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

技術要約：AFFFの泡排水に関する実験的研究

問題提起
水成膜形成消火剤（AFFF）は、泡層の形成と、泡の排水によって供給される連続的な水膜という二重のメカニズムを通じて、可燃性液体火災を消火する。泡層は初期の被覆を提供するが、水膜はあらかじめ存在するものではなく、泡構造からの液体の動的な排水に依存している。実際の消火シナリオにおいては、泡の排水速度と、高温下での水膜蒸発速度を動的にバランスさせる必要がある。排水が遅すぎると、泡の流動性が不足し、水膜の補充が不十分になる。逆に排水が速すぎると、泡層が早期に崩壊し、再燃を招く。現在の研究は、常温条件下での単一変数に焦に偏っており、排水キネティクス、処方組成、温度効果、および実際の消火効率の間の直接的な定量的相関関係が欠如している。本研究は、AFFFの性能を最適化するために、添加剤と周囲温度がいかに排水を制御するかという理解における空白を埋めるものである。

研究手法
本研究では、処方設計、物理的特性評価、および消火検証を含む体系的な実験的アプローチを採用した。

• 材料および処方: ベースとして市販のフルオロエーテルベタイン界面活性剤（STAR-2157/2470）を使用した。様々な炭化水素系界面活性剤（K12、CAB-35、APG0810、CTAB）とキサンタンガム（泡安定剤として）を混合し、16種類の初期処方（シリーズB）と4種類の温度研究用処方（シリーズC）を作成した。最終的に、排水性能と性能の相関を検証するために25種類の処方を設計した。
• 物理的特性評価: バブルプレッシャー型テンシオメーターおよび回転ドロップ型テンシオメーターを用いて表面張力および界面張力を測定し、濡れ広がり係数（$S$）を算出した。
• 排水キネティクス: 動的泡解析装置（DFA100）を用い、累積排水液量、25%排水時間、および異なる高さにおける液含有量を測定した。泡の微細構造（気泡のサイズと形状の変化）は、画像解析により捉えた。
• 温度制御: 加熱されたガラス漏斗と熱電対アレイを備えたカスタム装置を用い、高温の油表面による熱影響をシミュレートした。温度と処方成分の結合を分析するため、26°C、40°C、50°C、60°Cで試験を実施した。
• 消火検証: 0.25 m²のパンと120#工業用溶剤油を用いた標準的な消火試験を実施した。主要な指標には、消火時間（$t_1$）および100%燃焼戻り時間（$t_2$）が含まれ、これらは中国国家標準 GB 15308−2006（$t_1 \le 1.2$ 分、$t_2 \ge 10$ 分）と比較された。

主な貢献および結果

1. 添加剤の相乗効果と非線形性:

   • 炭化水素系界面活性剤の中で、ナトリウムドデシル硫酸塩（K12）が泡の液分離を遅らせる上で最も効果的であり、次いでCAB-35およびAPG0810であることが判明した。
   • K12とキサンタンガムの間には、非線形な相乗効果が観察された。両者とも排水を遅らせる効果があるが、K12を過剰に添加すると（特にキサンタンガムの濃度が低い場合）、排水を遅らせるのではなく、実際には加速させてしまう。
   • 泡の微細構造解析により、初期気泡サイズと排水時間の間に負の相関があることが明らかになった。すなわち、初期の気泡サイズが小さく、初期液含有量（$S_1$）が高いほど、排水抑制効果が高まった。

2. 温度による二重の制御メカニズム:

   • 本研究は、系の粘性に依存した、温度が排水に影響を与える二重のメカニズムを特定した。
     • 高粘度系（キサンタンガム含有）: 温度の上昇は、溶液の粘度を低下させ、ポリマーによる安定化効果を弱めるため、一貫して排水を加速させる。
     • 低粘度系／安定剤なしの系: 温度は非単調な影響を示す。温度が適度に上昇（40–50°Cまで）すると、マランギ効果と界面活性剤の移動性が高まり、より強固な界面膜が形成されるため、初期は排水が遅れる。しかし、さらなる加熱（60°Cまで）は表面張力を低下させ、膜の破裂を加速させるため、排水は加速する。その結果、これらの系における25%排水時間は、温度上昇に伴い、一度増加した後に減少する。

3. 消火性能との定量的相関:

   • 消火実験により、極端に遅い排水も、極端に速い排水も最適ではないことが示された。
   • 排水が非常に遅い処方（高濃度のキサンタンガム）は、長い燃焼戻り時間を維持したが、泡の流動性と水膜の補充能力が不足しているため、火災を迅速に消火できなかった。
   • 排水が非常に速い処方（低濃度のキサンタンガム）は、消火が遅くなるか、あるいは被覆を維持できず、短い燃焼戻り時間となった。
   • 最適範囲: STAR-2157/2470を含むAFFF処方において、消火時間と燃焼戻り時間の両方の基準を満たすための最適な範囲は、25%排水時間が5.9 ± 0.2 分であると特定された。この排水ウィンドウ内で、国家標準（$t_1 \le 1.2$ 分、$t_2 \ge 10$ 分）を満たす2つの特定の処方（ZY-14およびZY-17）のスクリーニングに成功した。

意義
本論文は、排水キネティクスと消火性能の間の定量的関係を確立することにより、高効率かつ環境に優しいAFFF剤を設計するための基礎的な根拠を提供すると主張している。排水速度を単に最小化するのではなく、特定の「スイートスポット」内に制御する必要があることを実証することで、本研究は単一変数の最適化を超えた処方設計戦略を提示している。温度による二重のメカニズムと、K12とキサンタンガムの間の非線形な相乗効果の特定は、変動する周囲温度や火災表面温度の下でも効果を発揮するAFFF剤の開発に向けた重要な知見を提供する。提案された排水制御手法を用いて国家標準を満たす処方のスクリーニングに成功したことは、提案されたアプローチの実用性を裏付けている。