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

Technische Samenvatting: Experimentele Studie naar de Foamdrainage van AFFF

Probleemstelling
Aqueous film-forming foam (AFFF) blust brandbare vloeistofbranden via een dubbel mechanisme: de vorming van een schuimlaag en een continue waterfilm die wordt aangevuld door foamdrainage. Hoewel de schuimlaag initiële dekking biedt, is de waterfilm niet reeds aanwezig; deze is afhankelijk van de dynamische drainage van vloeistof uit de schuimstructuur. In praktische brandbestrijdingsscenario's moet de snelheid van foamdrainage dynamisch in evenwicht worden gebracht met de snelheid van verdamping van de waterfilm bij hoge temperaturen. Als de drainage te traag is, mist het schuim mobiliteit en wordt de waterfilm onvoldoende aangevuld; als de drainage te snel is, stort de schumlaag voortijdig in, wat leidt tot herontbranding. Huidig onderzoek heeft zich grotendeels gericht op enkelvoudige variabelen onder omgevingscondities, waarbij een directe kwantitatieve correlatie tussen drainagekinetiek, formuleringssamenstelling, temperatuureffecten en werkelijke brandblus-efficiëntie ontbrak. Deze studie adresseert het gat in het begrip van hoe additieven in de formulering en de omgevingstemperatuur de drainage reguleren om de AFFF-prestaties te optimaliseren.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een systematische experimentele aanpak bestaande uit formuleringontwerp, fysische karakterisering en validatie van de brandblusprestaties:

• Materialen en Formuleringen: De studie maakte gebruik van een commerciële fluoroether-betaine surfactant (STAR-2157/2470) als basis. Verschillende koolwaterstof-surfactants (K12, CAB-35, APG0810, CTAB) en xanthaangom (als schuimstabilisator) werden gemengd om 16 initiële formuleringen (Serie B) en 4 temperatuurstudie-formuleringen (Serie C) te creëren. Een definitieve set van 25 formuleringen werd ontworpen om de correlatie tussen drainage en prestaties te valideren.
• Fysische Karakterisering: Oppervlakte- en grensvlakspanningen werden gemeten met een bubbeldruk-tensiometer en een rotatie-druppel-tensiometer om de spreidingscoëfficiënt ($S$) te berekenen.
• Drainagekinetiek: Een Dynamic Foam Analyzer (DFA100) werd gebruikt om het cumulatieve gedraineerde vloeistofvolume, de 25% drainage-tijd en het vloeistofgehalte op verschillende hoogtes te meten. Het schuimmicrostructuur (evolutie van bubbelgrootte en -vorm) werd vastgelegd via beeldvorming.
• Temperatuurregulatie: Een aangepaste opstelling met een verwarmde glazen trechter en een thermocouple-array simuleerde de thermische effecten van een heet olieoppervlak. Tests werden uitgevoerd bij 26°C, 40°C, 50°C en 60°C om de koppeling tussen temperatuur en formuleringcomponenten te analyseren.
• Verificatie van Brandblusprestaties: Gestandaardiseerde brandblustests werden uitgevoerd op een pan van 0,25 m² met 120# industriële oplosmiddelolie. Belangrijke metrieken omvatten de blustijd ($t_1$) en de 100% terugbrandtijd ($t_2$), vergeleken met de Chinese nationale standaard GB 15308−2006 ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min).

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Additiefsynergie en Niet-lineariteit:

   • Onder de koolwaterstof-surfactants bleek Natriumdodecylsulfaat (K12) het meest effectief in het vertragen van de scheiding van schuimvloeistof, gevolgd door CAB-35 en APG0810.
   • Er werd een niet-lineair synergetisch effect waargenomen tussen K12 en xanthaangom. Hoewel beide de drainage vertragen, kan een overmatige toevoeging van K12 (met name bij lage concentraties xanthaangom) de drainage juist versnellen in plaats van vertragen.
   • Analyse van de schuimmicrostructuur onthulde een negatieve correlatie tussen de initiële bubbelgrootte en de drainage-tijd: kleinere initiële bubbels en een hoger initieel vloeistofgehalte ($S_1$) resulteerden in een betere vertraging van de drainage.

2. Dubbel Regulatiemechanisme van Temperatuur:

   • De studie identificeerde een dubbel mechanisme waarmee temperatuur de drainage beïnvloedt, afhankelijk van de viscositeit van het systeem:
     • Hoogviskeuze Systemen (met xanthaangom): Toenemende temperatuur versnelt consistent de drainage door de oplossingviscositeit te verlagen, waardoor het stabiliserende effect van het polymeer wordt verzwakt.
     • Lage Viscositeit / Stabilisatorvrije Systemen: Temperatuur vertoont een niet-monotoon effect. Een matige temperatuurstijging (tot 40–50°C) vertraging de drainage aanvankelijk door het Marangoni-effect en de surfactantmobiliteit te verbeteren, wat leidt tot een strakkere grensvlakfilm. Verdere verhitting (tot 60°C) vermindert echter de oppervlaktespanning en versnelt de filmbreuk, waardoor de drainage versnelt. Als gevolg hiervan neemt de 25% drainage-tijd in deze systemen eerst toe en neemt daarna af naarmate de temperatuur stijgt.

3. Kwantitatieve Correlatie met Brandblusprestaties:

   • Brandblestests toonden aan dat noch extreem trage, noch extreem snelle drainage optimaal is.
   • Formuleringen met zeer trage drainage (hoge xanthaangom) behielden lange terugbrandtijden, maar slaagden er niet in branden snel te blussen door een gebrekkige schuimmobiliteit en onvoldoende aanvulling van de waterfilm.
   • Formuleringen met zeer snelle drainage (lage xanthaangom) blusten branden langzaam of slaagden er niet in de dekking te behouden, wat leidde tot korte terugbrandtijden.
   • Optimaal Bereik: Voor AFFF-formuleringen bevattende STAR-2157/2470 werd een 25% drainage-tijd van 5,9 ± 0,2 minuten geïdentificeerd als het optimale bereik om zowel de blustijd als de terugbrandtijd-normen te voldoen. Twee specifieke formuleringen (ZY-14 en ZY-17) werden succesvol gescreend die binnen dit drainagevenster aan de nationale normen voldoen ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min).

Betekenis
Het artikel beweert een fundamentele basis te bieden voor het ontwerpen van hoogefficiënte en milieuvriendelijke AFFF-middelen door een kwantitatieve relatie vast te stellen tussen drainagekinetiek en brandblusprestaties. Door te valideren dat de drainagesnelheid binnen een specifiek "sweet spot" gecontroleerd moet worden in plaats van simpelweg geminimaliseerd, biedt de studie een formuleringontwerpstrategie die verder gaat dan enkelvoudige optimalisatie. De identificatie van het dubbele temperatuurmechanisme en de niet-lineaire synergie tussen K12 en xanthaangom biedt cruciale inzichten voor de ontwikkeling van AFFF-middelen die effectief blijven onder variërende omgevingstemperaturen en brandoppervlaktetemperaturen. Het succesvolle screenen van formuleringen die aan de nationale normen voldoen met behulp van deze drainage-controle-methodologie bevestigt de praktische bruikbaarheid van de voorgestelde aanpak.