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

Sintesi Tecnica: Studio Sperimentale sul Drenaggio della Schiuma AFFF

Definizione del Problema
La schiuma a film acquoso (AFFF) estingue gli incendi di liquidi infiammabili attraverso un meccanismo duplice: la formazione di uno strato di schiuma e un film d'acqua continuo fornito dal drenaggio della schiuma stessa. Mentre lo strato di schiuma fornisce la copertura iniziale, il film d'acqua non è preesistente; esso dipende dal drenaggio dinamico del liquido dalla struttura della schiuma. Nei veri scenari di lotta antincendio, la velocità di drenaggio della schiuma deve essere dinamicamente bilanciata con la velocità di evaporazione del film d'acqua ad alte temperature. Se il drenaggio è troppo lento, la schiuma manca di mobilità e il film d'acqua viene rifornito insufficientemente; se è troppo veloce, lo strato di schiuma collassa prematuramente, portando alla riaccensione. La ricerca attuale si è concentrata ampiamente su variabili singole in condizioni ambientali, mancando di una correlazione quantitativa diretta tra la cinetica di drenaggio, la composizione della formulazione, gli effetti della temperatura e l'effettiva efficienza di estinzione dell'incendio. Questo studio affronta la lacuna nella comprensione di come gli additivi della formulazione e la temperatura ambiente regolino il drenaggio per ottimizzare le prestazioni dell'AFFF.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un approccio sperimentale sistematico che ha coinvolto la progettazione della formulazione, la caratterizzazione fisica e la validazione dell'estinzione dell'incendio:

• Materiali e Formulazioni: Lo studio ha utilizzato come base un fluoroetere betaina commerciale (STAR-2157/2470). Vari tensioattivi idrocarburi (K12, CAB-35, APG0810, CTAB) e gomma xantana (come stabilizzante della schiuma) sono stati miscelati per creare 16 formulazioni iniziali (Serie B) e 4 formulazioni per lo studio della temperatura (Serie C). Un set finale di 25 formulazioni è stato progettato per validare la correlazione drenaggio-prestazioni.
• Caratterizzazione Fisica: Le tensioni superficiali e interfacciali sono state misurate utilizzando un tensiometro a pressione di bolla e un tensiometro a goccia rotante per calcolare il coefficiente di spandimento ($S$).
• Cinetica di Drenaggio: Un Analizzatore Dinamico di Schiuma (DFA100) è stato utilizzato per misurare il volume cumulativo del liquido drenato, il tempo di drenaggio al 25% e il contenuto di liquido ad altezze diverse. La microstruttura della schiuma (evoluzione della dimensione e della forma delle bolle) è stata catturata tramite imaging.
• Regolazione della Temperatura: Un apparato personalizzato con un imbuto di vetro riscaldato e una matrice di termocoppie ha simulato gli effetti termici di una superficie di olio calda. I test sono stati condotti a 26°C, 40°C, 50°C e 60°C per analizzare l'accoppiamento della temperatura con i componenti della formulazione.
• Verifica dell'Estinzione dell'Incendio: Test standardizzati di estinzione dell'incendio sono stati condotti su una vasca da 0,25 m² con solvente industriale 120#. Le metriche chiave includevano il tempo di estinzione ($t_1$) e il tempo di ritorno alla combustione al 100% ($t_2$), confrontati con lo standard nazionale cinese GB 15308−2006 ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min).

Contributi Chiave e Risultati

1. Sinergia degli Additivi e Non Linearità:

   • Tra i tensioattivi idrocarburi, il dodecil solfato di sodio (K12) è risultato essere il più efficace nel ritardare la separazione del liquido della schiuma, seguito da CAB-35 e APG0810.
   • È stato osservato un effetto sinergico non lineare tra K12 e gomma xantana. Sebbene entrambi ritardino il drenaggio, l'aggiunta eccessiva di K12 (particolarmente in basse concentrazioni di gomma xantana) può in realtà accelerare il drenaggio anziché ritardarlo.
   • L'analisi della microstruttura della schiuma ha rivelato una correlazione negativa tra la dimensione iniziale delle bolle e il tempo di drenaggio: bolle iniziali più piccole e un maggiore contenuto di liquido iniziale ($S_1$) hanno portato a un migliore ritardo del drenaggio.

2. Meccanismo di Regolazione Duplice della Temperatura:

   • Lo studio ha identificato un meccanismo duplice attraverso il quale la temperatura influenza il drenaggio, dipendente dalla viscosità del sistema:
     • Sistemi ad Alta Viscosità (con gomma xantana): L'aumento della temperatura accelera costantemente il drenaggio riducendo la viscosità della soluzione, indebolendo così l'effetto stabilizzante del polimero.
     • Sistemi a Bassa Viscosità/Senza Stabilizzanti: La temperatura mostra un effetto non monotono. Un moderato aumento della temperatura (fino a 40–50°C) inizialmente ritarda il drenaggio potenziando l'effetto Marangoni e la mobilità dei tensioattivi, portando a un film interfacciale più compatto. Tuttavia, un ulteriore riscaldamento (fino a 60°C) riduce la tensione superficiale e accelera la rottura del film, causando l'accelerazione del drenaggio. Di conseguenza, il tempo di drenaggio al 25% in questi sistemi aumenta prima e poi diminuisce all'aumentare della temperatura.

3. Correlazione Quantitativa con le Prestazioni di Estinzione dell'Incendio:

   • Gli esperimenti di estinzione dell'incendio hanno dimostrato che né un drenaggio estremamente lento né uno estremamente veloce sono ottimali.
   • Le formulazioni con drenaggio molto lento (alta gomma xantana) mantenevano tempi di ritorno alla combustione prolungati ma fallivano nell'estinguere rapidamente gli incendi a causa della scarsa mobilità della schiuma e dell'insufficiente ripristino del film d'acqua.
   • Le formulazioni con drenaggio molto veloce (bassa gomma xantana) estinguevano gli incendi lentamente o non riuscivano a mantenere la copertura, portando a brevi tempi di ritorno alla combustione.
   • Intervallo Ottimale: Per le formulazioni AFFF contenenti STAR-2157/2470, è stato identificato un tempo di drenaggio al 25% di 5,9 ± 0,2 minuti come l'intervallo ottimale per soddisfare sia gli standard di tempo di estinzione che di tempo di ritorno alla combustione. Due formulazioni specifiche (ZY-14 e ZY-17) sono state selezionate con successo, rispettando gli standard nazionali ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min) all'interno di questa finestra di drenaggio.

Significato
Il documento afferma di fornire una base fondamentale per la progettazione di agenti AFFF efficienti ed ecologici, stabilendo una relazione quantitativa tra la cinetica di drenaggio e le prestazioni di estinzione dell'incendio. Validando che la velocità di drenaggio debba essere controllata entro un determinato "punto ottimale" (sweet spot) piuttosto che essere semplicemente minimizzata, lo studio offre una strategia di progettazione della formulazione che va oltre l'ottimizzazione di una singola variabile. L'identificazione del duplice meccanismo della temperatura e della sinergia non lineare tra K12 e gomma xantana fornisce intuizioni critiche per lo sviluppo di agenti AFFF che rimangano efficaci sotto diverse temperature ambientali e di superficie dell'incendio. Il successo nella selezione di formulazioni che soddisfano gli standard nazionali utilizzando questa metodologia di controllo del drenaggio conferma l'utilità pratica dell'approccio proposto.