水成膜泡沫灭火剂的组成、性能分析及灭火原理与灭火效率

水成膜泡沫灭火剂AFFF的研究始于20世纪60年代初期，由美国海军研究所研制成功，是一类灭火效能较高的泡沫灭火剂。水成膜泡沫的英文名称为AFFF（Aqueous Film Forming Foam），由于美国3M公司原产品的商品名称为LightWater，所以又被称为轻水泡沫灭火剂。水成膜泡沫灭火剂由于添加了氟碳表面活性剂，使泡沫混合液表面张力大大降低，从而在可燃液体表面上形成一层能够抑制燃料蒸发的水膜，增强了泡沫的流动性，通过泡沫和水膜的双重作用迅速灭火。

水成膜泡沫灭火剂根据发泡基的不同可分为水成膜型和氟蛋白型两种类型。1964年，美国科学家图夫（R L·Tuve）最早研制成功了全部以合成材料为原料的水成膜泡沫灭火剂。20世纪70年代末期，英国一些公司又研制成功了以改性水解蛋白为发泡基的成膜氟蛋白泡沫灭火剂FFFP（Film Forming Fluoro Protein Foam）。由于水成膜泡沫灭火剂具有卓越灭火性能以及其优良的对灭火设备的适应能力，70年代以来，美英等西方国家的多家公司相继研制生产了多种规格的水成膜泡沫灭火剂。目前，水成膜泡沫灭火剂已成为国外石油化工消防中广泛应用的灭火剂之一。

我国从1978年来开始研制水成膜泡沫灭火剂，1979年公安部天津消防研究所和上海有机所共同研制出第一代水成膜泡沫灭火剂，此后通过对产品不断改进，于上世纪90年代研制成功了以水解蛋白为发泡基的成膜氟蛋白泡沫灭火剂，又称氟蛋白型水成膜泡沫灭火剂。其灭火性能和抗复燃性能显著提高。成膜氟蛋白泡沫灭火剂的缺点在于受蛋白泡沫基料的影响，其有效期较短。

一、组成

水成膜泡沫灭火剂主要是由氟碳表面活性剂、碳氢表面活性剂（无氟表面活性剂）和改进泡沫性能的添加剂（泡沫稳定剂、抗冻剂、助溶剂以及增稠剂等）和水组成。

（一）氟碳表面活性剂

表面活性剂一般包含极性基团（亲水基）和非极性基团（疏水基），氟碳表面活性剂是碳氢表面活性剂疏水基团中全部或大部分的氢原子被氟原子所取代所得到的表面活性剂，其表面活性剂中的非极性基不仅有疏水性质，而且具有疏油的性能。由于氟碳链分子的内聚力比相应的碳氢链低，因此，这类表面活性剂对水和有机溶剂有更高的表面活性，能以极小的浓度就能明显降低水和有机溶剂的表面张力。此外，由于氟碳键的键能比碳氢键的更高，化学稳定性好，故其耐氧化性和耐腐蚀性能较好。

氟碳表面活性剂是水成膜泡沫灭火剂的重要组成部分。其作用主要是降低水成膜泡沫混合液的表面张力，提高泡沫的疏油能力，并与碳氢表面活性剂共同作用，使灭火剂的混合液能够在可燃液体表面上形成水膜。用于制造水成膜泡沫灭火剂的氟碳表面灭火剂和用于制造氟蛋白泡沫灭火剂的氟碳表面活性剂具有相同之处，二者在分子结构上都包括疏水疏油基、疏水（亲油）基和亲水基三部分；所不同的是，水成膜泡沫灭火剂中的氟碳表面活性剂降低其水溶液表面张力和更强的疏油能力比氟蛋白泡沫灭火剂的要强很多。

氟碳表面活性剂的种类很多，氟碳表面活性剂可分为阴离子型、阳离子型、两性型、非离子型等。水成膜泡沫灭火剂通常可以选用一种或一种以上氟碳表面活性剂作为添加剂。试验表明，通过适当的选择把两种或两种以上的氟碳表面活性剂搭配起来使用，其降低表面张力的效果，远比仅用一种氟碳表面活性要好。需要注意的是，并不是所有种类都能用于水成膜泡沫灭火剂中，同时，相互搭配使用的不同种类的氟碳表面活性剂，它们分子中的亲水基必须相容。例如，对于离子型氟碳表面活性剂，阴离子型的不能与阳离子型的搭配使用，但二者可分别与非离子型氟碳表面活性剂搭配使用。

虽然氟碳表面活性剂具有一定的起泡性能，但因其在水成膜泡沫液中的含量较低，一般在0.5%～5%之间，对发泡性能的影响不大。

（二）碳氢表面活性剂

碳氢表面活性剂的种类繁多，用作水成膜泡沫灭火剂的添加剂的碳氢表面活性剂必须是水溶性的，而且其亲水基的离子性质必须能够和与之配用的氟碳表面活性剂相容。碳氢表面活性剂的作用主要是与氟碳表面活性剂相配合，降低泡沫混合液与可燃液体之间的界面张力，增加混合液与可燃液体之间的亲合力，使之容易在可燃液体表面上形成水膜，并以较快的速度扩散。此外，碳氢表面活性剂还有提高混合液的发泡能力和泡沫稳定性的作用。

碳氢表面活性剂作为水膜的形成促进剂，有助于水膜形成和扩展。在水成膜泡沫灭火剂中碳氢表面活性剂含量较低，一般在0.1%～0.5%之间，若其作为改进泡沫性能的添加剂，含量会高些，但不超过15%。

（三）稳定剂

水成膜泡沫灭火剂是仅依靠添加氟碳表面活性剂和碳氢表面活性剂制备的泡沫溶液，虽然能在可燃液体表面成膜及扩散，但其泡沫及水膜的稳定性差，从而导致灭火剂的封闭作用以及抗烧性能不佳，因此需要在水成膜泡沫灭火剂添加稳定剂，提高水膜和泡沫的稳定性。水成膜泡沫灭火剂中常用的稳定剂有乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、改性水解蛋白、聚氧乙烯等。

其中，乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚还是很好的溶剂，对氟碳表面活性剂和碳氢表面活性剂有助溶作用，并可增强泡沫的性能，适当降低泡沫液的凝固点，含量一般为15%～40%。

其他高分子型的稳定剂在水成膜泡沫灭火剂中具有增黏作用，它们能提高泡膜的黏度和强度，以及泡沫的持水性能，降低泡膜和水膜的透气性能。由于高分子稳定剂的作用，使可燃蒸气难以穿透泡膜或水膜，从而提高泡膜和水膜的封闭作用和抗烧性能，含量为30%～40%。

（四）其他添加剂

为了提高水成膜泡沫灭火剂在低温条件下的使用性能，泡沫液中往往还要添加抗冻剂。最常用的抗冻剂为乙二醇、丙三醇、二甘醇等多元醇，其添加量根据所需达到的流动点的要求而定；为了增强泡沫的抗复燃能力和自封能力，水成膜泡沫灭火剂中还添加少量的聚氧化乙烯（即聚环氧乙烷），含量一般在0.1%～0.5%之间；有时在泡沫液中还要添加少量烷基胺和有机酸作为缓冲剂，使泡沫液的pH值保持在一定的范围内。

二、性能分析

水成膜泡沫灭火剂可分为两种类型：水成膜泡沫灭火剂AFFF和成膜氟蛋白泡沫灭火剂FFFP。由于二者制造原料不同，在外观上存在较大差异。水成膜泡沫灭火剂AFFF一般为浅琥珀色的透明液体，而成膜氟蛋白泡沫灭火剂FFFP是一种黑褐色的液体，在外观上与普通蛋白泡沫灭火剂相近。

水成膜泡沫灭火剂灭火效能，取决于泡沫本身的性能、泡沫混合液在可燃液面水膜的扩散性能以及水膜对液面的封闭性能，下面从泡沫性能、扩散性能及成膜性能三方面对水成膜泡沫灭火剂性能进行分析。

（一）扩散性能

水成膜灭火剂能快速灭火实际上主要依赖于其在可燃液体表面上的快速扩散，因此，能否形成有效扩散是其灭火的前提条件。

水成膜泡沫灭火剂在氟碳表面活性剂和无氟表面活性剂共同作用下，在可燃液体表面形成水膜。根据化学热力学分析，水膜在可燃液体表面能够扩散的条件是，扩散系数必须大于零，用公式表达如下：

S＝σf－（σa＋σi）＞0

式中：

S——扩散系数，N/m；

σf——可燃液体的表面张力，N/m；

σa——水成膜泡沫灭火剂水溶液的表面张力，N/m；

σi——可燃液体与水成膜泡沫灭火剂水溶液之间的界面张力，N/m。

从式中可以看出，若使扩散系数S＞0，必须使σa＋σi＜σf，这就要求σa、σi的值尽量小。由于氟碳表面活性剂水溶液的表面张力很低，一般在15.1×10-3 N/m～19.2×10-3 N/m之间，这就使水成膜泡沫灭火剂水溶液表面张力σa值较小；无氟表面活性剂又能使水成膜泡沫灭火剂水溶液与可燃液体之间具有较低界面张力，所以σi值也较小。能够满足σa＋σi＜σf，从而S＞0。

水成膜泡沫混合液对烃类可燃液体的扩散系数，是衡量其在液体表面上的成膜能力和扩散能力的重要参数。扩散系数越大，水膜越易形成，扩散能力也越大。虽然扩散系数S＞0，水成膜泡沫灭火剂在可燃液面上形成扩散，但是若S值较小的话，那么扩散速度就慢。为使扩散系数具有较大的值，首先要求水成膜泡沫灭火剂的混合液要有尽量低的表面张力，并且要保证σa＋σi尽量地低于σf。通过向泡沫溶液中添加一定量的碳氢表面活性剂，可大大降低溶液与可燃液体之间的界面张力σi，使S值较大，提高水膜的扩散速度。

（二）成膜性能

水膜对可燃液体表面的封闭作用是水成膜泡沫灭火剂的一项重要灭火作用。水成膜泡沫成膜性能受多方面的因素影响，其中包括可燃液体属性、液体温度、环境温度、日光照射强度、风速等因素。温度对成膜的影响明显，如果火场温度过高，表面部分的可燃液体的温度也会提高，成膜能力就会下降，其封闭液面的作用就会受到影响。当水膜受到较大的热辐射或接触火焰时，就会迅速遭到破坏，从而失去封闭液面的能力。水膜对可燃液体液面的封闭能力与泡沫液黏度、泡沫的析液速度以及泡沫的稳定性等因素相关，为使析出泡沫混合液生成水膜速度大于水膜消失速度，就需要适当提高泡沫析液速度，因此，水成膜泡沫的析液时间要适当短些。

（三）泡沫性能

表征水成膜泡沫灭火剂泡沫性能的参数主要包括发泡倍数、泡沫液析液速度、泡沫液黏度和泡沫稳定性。

水成膜泡沫灭火剂扑救液体火灾，仅泡沫溶液在液面上形成的薄薄的一层水膜，很难把火扑灭。必须在可燃液面上形成一定厚度的泡沫层，由泡沫层和水膜共同封闭液面，达到灭火的目的。

在火灾扑救过程中，前期形成的水膜受热迅速蒸发，需要泡沫中不断析出水，形成新的水膜加以补充。这就与泡沫的发泡倍数和析液时间密切相关。理论上，泡沫的发泡倍数越高，在相同时间内堆积的泡沫层就越厚。而过高的发泡倍数，会降低泡沫的含水量，这样，泡沫析出的水分减少，不利于水膜的形成，同时，由于火场中气流的向上作用，泡沫过轻容易被带走。因此，发泡倍数不宜过高。泡沫的析液时间也应适当，过快或过慢都不利于灭火。析液速度过快则影响泡沫的堆积，降低灭火效率；析液速度过慢，会使水膜得不到及时补充，一方面影响液面的封闭，另一方面影响泡沫的流动性，导致灭火时间延长。

泡沫液的扩散速度和析液性能与泡沫液的黏度有关。若只考虑扩散速度，泡沫液黏度应低一些，但黏度过低会加快泡沫析液速度。而黏度过高，不仅降低扩散速度，还会使析液速度太慢，致使水膜形成的速度小于水膜的蒸发的速度，影响灭火效率。因此选择泡沫液的黏度应综合考虑扩散速度和析液时间两方面的因素。

水成膜泡沫灭火剂灭火后的抗复燃能力与泡沫的稳定性有关。泡沫液稳定性越好，抗复燃能力越高，而泡沫的稳定性与泡沫液的表面张力、泡沫液的黏度等因素有关。

目前，我国水成膜泡沫灭火剂标准执行的是GB 15308-2006《泡沫灭火剂》中对低倍数泡沫灭火剂的相关规定，其主要性能指标要求见表2-5所示。

表2-5　水成膜泡沫灭火剂的主要性能要求

三、灭火原理与灭火效率

（一）灭火原理

水成膜泡沫灭火剂的灭火作用主要是由浮于燃烧液体表面上的泡沫层和水膜层共同完成的，因此其具有泡沫和水膜的双重灭火功效。

1．泡沫的灭火作用

水成膜泡沫灭火剂由于氟碳表面活性剂和其他添加剂的共同作用，使泡沫具有非常好的流动性。当泡沫喷射到油面上时，泡沫能在燃烧液面上迅速展开，形成泡沫覆盖层，使可燃液体表面与空气隔绝，起到覆盖灭火的作用；同时，泡沫在火场热辐射作用下，吸收大量的热量，一部分变成水蒸气，另一部分析出水分，使火场温度降低，起到冷却灭火的作用。

2．水膜的灭火作用

当水成膜泡沫被施加到可燃液体表面上时，泡沫立即沿着燃料的表面迅速向四周扩散，与此同时，由泡沫中析出的泡沫混合液立即在泡沫与燃料之间的界面处形成一层水膜。随着泡沫中的混合液不断析出，水膜沿着可燃液体表面向泡膜覆盖区域以外的方向扩散，进一步扩大了水膜的覆盖面积，如图2-5所示。可燃液体上面的水膜与可燃液体之间的界面处，氟碳表面活性剂分子都是呈定向排列，分子中的亲水基朝向水膜一方，疏油疏水基朝向可燃液体一方，定向排列的氟碳表面活性剂分子在水膜与燃料表面的交界处，形成一个抑制燃料蒸发的屏障，使可燃液体的蒸发速度迅速下降。

图2-5　水成膜泡沫与可燃液体界面结构示意图

水膜上方的泡沫层有效地经受了火焰和辐射热的进攻，泡膜中析出的混合液使燃料表面迅速冷却，可以保证泡沫层下方的水膜长时间地封闭油面。泡沫层以外的水膜，由于其耐热能力差，仅存在于泡沫层的边缘处。水膜的存在对泡沫层的扩散是非常有益的，有助于迅速灭火。这层水膜可使油品与空气隔绝，阻止油气蒸发，更有利于泡沫流动，加速灭火。

综上所述，水成膜泡沫灭火剂仅靠水膜的作用还不能有效地灭火，水膜的存在加速了泡沫的灭火进程，提高了灭火效率。简单地说，水成膜泡沫的灭火作用是：当把泡沫施加到可燃液体表面时，泡沫一边在液体表面上扩散，一边析出液体，在可燃液体表面形成一层水膜；水膜与泡沫层共同抑制燃油的蒸发，使燃油与空气隔绝，水膜的存在可使泡沫迅速流向尚未直接喷射到的区域进行灭火。

（二）灭火效率

试验表明，不论对小面积、中等面积还是大面积的可燃液体火，水成膜泡沫灭火剂的灭火效率比普通蛋白泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂都要高。对于同样面积、同种燃料的火，水成膜泡沫具有较低的临界混合液供给强度。10m2以下的汽油火，水成膜泡沫混合液灭火的临界供给强度为1 L/（min·m2）左右。对于同面积同燃料的火，在相同的混合液供给强度下，水成膜泡沫具有较短的控火时间和灭火时间。

在同等灭火条件下，即相同的可燃液体和相同面积的火，在相同的供给强度下，与普通蛋白泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂相比，水成膜泡沫灭火剂都具有最短的控火时间和灭火时间。三种泡沫灭火剂的灭火示意图如图2-6所示。从图中可以看出，水成膜泡沫具有更好的流动性，氟蛋白泡沫次之，普通蛋白泡沫最差。它在可燃液体表面上堆积高度仅为蛋白泡沫的三分之一时，就能迅速流动扩散，能更快地扑灭火焰。实验表明，水成膜泡沫灭火剂的灭火效力约为蛋白泡沫的三倍。

（a）蛋白泡沫灭火示意图；

图2-6　三种泡沫灭火剂的灭火作用示意图

水成膜泡沫灭火剂具有良好的抗复燃能力。在火灾扑灭后，水膜在泡沫不断破裂消失后，在可燃液体表面形成一层水膜并可保持一定时间，能够有效地封闭可燃液体表面，可以有效地防止可燃液体复燃情况的产生。

四、水成膜泡沫灭火剂的应用

（一）使用特点

近年来，泡沫灭火剂的开发和应用均向成膜型泡沫方向发展，水成膜泡沫灭火剂以其较高的灭火效率，应用于A类和B类火灾。但含水量较高，对它的应用带来局限性。

1．可扑救的火灾类型

（1）B类可燃液体火灾

对于B类液体火灾，水成膜泡沫灭火剂主要应用于扑救非水溶性的可燃液体火灾。由于水成膜泡沫灭火剂具有良好的流动性能和封闭性能，对可燃液体平面火和流淌火的灭火效果非常出色。而对于醇、酯、醚等极性液体的火灾，水成膜泡沫灭火剂只能用于扑救一些极性较小的液体浅层火，而且扑救时需要很大的供给强度；对于极性液体的深层火，则需要抗溶性的水成膜泡沫或其他类型的抗溶性泡沫来扑救。

（2）A类固体物质火灾

水成膜泡沫灭火剂可以用来扑救A类固体火灾，扑救时可采用泡沫的形式，也可以用混合液喷雾的形式，对一般固体物质的火灾都有良好的灭火效果。由于混合液具有很低的表面张力和优良的扩散性能与渗透性，对于诸如橡胶、塑料以及其他聚合物材料的火灾扑救效果明显；对于A、B类共存火灾，使用水成膜泡沫扑救可以得到较理想的结果。

2．不适合扑救的火灾类型

（1）C类气体火灾

水成膜泡沫不能用于扑救常温、常压下以气态形式存在的物质火灾。

（2）遇水反应物质火灾

水成膜泡沫灭火剂含水量较高，不能用于扑救碱金属、轻金属以及其他遇水反应物质的火灾。

（2）带电设备的火灾

水成膜泡沫灭火剂较高的含水量，同样不能用于带电设备火灾的扑救。

（三）水成膜泡沫灭火剂用量计算

水成膜泡沫灭火剂可以液下喷射，与氟蛋白泡沫灭火剂相比，具有在燃料表面流动更快和储存时间更长的特点。其用量计算方法与氟蛋白泡沫灭火剂相同。

（四）储存

水成膜泡沫灭火剂可以储存于中碳钢、不锈钢或聚乙烯塑料容器中。采用中碳钢储存时，内壁应做防腐处理，防腐蚀涂层应选用耐溶剂的涂料。由于灭火剂中往往含有乙二醇丁醚类的溶剂，对一般的防腐涂层防腐涂料具有相当强的溶解作用。因此，应选用耐溶性好的涂料，以防涂层在储存过程中发生溶解或脱落，影响泡沫液质量。

水成膜泡沫灭火剂储存温度通常在5℃～40℃之间，可以以浓缩液的形式或预混液的形式储存。一般来讲，泡沫液的储存期与泡沫浓度关系密切，浓度越高储存期越长。浓缩液储存时间较长，最低可达8年以上；而预混液由于含有大量的水（达90%以上），泡沫中的有效成分极易发生水解，导致泡沫失效，与水简单地混合的预混液储存期仅为几个月，但经过特殊处理后的水成膜泡沫灭火剂预混液则可储存3～5年。

不同生产厂家或不同规格的水成膜泡沫灭火剂不能混合储存。由于每种产品选用的表面活性剂的离子性质不同，不同产品混合时可能会导致表面活性剂间的相互作用而失效或降低效力。同样，水成膜泡沫灭火剂也不能与其他类型的泡沫灭火剂混合储存。水成膜泡沫灭火剂产生泡沫以后，可以与其他类型的泡沫相混合用来扑灭同一起火灾。

（五）毒性与环境影响

与蛋白泡沫灭火剂和氟蛋白泡沫灭火剂相比，水成膜泡沫灭火剂的密度、黏度、腐蚀率等参数值要低一些。水成膜泡沫灭火剂的pH值略偏碱性，在高温处理条件下与其他同类产品相混合时具有很好的化学稳定性；水成膜泡沫灭火剂属于微毒性灭火剂，可以通过人工或在自然环境下被生物降解，它对于环境和使用人员的安全不会产生明显的不良影响。