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不同溫度下氟碳鏈長(zhǎng)度對(duì)表面活性劑理化性能的影響
來(lái)源： 《消防科學(xué)與技術(shù)》 瀏覽 1793 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-19
基于3種不同氟碳鏈長(zhǎng)度的表面活性劑，研究溫度（0——40℃）對(duì)氟碳表面活性劑理化性能（表面活性、發(fā)泡性能和鋪展性能）的影響。
結(jié)果表明，隨著溫度的升高，氟碳表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC）增大，表面張力（γCMC）降低，且表面活性劑的氟碳鏈越長(zhǎng)，其形成膠束的能力越強(qiáng)，其中FC8表面活性劑溶液的CMC最?。?.23 mmol/L），γCMC值最低（15.07mN/m）；低溫下氟碳表面活性劑發(fā)泡倍數(shù)最低（特別是FC4在0℃時(shí)僅為3.70倍），升溫到20℃時(shí)發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到最佳（6.00——8.73倍），繼續(xù)升溫對(duì)發(fā)泡倍數(shù)影響不大，且相同溫度下氟碳鏈越長(zhǎng)發(fā)泡倍數(shù)越大，F(xiàn)C8的發(fā)泡倍數(shù)在20℃時(shí)達(dá)到8.73倍；表面活性劑鋪展系數(shù)（S）隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度達(dá)到20℃時(shí)S的變化趨于平緩，且氟碳鏈越長(zhǎng)越有利于降低單位面積表面活性劑的消耗量，節(jié)約成本。
由此可見(jiàn)，低溫對(duì)短氟碳鏈表面活性劑性能影響較大，特別是發(fā)泡倍數(shù)低達(dá)不到使用要求，若應(yīng)用在水成膜泡沫滅火劑中還需進(jìn)行復(fù)配提高其使用性能。
氟碳表面活性劑因其氟碳鏈兼具高憎油性和極端疏水性，具有比普通碳?xì)浔砻婊钚詣└叩谋砻婊钚?，除可以?yīng)用于碳?xì)浔砻婊钚詣┻m用場(chǎng)所，還在一些特殊領(lǐng)域具有其不可替代的應(yīng)用價(jià)值，如氟蛋白泡沫滅火劑、水成膜泡沫滅火劑（AFFF）、氟碳涂料、織物整理劑等［1-4］。特別是在機(jī)場(chǎng)消防中，水成膜泡沫滅火劑是國(guó)際民航組織指定的撲救航空燃油火災(zāi)的主力滅火劑。但傳統(tǒng)AFFF的核心成分為常用的長(zhǎng)氟碳鏈表面活性劑全氟辛烷磺酸鹽（PFOS）及其衍生物（氟碳鏈≥8），PFOS雖然表面活性優(yōu)異，但是該物質(zhì)釋放在環(huán)境中難以降解，易在生物體內(nèi)富集，對(duì)環(huán)境的污染具有持久性［5-6］。鑒于此，2009年4月PFOS及其衍生物被聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署在《斯德哥爾摩公約》大會(huì)上將其列入持久性有機(jī)污染物（POPs）受控名單，限制其生產(chǎn)使用。2014年11月，該公約在我國(guó)正式生效，這意味著我國(guó)也會(huì)逐漸減小并最終停止使用以PFOS為主要成分的AFFF。
為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研究PFOS的替代方法，大量研究發(fā)現(xiàn)減少氟碳鏈長(zhǎng)度可顯著降低其毒性、生物富集性，是替代PFOS的一種潛在有效方法［2，7-8］。因此，研究人員針對(duì)短碳鏈氟碳表面活性劑的制備和活性表征開(kāi)展了大量工作。丁奕等［1］制備了四碳鏈季銨鹽型陽(yáng)離子氟碳表面活性劑，測(cè)得其表面張力和臨界膠束濃度分別為20.1 mN/m和43.8 mmol/L，可作為水成膜泡沫滅火劑的表面活性劑使用。孫道德等［9］采用全氟己基乙基磺酰氯為原料制備了六碳鏈氟碳表面活性劑，研究發(fā)現(xiàn)其表面張力低至18.53 mN/m，起泡體積可達(dá)171 mL，具有較強(qiáng)的耐油和耐鹽性。YOSHIMURA T等［10］合成了部分氟化季銨鹽雙子型表面活性劑，并發(fā)現(xiàn)隨著氟碳鏈的縮短，表面張力和臨界膠束濃度均變大（氟碳鏈縮短為4時(shí)分別為20.3 mN/m和11.3 mmol/L）。VERDIA P等［11］合成了短氟碳鏈季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑和短氟碳鏈磺酸陰離子表面活性劑，并將兩種表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，測(cè)得復(fù)配后的表面張力和臨界膠束濃度可低至16.1 mN/m和4.5 mmol/L。由此可見(jiàn)，短碳鏈氟碳表面活性劑表現(xiàn)出優(yōu)異的表面性能，被視為替代PFOS產(chǎn)品的可行方案。
然而低溫環(huán)境可能影響短碳鏈表面活性劑的性能，特別是在機(jī)場(chǎng)消防應(yīng)用領(lǐng)域。我國(guó)機(jī)場(chǎng)分布跨度大，冬夏季消防水源溫度差異顯著（0~40℃）。因而，研究不同溫度下氟碳鏈長(zhǎng)度對(duì)表面活性劑性能的影響具有重要意義。筆者在0~40℃溫度下，研究四、六、八氟碳鏈表面活性劑（分別記為FC4、FC6、FC8）的表面活性、發(fā)泡性能、鋪展性能等主要理化性能，為氟碳表面活性劑在環(huán)保型水成膜泡沫滅火劑中的應(yīng)用提供參考。