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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
來源： 《消防科學(xué)與技術(shù)》 瀏覽 610 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，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展了大量工作。丁奕等［1］制備了四碳鏈季銨鹽型陽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，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。