。
然而，一个显著的局限在于，目前关于纳米颗粒/聚合物协同稳定泡沫流变性能的研究主要集中在振荡剪切测试下模量和表观黏度等指标的数值提升上。尽管这些指标至关重要，但难以从深层力学角度反映泡沫流变性能的变化。为克服这一局限，本研究引入了内聚模量（MOC）的流变学概念。内聚模量通过对应变扫描测试中储能模量与损耗模量之差积分至相变交叉点，定量评估材料内部黏弹性网络的内聚强度[30]。与传统纯模量数值分析不同，内聚模量能够准确捕捉材料在固-液相变（即结构破坏）发生前所能储存的净弹性应变能。因此，它全面反映了网络抵抗大变形损伤的力学强度和延展性。该方法已应用于水凝胶流变性能分析[30], [31]。通过将内聚模量引入纳米颗粒与聚合物协同稳定的泡沫中，可以从能量耗散的深层力学角度客观揭示纳米颗粒/聚合物协同增强泡沫流变性能的内在机制。
本研究基于短链氟碳表面活性剂FS-50、烃类表面活性剂APG-0810、二氧化硅纳米颗粒、黄原胶（XG）和瓜尔胶（GG），配制了纳米颗粒/黄原胶及纳米颗粒/瓜尔胶协同稳定的两类消防泡沫。基于表面张力、电导率、发泡性能、黏度和黏弹性等基本性质，系统分析了纳米颗粒、聚合物和表面活性剂之间的相互作用。基于内聚模量，从力学层面分析了纳米颗粒/黄原胶和纳米颗粒/瓜尔胶构建的不同流变网络结构的力学韧性对泡沫流变性能影响的差异。随后，进一步评估了这种网络结构韧性对泡沫稳定性及最终灭火性能的影响。本研究可为纳米颗粒与聚合物协同稳定的高性能消防泡沫的开发提供理论指导。
章节摘要
材料信息
本研究所用材料包括表面活性剂、纳米颗粒、多糖聚合物和正庚烷。一种两性离子短链氟碳表面活性剂FS-50，纯度为27%（其余73%为水和乙醇），购自美国杜邦公司。一种非离子烃类表面活性剂，烷基糖苷APG-0810，纯度为50%（其余50%为水和乙醇），购自山东优索化工科技有限公司。亲水性二氧化硅纳米颗粒，纯度为
泡沫分散液的基本性能
混合分散液的基本性能如图1所示。与纯表面活性剂相比，纳米颗粒的加入增加了表面张力和ζ电位绝对值，但降低了电导率和泡沫高度。随后在表面活性剂/纳米颗粒体系中加入XG或GG后，表面张力、ζ电位绝对值和发泡性能均出现不同程度的降低，而电导率则相应增加。
结论
本研究基于二氧化硅纳米颗粒和两种聚合物（即XG和GG），配制了纳米颗粒与聚合物协同稳定的消防泡沫。此外，系统研究了这些泡沫的流变性能、稳定性和灭火性能。关于泡沫流变性能，尽管已有研究表明将聚合物引入泡沫体系可以进一步改变泡沫的流变行为
CRediT作者贡献声明
张瀚林： 方法学、调查、正式分析。 盛友杰： 验证、调查、资金获取、正式分析、数据管理。 党鹏： 方法学、调查。 赵碧阳： 资源、方法学、调查。 李阳： 写作-审阅与编辑、写作-初稿、可视化、资源、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（编号：52374229）的资助。
李阳|盛友杰|张瀚林|赵碧阳|党鹏
