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

Resumo Técnico: Estudo Experimental sobre a Drenagem de Espuma de AFFF

Definição do Problema
A espuma formadora de filme aquoso (AFFF) extingue incêndios de líquidos inflamáveis através de um mecanismo duplo: a formação de uma camada de espuma e um filme de água contínuo fornecido pela drenagem da espuma. Embora a camada de espuma forneça a cobertura inicial, o filme de água não é preexistente; ele depende da drenagem dinâmica de líquido da estrutura da espuma. Em cenários prâmicos de combate a incêndios, a taxa de drenagem da espuma deve ser equilibrada dinamicamente com a taxa de evaporação do filme de água em altas temperaturas. Se a drenagem for muito lenta, a espuma carece de mobilidade e o filme de água é insuficientemente reposto; se for muito rápida, a camada de espuma colapsa prematuramente, levando à reignição. A pesquisa atual tem se concentrado amplamente em variáveis únicas sob condições ambientes, carecendo de uma correlação quantitativa direta entre a cinética de drenagem, a composição da formulação, os efeitos de temperatura e a eficiência real de extinção de incêndio. Este estudo aborda a lacuna na compreensão de como os aditivos de formulação e a temperatura ambiente regulam a drenagem para otimizar o desempenho da AFFF.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem experimental sistemática envolvendo o design de formulações, caracterização física e validação da extinção de incêndio:

• Materiais e Formulações: O estudo utilizou um surfactante de fluoroéter betaina comercial (STAR-2157/2470) como base. Diversos surfactantes de hidrocarboneto (K12, CAB-35, APG0810, CTAB) e goma xantana (como estabilizador de espuma) foram misturados para criar 16 formulações iniciais (Série B) e 4 formulações de estudo de temperatura (Série C). Um conjunto final de 25 formulações foi projetado para validar a correlação drenagem-desempenho.
• Caracterização Física: As tensões superficial e interfacial foram medidas utilizando um tensiômetro de pressão de bolha e um tensiômetro de gota rotativa para calcular o coeficiente de espalhamento ($S$).
• Cinética de Drenagem: Um Analisador de Espuma Dinâmica (DFA100) foi utilizado para medir o volume cumulativo de líquido drenado, o tempo de drenagem de 25% e o conteúdo de líquido em diferentes alturas. A microestrutura da espuma (evolução do tamanho e forma das bolhas) foi capturada via imagem.
• Regulação de Temperatura: Um aparato customizado com um funil de vidro aquecido e um arranjo de termopares simulou os efeitos térmicos de uma superfície de óleo quente. Os testes foram conduzidos a 26°C, 40°C, 50°C e 60°C para analisar o acoplamento da temperatura com os componentes da formulação.
• Verificação de Extinção de Incêndio: Testes padronizados de extinção de incêndio foram realizados em uma panela de 0,25 m² com óleo solvente industrial 120#. As métricas principais incluíram o tempo de extinção ($t_1$) e o tempo de reignição de 100% ($t_2$), comparados com a Norma Nacional Chinesa GB 15308−2006 ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min).

Principais Contribuições e Resultados

1. Sinergia de Aditivos e Não Linearidade:

   • Entre os surfactantes de hidrocarboneto, o Lauril Sulfato de Sódio (K12) mostrou-se o mais eficaz em retardar a separação de líquido da espuma, seguido pelo CAB-35 e APG0810.
   • Observou-se um efeito sinérgico não linear entre o K12 e a goma xantana. Embora ambos retardem a drenagem, a adição excessiva de K12 (particularmente em baixas concentrações de goma xantana) pode, na verdade, acelerar a drenagem em vez de retardá-la.
   • A análise da microestrutura da espuma revelou uma correlação negativa entre o tamanho inicial das bolhas e o tempo de drenagem: bolhas iniciais menores e maior conteúdo líquido inicial ($S_1$) resultaram em melhor retardo da drenagem.

2. Mecanismo de Regulação Dupla da Temperatura:

   • O estudo identificou um mecanismo duplo pelo qual a temperatura afeta a drenagem, dependendo da viscosidade do sistema:
     • Sistemas de Alta Viscosidade (com goma xantana): O aumento da temperatura acelera consistentemente a drenagem ao reduzir a viscosidade da solução, enfraquecendo assim o efeito estabilizador do polímero.
     • Sistemas de Baixa Viscosidade/Sem Estabilizador: A temperatura exibe um efeito não monotônico. Um aumento moderado de temperatura (até 40–50°C) inicialmente retarda a drenagem ao aumentar o efeito Marangoni e a mobilidade do surfactante, levando a um filme interfacial mais compacto. No entanto, o aquecimento adicional (até 60°C) reduz a tensão superficial e acelera a ruptura do filme, fazendo com que a drenagem se acelere. Consequentemente, o tempo de drenagem de 25% nesses sistemas aumenta primeiro e depois diminui conforme a temperatura sobe.

3. Correlação Quantitativa com o Desempenho de Extinção de Incêndio:

   • Experimentos de extinção de incêndio demonstraram que nem a drenagem extremamente lenta, nem a extremamente rápida são ideais.
   • Formulações com drenagem muito lenta (alta goma xantana) mantiveram tempos de reignição longos, mas falharam em extinguir incêndios rapidamente devido à baixa mobilidade da espuma e insuficiência de reposição do filme de água.
   • Formulações com drenagem muito rápida (baixa goma xantana) extinguiram incêndios lentamente ou falharam em manter a cobertura, levando a tempos de reignição curtos.
   • Faixa Ótima: Para formulações de AFFF contendo STAR-2157/2470, um tempo de drenagem de 25% de 5,9 ± 0,2 minutos foi identificado como a faixa ideal para satisfazer tanto o tempo de extinção quanto o tempo de reignição padrão. Duas formulações específicas (ZY-14 e ZY-17) foram selecionadas com sucesso, atendendo aos padrões nacionais ($t_1 \le 1,2$ min, $t_2 \ge 10$ min) dentro desta janela de drenagem.

Significância
O artigo afirma fornecer uma base fundamental para o design de agentes AFFF de alta eficiência e ecológicos, estabelecendo uma relação quantitativa entre a cinética de drenagem e o desempenho de extinção de incêndio. Ao validar que a taxa de drenagem deve ser controlada dentro de um "ponto ideal" específico, em vez de ser simplesmente minimizada, o estudo oferece uma estratégia de design de formulação que vai além da otimização de variável única. A identificação do mecanismo de temperatura dupla e da sinergia não linear entre K12 e goma xantana fornece insights críticos para o desenvolvimento de agentes AFFF que permaneçam eficazes sob variadas temperaturas ambientes e de superfície de fogo. A seleção bem-sucedida de formulações que atendem aos padrões nacionais usando esta metodologia de controle de drenagem confirma a utilidade prática da abordagem proposta.