Experimental study on foam drainage of AFFF: Additive regulation, thermal transition, and fire-extinguishing verification

Resumen Técnico: Estudio Experimental sobre el Drenaje de Espuma de AFFF

Planteamiento del Problema
La espuma formadora de película acuosa (AFFF) extingue fuegos de líquidos inflamables mediante un mecanismo dual: la formación de una capa de espuma y una película de agua continua suministrada por el drenaje de la espuma. Si bien la capa de espuma proporciona la cobertura inicial, la película de agua no es preexistente; depende del drenaje dinámico del líquido de la estructura de la espuma. En escenarios prácticos de lucha contra incendios, la tasa de drenaje de la espuma debe equilibrarse dinámicamente con la tasa de evaporación de la película de agua a altas temperaturas. Si el drenaje es demasiado lento, la espuma carece de movilidad y la película de agua se repone insuficientemente; si es demasiado rápido, la capa de espuma colapsa prematuramente, lo que provoca la reignición. La investigación actual se ha centrado en gran medida en variables únicas bajo condiciones ambientales, careciendo de una correlación cuantitativa directa entre la cinética de drenaje, la composición de la formulación, los efectos de la temperatura y la eficiencia real de extinción de incendios. Este estudio aborda la brecha en la comprensión de cómo los aditivos de formulación y la temperatura ambiente regulan el drenaje para optimizar el rendimiento de la AFFF.

Metodología
El estudio empleó un enfoque experimental sistemático que involucró el diseño de formulaciones, la caracterización física y la validación de la extinción de incendios:

• Materiales y Formulaciones: El estudio utilizó como base un surfactante de fluoroéter betaína comercial (STAR-2157/2470). Se mezclaron diversos surfactantes de hidrocarburos (K12, CAB-35, APG0810, CTAB) y goma xantana (como estabilizador de espuma) para crear 16 formulaciones iniciales (Serie B) y 4 formulaciones de estudio de temperatura (Serie C). Se diseñó un conjunto final de 25 formulaciones para validar la correlación entre drenaje y rendimiento.
• Caracterización Física: Las tensiones superficial e interfacial se midieron utilizando un tensiómetro de presión de burbuja y un tensiómetro de gota rotatoria para calcular el coeficiente de esparcimiento ($S$).
• Cinética de Drenaje: Se utilizó un Analizador de Espuma Dinámica (DFA100) para medir el volumen acumulado de líquido drenado, el tiempo de drenaje al 25% y el contenido de líquido a diferentes alturas. La microestructura de la espuma (evolución del tamaño y forma de las burbujas) se capturó mediante imágenes.
• Regulación de la Temperatura: Un aparato personalizado con un embudo de vidrio calentado y un arreglo de termopares simuló los efectos térmicos de una superficie de aceite caliente. Las pruebas se realizaron a 26 °C, 40 °C, 50 °C y 60 °C para analizar el acoplamiento de la temperatura con los componentes de la formulación.
• Verificación de la Extinción de Incendios: Se realizaron pruebas estandarizadas de extinción de incendios en una bandeja de 0.25 m² con aceite industrial 120#. Las métricas clave incluyeron el tiempo de extinción ($t_1$) y el tiempo de retroceso de llama al 100% ($t_2$), comparados con la Norma Nacional China GB 15308−2006 ($t_1 \le 1.2$ min, $t_2 \ge 10$ min).

Contribuciones Clave y Resultados

1. Sinergia de Aditivos y No Linealidad:

   • Entre los surfactantes de hidrocarburos, se encontró que el dodecil sulfato de sodio (K12) era el más eficaz para retrasar la separación del líquido de la espuma, seguido por el CAB-35 y el APG0810.
   • Se observó un efecto sinérgico no lineal entre el K12 y la goma xantana. Aunque ambos retrasan el drenaje, la adición excesiva de K12 (particularmente en concentraciones bajas de goma xantana) puede en realidad acelerar el drenaje en lugar de retrasarlo.
   • El análisis de la microestructura de la espuma reveló una correlación negativa entre el tamaño inicial de la burbuja y el tiempo de drenaje: las burbujas iniciales más pequeñas y un mayor contenido de líquido inicial ($S_1$) resultaron en un mejor retraso del drenaje.

2. Mecanismo de Regulación Dual de la Temperatura:

   • El estudio identificó un mecanismo dual por el cual la temperatura afecta el drenaje, dependiendo de la viscosidad del sistema:
     • Sistemas de Alta Viscosidad (con goma xantana): El aumento de la temperatura acelera consistentemente el drenaje al reducir la viscosidad de la solución, debilitando así el efecto estabilizador del polímero.
     • Sistemas de Baja Viscosidad/Sin Estabilizadores: La temperatura exhibe un efecto no monotónico. Un aumento moderado de la temperatura (hasta 40–50 °C) inicialmente retrasa el drenaje al mejorar el efecto Marangoni y la movilidad del surfactante, lo que conduce a una película interfacial más compacta. Sin embargo, el calentamiento posterior (hasta 60 °C) reduce la tensión superficial y acelera la ruptura de la película, causando que el drenaje se acelere. En consecuencia, el tiempo de drenaje al 25% en estos sistemas primero aumenta y luego disminuye a medida que la temperatura aumenta.

3. Correlación Cuantitativa con el Rendimiento de Extinción de Incendios:

   • Los experimentos de extinción de incendios demostraron que ni el drenaje extremadamente lento ni el extremadamente rápido son óptimos.
   • Las formulaciones con drenaje muy lento (alta concentración de goma xantana) mantuvieron tiempos de retroceso de llama prolongados pero fallaron en extinguir los incendios rápidamente debido a la pobre movilidad de la espuma y la insuficiente reposición de la película de agua.
   • Las formulaciones con drenaje muy rápido (baja concentración de goma xantana) extinguieron los incendios lentamente o no lograron mantener la cobertura, lo que resultó en tiempos de retroceso de llama cortos.
   • Rango Óptimo: Para las formulaciones de AFFF que contienen STAR-2157/2470, se identificó un tiempo de drenaje al 25% de 5.9 ± 0.2 minutos como el rango óptimo para satisfacer tanto los estándares de tiempo de extinción como de tiempo de retroceso de llama. Se seleccionaron con éxito dos formulaciones específicas (ZY-14 y ZY-17) que cumplen con los estándares nacionales ($t_1 \le 1.2$ min, $t_2 \ge 10$ min) dentro de esta ventana de drenaje.

Significado
El artículo afirma proporcionar una base fundamental para diseñar agentes AFFF de alta eficiencia y ecológicos al establecer una relación cuantitativa entre la cinética de drenaje y el rendimiento de extinción de incendios. Al validar que la tasa de drenaje debe controlarse dentro de un "punto ideal" específico en lugar de simplemente minimizarse, el estudio ofrece una estrategia de diseño de formulación que va más allá de la optimización de una sola variable. La identificación del mecanismo de temperatura dual y la sinergia no lineal entre el K12 y la goma xantana proporciona información crítica para desarrollar agentes AFFF que sigan siendo efectivos bajo variaciones de temperatura ambiente y de la superficie del fuego. El éxito en el cribado de formulaciones que cumplen con los estándares nacionales utilizando esta metodología de control de drenaje confirma la utilidad práctica del enfoque propuesto.