Исследование пенообразующих свойств смесей анионных ПАВ при разработке рецептур пенообразователей типа S для тушения пожаров

Аннотация. В статье представлены результаты исследований пенообразующих свойств смесей анионных ПАВ, используемых при разработке рецептур пенообразователей типа S для тушения пожаров. Материалы статьи раскрывают подходы, для производства пенообразователей типа S полностью на российском сырье.

Введение

Актуальность разработки отечественных пенообразователей

В последней трети XX века Федеральное государственное бюджетное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (далее – Институт) занималось разработкой рецептур пенообразователей, наиболее важных для производства пенообразователей, а также всего спектра вопросов, связанных с использованием в противопожарной защите огнетушащих пен, получаемых из пенообразователей, предназначенных для тушения пожаров [1–8]. Одной из наиболее острых проблем, требующих решения в настоящее время, является необходимость обеспечения противопожарной защиты пенообразователями, производимыми в России из отечественного сырья. В 2023 году в Институте прошла международная конференция «Проблемные и актуальные вопросы пенного пожаротушения», которая вызвала большой интерес у производителей пенообразователей, представителей МЧС России, Госпожнадзора и руководства Института к восстановлению производства всех видов пенообразователей в России с использованием отечественного сырья [9]. Предлагаемый материал статьи призван раскрыть некоторые подходы, которые позволят производить пенообразователи S-типа полностью на основе российского сырья.

Цель и предмет исследования

Пенообразователи (концентраты) представляют собой достаточно сложный многокомпонентный состав. Наиболее простыми по компонентному составу являются пенообразователи типа S (в среднем 5–6 компонентов). Поверхностно-активное вещество (ПАВ) – это один из главных компонентов состава пенообразователя, но не единственный. Представленный материал посвящен научному подходу к выбору ПАВ для дальнейшего создания на его основе качественного пенообразователя типа S.

Научная основа исследования: поведение гомологов ПАВ в смесях

В каждом гомологическом ряду исследуемых ПАВ (первичные алкилсульфаты (ПАС), вторичные алкилсульфаты (ВАС), алкилбензолсульфонаты (АБС), α-олефинсульфонаты (АОС)) были выявлены гомологи, обеспечивающие максимальную пенообразующую способность при минимальной концентрации активного вещества в рабочем растворе [10, 11].

Однако технические возможности производства ПАВ не позволяют получить гомологи, обеспечивающие максимальную пенообразующую способность, в чистом виде. Как правило, даже узкие фракции технических ПАВ содержат, наряду с основной (целевой) фракцией, сопутствующие им низкомолекулярные и высокомолекулярные гомологи. В зависимости от химического строения каждый гомолог проявляет присущие только ему свойства, а свойства растворов смесей ПАВ определяются суммарным эффектом от вклада каждого компонента. При этом суммарный эффект от присутствия в растворе пенообразователя различных гомологов может быть как синергетическим, так и антагонистическим или аддитивным.

Наибольший интерес для исследований представляют первые два эффекта, которые сопровождаются экстремальными отклонениями в зависимостях «состав – свойство».

Методологический подход и экспериментальные условия

Выявление синергизма позволяет улучшить качество пенообразователей, а обнаружение антагонизма – избежать нежелательных последствий ухудшения качества пенообразователей при их смешении. Наличие экстремальных отклонений в свойствах смесей ПАВ обычно принято объяснять образованием комплексов и смешанных мицелл различного состава. Однако природа явлений, протекающих в растворах смесей ПАВ, остается до конца невыясненной. Считают, что низкомолекулярные гомологи анионных ПАВ в смеси действуют подобно примеси электролита, а присутствие высокомолекулярных гомологов способствует агрегации и снижению критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Особенно сложно объяснить поведение смеси анионных ПАВ между молекулами, в которых отсутствует явное химическое взаимодействие. Появление экстремальных отклонений в случае анионных ПАВ (ПАС, ВАС, AОC, АБС) наиболее вероятно отнести за счет изменения структуры мицеллярной фазы, а также за счет изменения строения адсорбционного слоя молекул ПАВ.

Поэтому при исследовании смеси ПАВ проводилось одновременное наблюдение за изменениями целевых (пенообразующих) и коллоидно-химических свойств растворов.

Учитывая, что количество всевозможных сочетаний многокомпонентных смесей является практически беспредельным, представлялось более рациональным выявить наиболее общие закономерности изменения зависимости «состав – свойство». Для исследования смесей ПАВ выбирались наиболее типичные представители гомологов оптимальных фракций и гомологов неоптимальных фракций с более короткими и более длинными углеводородными радикалами. Исследовались бинарные смеси: низкомолекулярная фракция – оптимальная фракция, оптимальная фракция – высокомолекулярная фракция, низкомолекулярный гомолог (оптимальная фракция) – высокомолекулярный гомолог (оптимальная фракция) и в тройках модельных смесей: низкомолекулярная фракция – оптимальная фракция – высокомолекулярная фракция. Свойства смесей ПАВ изучались при концентрации ПАВ, равной 0,01 М, при которой свойства растворов ПАВ наиболее чувствительны к изменению состава раствора. Пенообразующие свойства изучались на приборе «РТ-1» при температуре (25 ± 1) °С представляющем собой электромеханическое устройство для получения пены со съемным стаканом и пропеллером, который полностью закрывается водным раствором объемом 100 см³, и обеспечивающим число оборотов пропеллера (4000 ± 50) мин^–1. Вместимость съемного стакана с делением через каждые 100 см³ должна быть не менее 1000 см³.

Выводы

На основании проведенных исследований смесей анионных ПАВ сделаны следующие выводы:

1. Максимальными пенообразующими свойствами, независимо от состава, обладают только смеси гомологов оптимальных фракций.

2. Смеси гомологов неоптимальных фракций проявляют синергетическое увеличение пенообразующих свойств.

3. Максимальные пенообразующие свойства проявляются у смесей, которым соответствует приведенная длина радикала (N_np), равная оптимальной длине радикала, соответствующих индивидуальных гомологов, т. е.:

N_np = N₁a₁ + N₁a₁ + N₂a₂ +… + N_n.an = N_optim,

где N₁, N₂, …, N_n – число углеродных атомов у индивидуальных гомологов смеси; a₁, a₂, …, a_n – мольные доли компонентов смеси (a₁ + a₂ +…+ a_n = 1); N_optim – оптимальное число углеродных атомов в радикале ПАВ.

4. Наличие синергизма у смесей гомологов неоптимальных фракций и определенной связи между соотношением гомологов в смеси и максимальными пенообразующими свойствами открывает возможность направленного подбора гомологического (фракционного) состава технических ПАВ с целью получения наиболее устойчивых пен.

5. Количество примесей (низко- и высокомолекулярных гомологов) в составе пенообразователя на основе гомологов оптимальных фракций не должно превышать 10–20 %.

Полная версия статьи “Исследование пенообразующих свойств смесей анионных ПАВ при разработке рецептур пенообразователей типа S для тушения пожаров”

Перейти к содержимому PDF