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

Résumé technique : Étude expérimentale sur le drainage de la mousse AFFF

Problématique
La mousse aqueuse extinctrice d'hydrocarbures (AFFF) éteint les feux de liquides inflammables grâce à un mécanisme double : la formation d'une couche de mousse et d'un film aqueux continu alimenté par le drainage de la mousse. Si la couche de mousse assure une couverture initiale, le film aqueux n'est pas préexistant ; il repose sur le drainage dynamique du liquide issu de la structure de la mousse. Dans les scénarios réels de lutte contre l'incendie, le taux de drainage de la mousse doit être dynamiquement équilibré avec le taux d'évaporation du film aqueux à des températures élevées. Si le drainage est trop lent, la mousse manque de mobilité et le film aqueux est insuffisamment réapprovisionné ; s'il est trop rapide, la couche de mousse s'effondre prématurément, entraînant une réinflammation. La recherche actuelle s'est largement concentrée sur des variables uniques en conditions ambiantes, manquant d'une corrélation quantitative directe entre la cinétique de drainage, la composition de la formulation, les effets de la température et l'efficacité réelle de l'extinction du feu. Cette étude comble la lacune dans la compréhension de la manière dont les additifs de formulation et la température ambiante régulent le drainage afin d'optimiser les performances de l'AFFF.

Méthodologie
L'étude a employé une approche expérimentale systématique impliquant la conception de formulations, la caractérisation physique et la validation de l'extinction du feu :

• Matériaux et formulations : L'étude a utilisé un tensioactif de type fluoroéther bétaïne commerciale (STAR-2157/2470) comme base. Divers tensioactifs hydrocarbonés (K12, CAB-35, APG0810, CTAB) et de la gomme xanthane (comme stabilisant de mousse) ont été mélangés pour créer 16 formulations initiales (Série B) et 4 formulations d'étude de température (Série C). Un ensemble final de 25 formulations a été conçu pour valider la corrélation drainage-performance.
• Caractérisation physique : Les tensions superficielles et interfaciales ont été mesurées à l'aide d'un tensiomètre à pression de bulle et d'un tensiomètre à goutte rotative pour calculer le coefficient d'étalement ($S$).
• Cinétique de drainage : Un analyseur de mousse dynamique (DFA100) a été utilisé pour mesurer le volume cumulé de liquide drainé, le temps de drainage à 25 % et la teneur en liquide à différentes hauteurs. La microstructure de la mousse (évolution de la taille et de la forme des bulles) a été capturée par imagerie.
• Régulation de la température : Un appareil personnalisé comprenant un entonnoir en verre chauffé et un réseau de thermocouples a simulé les effets thermiques d'une surface d'huile chaude. Les tests ont été effectués à 26 °C, 40 °C, 50 °C et 60 °C pour analyser le couplage de la température avec les composants de la formulation.
• Vérification de l'extinction du feu : Des tests d'extinction standardisés ont été menés sur un bac de 0,25 m² contenant de l'huile de solvant industriel 120#. Les indicateurs clés incluaient le temps d'extinction ($t_1$) et le temps de réinflammation à 100 % ($t_2$), comparés à la norme nationale chinoise GB 15308−2006 ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min).

Contributions clés et résultats

1. Synergie des additifs et non-linéarité :

   • Parmi les tensioactifs hydrocarbonés, le dodécylsulfate de sodium (K12) s'est avéré être le plus efficace pour retarder la séparation du liquide de la mousse, suivi du CAB-35 et de l'APG0810.
   • Un effet synergique non linéaire a été observé entre le K12 et la gomme xanthane. Bien que les deux retardent le drainage, l'ajout excessif de K12 (particulièrement à de faibles concentrations de gomme xanthane) peut en réalité accélérer le drainage plutôt que de le retarder.
   • L'analyse de la microstructure de la mousse a révélé une corrélation négative entre la taille initiale des bulles et le temps de drainage : des bulles initiales plus petites et une teneur initiale en liquide ($S_1$) plus élevée ont entraîné un meilleur retardement du drainage.

2. Mécanisme de régulation dual de la température :

   • L'étude a identifié un mécanisme dual par lequel la température affecte le drainage, dépendant de la viscosité du système :
     • Systèmes à haute viscosité (avec gomme xanthane) : L'augmentation de la température accélère systématiquement le drainage en réduisant la viscosité de la solution, affaiblissant ainsi l'effet stabilisant du polymère.
     • Systèmes à faible viscosité/sans stabilisant : La température présente un effet non monotone. Une élévation modérée de la température (jusqu'à 40–50 °C) retarde initialement le drainage en améliorant l'effet Marangoni et la mobilité des tensioactifs, conduisant à un film interfacial plus serré. Cependant, un chauffage plus important (jusqu'à 60 °C) réduit la tension superficielle et accélère la rupture du film, provoquant une accélération du drainage. Par conséquent, le temps de drainage à 25 % dans ces systèmes augmente d'abord, puis diminue à mesure que la température augmente.

3. Corrélation quantitative avec la performance d'extinction du feu :

   • Les expériences d'extinction de feu ont démontré qu'un drainage ni extrêmement lent, ni extrêmement rapide n'est optimal.
   • Les formulations avec un drainage très lent (haute teneur en gomme xanthane) maintenaient des temps de réinflammation longs mais échouaient à éteindre les feux rapidement en raison d'une faible mobilité de la mousse et d'un réapprovisionnement insuffisant du film aqueux.
   • Les formulations avec un drainage très rapide (faible teneur en gomme xanthane) éteignaient les feux lentement ou ne parvenaient pas à maintenir la couverture, entraînant des temps de réinflammation courts.
   • Plage optimale : Pour les formulations AFFF contenant du STAR-2157/2470, un temps de drainage à 25 % de 5,9 ± 0,2 minutes a été identifié comme la plage optimale pour satisfaire aux normes de temps d'extinction et de temps de réinflammation. Deux formulations spécifiques (ZY-14 et ZY-17) ont été sélectionnées avec succès, répondant aux normes nationales ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min) dans cette fenêtre de drainage.

Signification
L'article affirme fournir une base fondamentale pour la conception d'agents AFFF efficaces et respectueux de l'environnement en établissant une relation quantitative entre la cinétique de drainage et la performance d'extinction du feu. En validant que le taux de drainage doit être contrôlé dans un « point idéal » spécifique plutôt que simplement minimisé, l'étude propose une stratégie de conception de formulation qui dépasse l'optimisation d'une variable unique. L'identification du mécanisme thermique dual et de la synergie non linéaire entre le K12 et la gomme xanthane fournit des informations critiques pour le développement d'agents AFFF qui restent efficaces sous diverses températures ambiantes et de surface de feu. La sélection réussie de formulations répondant aux normes nationales grâce à cette méthodologie de contrôle du drainage confirme l'utilité pratique de l'approche proposée.