蔣新生，呂科宗，魏樹旺，朱亮

（1后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311；2后勤工程學院國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311）

基于響應曲面法的三相泡沫滅火劑基礎配方優(yōu)化設計

蔣新生1，呂科宗1，魏樹旺1，朱亮2

（1后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311；2后勤工程學院國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311）

為得到發(fā)泡及穩(wěn)定性能優(yōu)異的三相泡沫，響應曲面法優(yōu)化設計三相泡沫滅火劑基礎配方。通過單因素實驗確定表面活性劑及固相粉體為SDS、Fc-134、6501、2000目（6.91 μm）合成云母粉，以發(fā)泡高度及穩(wěn)定時間為響應值，研究其交互作用。利用Box-Behnken方法，建立的二次回歸模型顯著可靠，該模型預測SDS、Fc-134、6501濃度分別為2.64%，0.096%，3%，合成云母添加量為10 g時，為最優(yōu)組合，預測發(fā)泡高度1533.86 ml，穩(wěn)定時間12.8792 min，實驗得到發(fā)泡高度為1550 ml，穩(wěn)定時間為12 min，誤差分別為1.05%，6.82%。與未優(yōu)化三相泡沫比較在發(fā)泡高度及穩(wěn)定時間分別提高14.8%、26.3%。結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化設計三相泡沫發(fā)泡及穩(wěn)定性能較未優(yōu)化三相泡沫有明顯提高且響應曲面法建立的預測模型誤差較小，因此，該模型可用于提升三相泡沫滅火劑的發(fā)泡及穩(wěn)定性能，為三相泡沫滅火劑配方設計提供參考。

泡沫；粉體；表面活性劑；響應曲面法；優(yōu)化設計

引 言

泡沫滅火劑具有成本低覆蓋性能好的特點，被廣泛用于各類油品火災[1]。近年來，在泡沫滅火劑中添配固相粉體制成的三相泡沫在煤礦防滅火的成功應用[2]，使研究者看到其在油品火災中廣闊的應用前景[2-3]。三相泡沫不僅具有兩相泡沫的覆蓋能力，且在抗燒防復燃方面具有很好的效果[4]。針對三相泡沫配方研究方興未艾，秦波濤等[5]將多種發(fā)泡劑進行復配實驗，獲得防治煤炭自燃的三相泡沫發(fā)泡劑配方。陳偉紅等[6]將改性空心玻璃微珠添加到合成蛋白泡沫制取三相泡沫滅火劑。Vinogradov等[7]利用化學修飾方法制得固化硅的泡沫滅火劑成功應用于森林滅火?，F(xiàn)階段，三相泡沫配方的實驗方法多采用全因子分析的方法，這種實驗方法費時費力[4-6]。實驗思路往往是在兩相泡沫的基礎上，按照一定的灰水比[4-6,8]加入固相粉體進行復配實驗，存在配方優(yōu)化不夠合理，粉體添加量過大[5,8-9]等缺點，且對各復配成分之間的交互性研究不足[4-5,8-10]，很難得到用料合理、效果最優(yōu)的三相泡沫滅火劑配方。

響應曲面法是一種可建立連續(xù)變量的優(yōu)化方法。該方法利用曲面模型對各因子間的相互作用進行評價，達到減少實驗數(shù)量，解決非線性問題[11]的目的。目前，響應曲面法已成功應用于醫(yī)藥、化工等許多領域[12-13]。

本文采用響應曲面法，以SDS、Fc-134、6501等表面活性劑為原料，添加合成云母粉對三相泡沫基礎配方進行設計。以發(fā)泡高度、穩(wěn)定時間[14]為評價指標，探究各水平因子交互關系，得到各因素顯著性關系，并與未優(yōu)化設計的合成蛋白三相泡沫滅火劑相比較，為三相泡沫發(fā)泡性能不理想、粉體比重過大等問題提供解決思路，為三相泡沫滅火劑配方設計方法提供參考。

1 三相泡沫形成及穩(wěn)定機理

三相泡沫作為一種成分復雜的分散體系，是多種因素在外力參與下協(xié)同作用的結(jié)果[2-10]。其形成機理可表述為：外力作用下，氣體與高表面活性的溶液（多為表面活性劑溶液）連續(xù)接觸，在氣、液壓力差作用下，氣體進入液面以下，滲透液體形成泡沫。由于高表面活性分子在氣液界面處的吸附效應，使得泡沫維持，液膜形成[15]。粉體與泡沫不斷碰撞后，克服泡沫水化層界面能壘[16-17]，與泡沫液膜形成接觸面，此時即形成了三相泡沫[18]。三相泡沫形成原理如圖1所示。

三相泡沫與未加粉體兩相泡沫電鏡照片如圖2、圖3所示。由圖2可看到三相泡沫間形成的通道（即plateau通道）較寬，液膜處出現(xiàn)吸附的固相粉體，根據(jù)界面-脫附能理論[19]，吸附的固相粉體對液膜的變薄有抑制作用，可提高三相泡沫的穩(wěn)定性。未吸附的粉體則在plateau通道處聚并，形成片狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與吸附在液膜的粉體一同抑制泡沫排液，進一步提高三相泡沫的穩(wěn)定性。而兩相泡沫的電鏡照片（圖3）顯示兩相泡沫液膜處僅為水層，且plateau通道較窄，這使得泡沫易發(fā)生歧化聚并[20]，導致泡沫破滅。

圖1 三相泡沫形成原理Fig.1 Formation process of three phase foam

圖2 三相泡沫電鏡照片F(xiàn)ig.2 Electron microscopy image of three phase foam

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

十二烷基硫酸鈉SDS（AR，山東優(yōu)索化工有限公司），十二烷基苯磺酸鈉 SDBS（AR，天津鼎盛鑫有限公司），AES（AR，江西南昌東勝精細化工），椰油酰胺丙基甜菜堿CAB-35（AR，山東優(yōu)索化工有限公司），陽離子氟碳Fc-134（AR，湖北武漢賽沃爾化工有限公司），椰子油二乙醇酰胺6501（AR，山東優(yōu)索化工有限公司）、合成云母粉（約6.91 μm，后勤工程學院火災爆炸安全防護實驗室提供），蒸餾水（后勤工程學院國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系提供）。

2.2 實驗儀器

高速分散機（FS-400D型，杭州齊威儀器）；全自動表面張力儀（BZY-1型，上海衡平儀器）；分析天平（discovery型，美國奧豪斯公司）；電子天平（JA50002型，上海衡平儀器）；泡沫檢驗篩（120目，上虞市張興紗篩廠）；金相電子顯微鏡（A2m型，德國蔡司公司）；激光粒度儀（S3500型，美國麥奇克公司）。

2.3 實驗方法

2.3.1 表面活性劑表面張力與粒度測試 表面張力的測定方法主要有Whilhemy吊片法、Du Noüy環(huán)法、滴體積法[21]等，吊片法具有理論完整、操作簡便、表面平衡較好等特點[22]。因此，本文采用BZY-1型張力儀，Whilhemy吊片法測定溶液表面張力。分別配制質(zhì)量濃度為0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%的表面活性劑溶液，其中Fc-134加配0.01%、0.02%濃度。表面張力測試在室溫20℃條件下進行。

固相粒度及其分布是影響三相泡沫性能的重要因素之一，粒徑的差異會影響泡沫的穩(wěn)定[23]。文獻[24]表明選用粒度范圍300 μm以內(nèi)的顆粒有利于泡沫的穩(wěn)定，本文選用合成云母粉（約 6.91 μm）作為三相泡沫固相成分，將少量粉體置于激光粒度儀腔體，濕法測量合成云母粒度分布。

2.3.2 單一表面活性劑溶液發(fā)泡及穩(wěn)定性能實驗本文的發(fā)泡實驗采用Waring-Blender法，配制不同濃度100 g溶液置于刻度容器中并加入合成云母粉稱取總質(zhì)量，利用高速分散機，控制轉(zhuǎn)速為 2000 r·min-1及時間2 min進行充分發(fā)泡[4-6]。發(fā)泡高度為停止時刻，刻度容器的最大讀數(shù)。穩(wěn)定時間為將泡沫轉(zhuǎn)移至120目（0.125 mm）標準泡沫篩[25]，泡沫中析出的液體質(zhì)量為溶液總質(zhì)量一半時所需的時間。依據(jù)發(fā)泡高度及泡沫穩(wěn)定時間評價實驗結(jié)果，每組實驗重復5次取加權(quán)平均值。

2.3.3 響應曲面法復配實驗 依據(jù)表面活性劑復配理論研究[26]，分析1.3.1節(jié)及1.3.2節(jié)實驗結(jié)果，優(yōu)選因素及水平，利用Design-Expert中的Box-Behnken實驗方法設置響應曲面參數(shù)，進行回歸方程擬合，響應曲面及等值線分析，得到最優(yōu)三相泡沫的最優(yōu)配方。優(yōu)選實驗試劑SDS、Fc-134、6501、合成云母粉（mica #2000），水平設為3，對應響應為發(fā)泡高度（Y1）及穩(wěn)定時間（Y2）。進行響應曲面設計，參數(shù)設置如表1所示。

表1 Box-Behnken設計響應曲面因素及水平Table 1 Independent test variables and levels used for response surface of Box-Behnken

2.3.4 響應曲面優(yōu)化設計三相泡沫性能驗證實驗為檢驗響應曲面法優(yōu)化的三相泡沫的發(fā)泡及穩(wěn)定性能，將響應曲面法優(yōu)化設計的三相泡沫與未優(yōu)化三相泡沫（其中未優(yōu)化三相泡沫由合成蛋白泡沫液（6%）與復配粉體（粉體質(zhì)量為10 g）組成[9]）進行實驗。稱取兩泡沫液各100 g，倒入刻度容器，利用高速分散機按1.3.2節(jié)方法分別制備三相泡沫并測量各自發(fā)泡高度及穩(wěn)定時間并記錄數(shù)據(jù)，繪制析出質(zhì)量曲線。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 表面活性劑表面張力及云母粒度測試

3.1.1 表面活性劑表面張力測試 配制單一表面活性劑不同濃度溶液，測試其表面張力如圖4所示。未添加表面活性劑的水溶液表面張力為71 mN·m-1左右，添加表面活性劑后，溶液表面張力迅速降低。其中Fc-134降低表面張力效果最明顯，添加0.05%，可使溶液表面張力降低至 17.6 mN·m-1，其他表面活性劑中6501與SDS降低表面張力能力顯著，最低可達到 26.6 mN·m-1與 26.4 mN·m-1。

圖4 表面活性劑張力Fig.4 Surface tension of surfactants

一般來說，表面張力低的溶液表面活性較高，可使 Lapalce壓力差降低，減少氣液界面的比表面Gibbs過剩自由能，促進泡沫形成，減少泡沫排液驅(qū)動力，抑制Ostwald熟化過程[27]。因此，泡沫滅火劑傾向于選用表面張力較低的表面活性劑溶液。

實驗結(jié)果表明，表面活性劑有降低溶液表面張力的能力。這是因為表面活性劑分子間范德華力較小，溶液中大量表面活性劑分子自溶液內(nèi)部轉(zhuǎn)移至表面，在液體表面的對氣、液界面的正吸附效應使液體表面活性上升，表面張力降低。而 Fc-134與SDS的最低表面張力較其他表面活性劑低，這是因為Fc-134中氟碳的鍵能較碳氫的鍵能高，可有效保護碳碳鍵不被其他原子嵌入，保證表面吸附效果。SDS在水中解離產(chǎn)生帶負電的長直鏈憎水基團，長直鏈憎水基團的強定向吸附性能使其表面活性較強。綜合實驗結(jié)果，選取SDS與Fc-134作為復配實驗試劑，陰陽離子表面活性劑的復配得到許多實驗驗證[28]。6501作為一種有效的泡沫穩(wěn)定劑在泡沫配方中廣泛應用[29]，其緩沖溶液電荷作用的特性，有利于泡沫的形成與穩(wěn)定。因此，本文將6501作為輔助成分加入泡沫配方，選擇濃度2%。

3.1.2 合成云母粒度測試 由粒徑分布（圖 5）可以看出，合成云母可能存在團聚現(xiàn)象，若泡沫中的粉體較多則粉體可能相互堆疊，致使重力作用遠大于泡沫的附著力造成粉體過早沉積的現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生消泡效應使泡沫穩(wěn)定性下降，粉體比重過小則無法起到維持穩(wěn)定泡沫的作用。本文考慮選擇溶液質(zhì)量的5%～10%作為粉體的添加量，零水平選擇7.5 g。粒度實驗中將粒子出現(xiàn)半徑的概率為 50%的粒徑稱為平均粒度。

圖5 mica #2000云母粒徑分布Fig.5 Particle distribution of mica #2000

由表2可知，合成云母的平均粒度為6.91 μm，偏差系數(shù)表明粒徑分布的對稱程度，0.1＜ski＜0.3為正偏，表明峰值向粗粒端傾斜（ski=0.1509），且可能存在粉體的粘接沉積作用，使標準偏差偏大，峰度系數(shù) 0.90＜Kg＜1.11表明粉體峰值位于中間（Kg0.911）。

表2 mica #2000云母粒徑分析結(jié)果Table 2 Particle distribution of mica #2000

3.2 單一表面活性劑溶液發(fā)泡、穩(wěn)定時間的影響

將SDS與Fc-134配制不同濃度溶液進行發(fā)泡穩(wěn)定性能實驗，結(jié)果見圖6、圖7。由實驗結(jié)果可知SDS（圖6）與Fc-134（圖7）均有較好的發(fā)泡性能，SDS濃度為2%時泡沫高度最大約為1480 ml，但穩(wěn)定時間不理想約為4 min，而Fc-134在濃度0.5%發(fā)泡最大高度在1400 ml左右，穩(wěn)定時間較長約為8 min。從現(xiàn)象看，低表面張力雖有利于泡沫形成，但非唯一因素，可能還與其分子結(jié)構(gòu)、外界擾動等有關。同時，F(xiàn)c-134泡沫穩(wěn)定性較SDS好很多，這主要是因為氟碳鏈組成的泡沫表面膜較碳氫鏈的泡沫膜的強度高，氟碳分子相互作用具有超強的疏水作用效果，且電離出的電荷在液膜排列，當泡沫液膜發(fā)生熟化進一步變薄時，電性相斥可阻止液膜變薄，進一步增強泡沫的穩(wěn)定性。

圖6 SDS發(fā)泡與穩(wěn)定時間Fig.6 Foaming height and stable time of SDS

圖7 Fc-134發(fā)泡與穩(wěn)定時間Fig.7 Foaming height and stable time of Fc-134

依據(jù)實驗結(jié)果，選定SDS零水平濃度為2%，氟碳表面活性劑 Fc-134根據(jù)“PFOS”限制公約，為環(huán)保且保證溶液的低表面張力、發(fā)泡能力與穩(wěn)定時間，選定零水平為0.075%，與6501及2000目合成云母粉進行三水平設計。

3.3 復配實驗結(jié)果分析

有研究者認為表面活性劑的復配依據(jù)其表面活性劑的帶電特性[30]，當陽離子氟碳表面活性劑與陰離子表面活性劑復配時表現(xiàn)出良好的配伍性能，而與陽離子表面活性劑則表現(xiàn)一般，這是因為陰離子表面活性劑可插入陽離子表面活性劑中形成混合二元膠束，使離子排斥力與界面的電荷密度降低，減少相互作用，協(xié)同效應明顯，而陽離子由于電荷相同，使排斥力及電荷密度升高，難以形成混合二元混合溶液。本文綜合結(jié)果選用陰離子碳氫表面活性劑SDS、陽離子氟碳表面活性劑Fc-134、非離子表面活性劑6501及2000目合成云母粉作為實驗試劑。通過多項式回歸，建立響應與單因素的關系（低中高水平分別為1，2，3）：

發(fā)泡高度

穩(wěn)定時間

響應指標見表3。

表3 發(fā)泡高度與穩(wěn)定時間相應指標Table 3 Response of foaming height and stable time

模型參數(shù)檢驗參照文獻[31-32]，結(jié)果顯示（表3）：相對偏差值（Y11.2%，Y2=5.4%）＜10%，精密度（Y115.396，Y216.216）＞4，R2＞90%說明模型可以預測90%以上的響應值，可以利用該模型對發(fā)泡時間及穩(wěn)定時間進行分析。實驗設計結(jié)果如表4所示，實驗值與模型的對比如圖8、圖9所示。

實驗結(jié)果表明Y1、Y2模型均符合二次方程，Y1方差實驗分析結(jié)果及交互作用見表5與圖10。

表5表明，擬合模型極為顯著，A、B、C、D、AD、BC、B2、D2結(jié)果顯著，AB與 A2極為顯著，失擬項不顯著。依據(jù)方差分析中的P值，對三相泡沫發(fā)泡高度交互顯著性順序為 D＞B＞C＞A，二次交互項中AD、BC及AB項之間存在強烈的相互作用，且顯著性AD＞AB＞BC。利用響應曲面圖（圖10）進行分析。

SDS與 Fc-134交互作用[圖 10(a)、(d)]可知，對于發(fā)泡高度，在SDS濃度為2%，F(xiàn)c-134為0.07%，其發(fā)泡高度存在一個峰值約 1585 ml，兩者濃度較低時隨SDS與Fc-134的濃度升高，發(fā)泡增效明顯，這說明氟碳陽離子與碳氫陰離子發(fā)生協(xié)同作用，使泡沫高度迅速上升，隨著兩者濃度的增大，泡沫協(xié)同效果不明顯，這可能是因為部分活性劑分子團聚，無法充分接觸液面與空氣及水作用形成泡沫。

SDS與合成云母發(fā)泡高度曲面[圖 10(b)、(e)]顯示，兩者存在爬坡的階段，隨兩者濃度增大可達到最佳發(fā)泡高度。從實驗結(jié)果看，F(xiàn)c-134與 6501相互作用呈馬鞍狀[圖10(c)、(f)]，在Fc-134與6501濃度較低時泡沫高度較高，當兩者濃度升高時，泡沫高度在1560～1600 ml范圍內(nèi)下降，這可能是因為在體系中兩者在低濃度時兼容較好而隨著濃度上升，兩種表面活性劑分子可能存在斥力作用，使泡沫高度不再增加。

表4 響應曲面實驗設計及結(jié)果Table 4 Experimental design and results of response surface methodology

圖8 發(fā)泡高度（Y1）實驗值與預測值Fig.8 Comparison of experimental and predicted values of foaming height（Y1）

圖9 穩(wěn)定時間（Y2）實驗值與預測值Fig.9 Comparison of experimental and predicted values of stable time（Y2）

表5 Y1實驗結(jié)果的方差分析Table 5 ANOVA analysis for Y1

Y2方差分析結(jié)果見表6，相互作用關系如圖11所示。表6表明模型極為顯著，A，B，AB，AD，BC，A2，B2，C2，D2顯著，同時D2顯示極為顯著，失擬項不顯著。依據(jù)P值對顯著性進行排序，可見D＞A＞B＞C，即單項中mica #2000對三相泡沫的穩(wěn)定影響最為顯著，在二次項中AD、BC具有相似的顯著性且高于AB。分析結(jié)果表明模型可行，可進行實驗預測。C，D一次項不顯著而二次項顯著，可能是因為各單項之間的線性關系不明確，而其存在顯著的多重共線性，這里不做分析。對交互項進行分析，可以看到SDS與Fc-134在相應區(qū)間內(nèi)交互作用明顯[圖11(a)、(d)]，在濃度較低時存在穩(wěn)定時間的極值，在 SDS濃度為 1%、Fc-134濃度為0.05%時，穩(wěn)定時間最長。從SDS與合成云母相互作用中看出[圖11(b)、(e)]，隨著合成云母的增加，泡沫的穩(wěn)定時間延長，在添加量為10 g時，穩(wěn)定時間最長。而SDS濃度從1%至1.5%時，泡沫穩(wěn)定性先上升，后在1.5%到3%時又有所下降。對于Fc-134與6501[圖11(c)、(f)]，兩者交互作用呈明顯橢圓狀，在響應曲面中心處存在極值。

圖10 A（SDS濃度）B（Fc-134濃度）、A（SDS濃度）D（云母質(zhì)量）、B（Fc-134濃度）C（6501濃度）兩兩交互作用對Y1（發(fā)泡高度）的影響的曲圖[(a)、(b)、(c)]及云圖[(d)、(e)、(f)]Fig.10 3D surface plots and contour of interactions among A (concentration of SDS) B (concentration of Fc-134), A (concentration of SDS) D (mica mass), B (concentration of Fc-134) C (concentration of 6501) on response value Y1 (foaming height)`

表6 Y2實驗結(jié)果的方差分析Table 6 ANOVA analysis for Y2

3.4 響應模型的預測

利用擬合方程設定重要性獲得最優(yōu)預測點，預測結(jié)果見表7。表7表明，在以發(fā)泡高度預測時，預測值為1601.05 ml，實際實驗值為1625 ml，預測誤差為 1.49%。以穩(wěn)定時間預測結(jié)果顯示，預測值為12.4184 min，實驗值為13 min，誤差為4.65%。以發(fā)泡高度與穩(wěn)定時間的預測值為 1533.86 ml與12.8792 min，實驗值為1550 ml與12 min誤差分別為1.05%與6.82%。模型預測值與實驗值吻合良好。

圖11 A（SDS濃度）B（Fc-134濃度）、A（SDS濃度）D（云母質(zhì)量）、B（Fc-134濃度）C（6501濃度）兩兩交互作用對Y2（穩(wěn)定時間）的影響的曲圖[(a)、(b)、(c)]及云圖[(d)、(e)、(f)]Fig.11 3D surface plots and contour of interactions among A (concentration of SDS) B (concentration of Fc-134), A (concentration of SDS) D (mica mass), B (concentration of Fc-134) C (concentration of 6501) on response value Y2 (stable time)

表7 響應曲面預測結(jié)果與實驗值對比及誤差Table 7 Comparison of response surface prediction results with experimental values and error

3.5 響應曲面優(yōu)化三相泡沫性能驗證實驗

將響應曲面法優(yōu)化的三相泡沫與未優(yōu)化三相泡沫發(fā)泡與穩(wěn)定時間實驗。實驗結(jié)果見圖12、圖13。

結(jié)果顯示經(jīng)響應曲面法優(yōu)化的三相泡沫其發(fā)泡高度與穩(wěn)定時間較未優(yōu)化三相泡沫均有所提高。圖12顯示未優(yōu)化三相泡沫的發(fā)泡高度為1350 ml，穩(wěn)定時間約為9.5 min，優(yōu)化后三相泡沫的發(fā)泡高度與穩(wěn)定時間分別為1550 ml與12 min，較優(yōu)化前分別提升14.8%與26.3%。圖13可看出未優(yōu)化三相泡沫的析出質(zhì)量曲線不平滑，而優(yōu)化后三相泡沫的析出質(zhì)量曲線則平滑許多，這說明優(yōu)化后三相泡沫發(fā)泡更加充分，泡沫更加均勻細膩。性能驗證實驗結(jié)果表明響應曲面法優(yōu)化三相泡沫可用于提升三相泡沫的發(fā)泡及穩(wěn)定性能。

4 結(jié) 論

（1）利用單因素實驗方法，分別測定多種表面活性劑的表面張力，實驗結(jié)果表明碳氫表面活性劑SDS與氟碳Fc-134的最低表面張力分別為26.4 mN·m-1、17.6 mN·m-1。選定 SDS與 Fc-134為實驗試劑，6501作為輔助成分，添配2000目合成云母作為三相泡沫滅火劑基礎試劑。

圖12 優(yōu)化設計三相泡沫與未優(yōu)化三相泡沫發(fā)泡高度及穩(wěn)定時間對比Fig.12 Optimal designed three phase foam contrast with un-optimized one in foaming height and stable time

圖13 三相泡沫析出質(zhì)量與排液時間的關系Fig.13 Relationships with drainage quality and drainage time of three phase foam

（2）設計三相泡沫滅火劑的基礎配方，利用Box-Behnken進行 4因素 3水平實驗設計，以發(fā)泡高度與穩(wěn)定時間為響應值，擬合響應曲面模型，方差分析結(jié)果顯示，擬合模型顯著可用于實驗分析預測。

（3）通過方差分析，預測得到各項濃度最優(yōu)組合，在該條件下進行實驗，結(jié)果表明實驗值與預測值接近，可得到具有良好發(fā)泡性能（發(fā)泡高度1550 ml）及較長穩(wěn)定時間（穩(wěn)定時間12 min）的三相泡沫。因此，三相泡沫滅火劑配方設計中可以利用該方法進行配方設計。

（4）將利用響應曲面優(yōu)化的三相泡沫與未優(yōu)化三相泡沫進行性能驗證實驗，結(jié)果表明響應曲面法優(yōu)化的三相泡沫發(fā)泡高度及穩(wěn)定時間較未優(yōu)化三相泡沫分別提升 14.8%及 26.3%。通過析出質(zhì)量與排液時間曲線可看出，響應曲面優(yōu)化的三相泡沫排液速度更慢，泡沫質(zhì)地更均勻。

[1] 韓郁翀, 秦俊. 泡沫滅火劑的發(fā)展與應用現(xiàn)狀 [J]. 火災科學,2011, 20 (4)： 235-240.HAN Y C, QIN J. Development and application status of foam extinguishing agent [J]. Fire Safety Science, 2011, 20 (4)： 235-240.

[2] 鄭迪莎, 唐寶華, 李本利, 等, 三相泡沫滅火劑性能及應用研究進展 [J]. 防災科技學院學報, 2014, 16 (2)： 14-18.ZHENG D S, TANG B H, LI B L, et al. Progress of performance and application of three phase foam [J]. Journal of Institute of Disaster Prevention, 2014, 16 (2)： 14-18.

[3] TAO D. Role of bubble size in flotation of coarse and fine particles[J]. Separation Science and Technology, 2005, 39 (4)： 741-760.

[4] 蔣新生, 翟琰, 徐建楠, 等. 復配超細粉體三相泡沫的制備與穩(wěn)定性研究 [J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術(shù), 2016, 12 (1)： 122-126.JIANG X S, ZHAI Y, XU J N, et al. Research on the formation and stability of fire foam incorporated with mixed ultrafine powder [J].Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12 (1)： 122-126.

[5] 秦波濤, 王德明, 陳建華, 等. 高性能防滅火三相泡沫的實驗研究[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2005, 34 (1)： 11-15.QIN B T, WANG D M, CHEN J H, et al. Experimental investigation of high-performance three-phase foam for mine fire control [J].Journal of China University of Mining & Technology, 2005, 34 (1)：11-15.

[6] 陳偉紅, 杜文鋒, 安曉強, 等. 空心微珠疏油改性及其在抗燒蛋白泡沫中的應用 [J]. 燃燒科學與技術(shù), 2012, 18 (2)： 139-143.CHEN W H, DU W F, AN X Q, et al. Fabrication of oleo phobic hollow microspheres and their application in anti-burning protein foam [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2012, 18(2)： 139-143.

[7] VINOGRADOV A V, KUPRIN D, ABDURAGIMOV I, et al. Silica foams for fire prevention and firefighting. [J]. Acs Applied Materials& Interfaces, 2015, 1 (8)： 294-301.

[8] 李孜軍, 陳陽, 林武清. 水泥灰三相泡沫的形成機理與穩(wěn)定性試驗研究 [J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術(shù), 2014, 10 (11)： 54-59.LI Z J, CHEN Y, LIN W Q. Study on forming mechanism and stability of three phase foam with cement ash [J].Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10 (11)： 54-59.

[9] 翟琰. 油料火災三相泡沫滅火劑防復燃特性及綜合滅火性能研究[D]. 重慶： 后勤工程學院, 2016.ZHAI Y. Study on the reburn preventing and fire-extinguishing efficiency of three-phase foam extinguishing agent in oil fire [D].Chongqing： Logistical Engineering University, 2016.

[10] 魯義. 防治煤炭自燃的無機固化泡沫及特性研究 [D]. 徐州： 中國礦業(yè)大學, 2015.LU Y. Study on the inorganic solidified foam and its characteristics for preventing and controlling spontaneous combustion of coal [D].Xuzhou： China University of Mining and Technology, 2015.

[11] BEZERRA M A, SANTELLI R E, OLIVEIRA E P, et al. Response surface methodology (RSM) as a tool for optimization in analyticalchemistry [J]. Talanta, 2008, 76 (5)： 965-977.

[12] TAN I A W, HAMEED B H, AHMAD A L. Optimization of preparation conditions for activated carbons from coconut husk using response surface methodology [J]. Chemical Engineering Journal,2008, 137 (3)： 462-470.

[13] ABDUL W R, MAHIRAN B, BAKAR S A, et al. Enzymatic production of a solvent-free menthyl butyrate via response surface methodology catalyzed by a novel thermostable lipase from Geobacillus zalihae [J]. Biotechnology & Bioindustry, 2014, 28 (6)：1065-1072.

[14] 劉惠平, 王佳迪, 吳波, 等. 無氟非蛋白表面活性劑制備泡沫滅火劑 [J]. 消防科學與技術(shù), 2014, 33 (7)： 807-810.LIU H P, WANG J D, WU B, et al. Application study of non-fluorinated and non-protein surfactants in preparation of foam extinguishing agent [J]. Fire Science and Technology, 2014, 33 (7)：807-810.

[15] FARAJZADEH R, KRASTEV R, ZITHA P L. Foam film permeability： theory and experiment [J]. Advances in Colloid &Interface Science, 2008, 137 (1)： 27-44.

[16] QIN B T. LU Y, LI F L, et al. Preparation and stability of inorganic solidified foam for preventing coal fire [J]. Advances in Materials Science & Engineering, 2014, 2014 (2014)： 1-10.

[17] KRUGLYAKOV P M, ELANEVA S I, VILKOVA N G. About mechanism of foam stabilization by solid particles [J]. Advances in Colloid & Interface Science, 2011, 165 (2)： 108-116.

[18] HUNTER T N, PUGH R J, FRANKS G V, et al. The role of particles in stabilising foams and emulsions. [J]. Advances in Colloid &Interface Science, 2008, 137 (2)： 57-81.

[19] ZHANG S, SUN D, DONG X, et al. Aqueous foams stabilized with particles and nonionic surfactants [J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects, 2008, 324 (1/3)： 1-8.

[20] MURRAY B S, ETTELAIE R. Foam stability： proteins and nanoparticles [J]. Current Opinion in Colloid & Interface Science,2004, 9 (5)： 314-320.

[21] MASUTANI G. A review of surface tension measuring techniques,surfactants, and their implication for oxygen transfer in wastewater treatment plants [D]. US： University of California, 1984.

[22] CHRISTIAN S D, SLAGLE A R, E E T, et al. Inverted vertical pull surface tension method [J]. Langmuir, 1998, 14 (11)： 3126-3128.

[23] YAO L. The dependency of the critical contact angle for flotation on particle size-modelling the limits of fine particle flotation [J].Minerals Engineering, 2011, 24 (1)： 50-57.

[24] 秦波濤. 防治煤炭自燃的三相泡沫理論與技術(shù)研究 [J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2008, 37 (4)： 585-586.QIN B T. Research on theory and technology of three-phase-foam for preventing spontaneous combustion of coal [J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2008, 37 (4)： 80-81.

[25] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 泡沫滅火劑： GB15308-2006 [S]. 北京： 中國標準出版社, 2006.General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, Standardization Administration of the People’s Republic of China. Foam extinguishing agent： GB15308-2006[S]. Beijing： Standards Press of China, 2006.

[26] 張娟. 碳氫/碳氟陰陽離子表面活性劑混合體系的聚集行為以及陰陽離子囊泡與聚合物的相互作用 [D]. 濟南： 山東大學, 2013.ZHANG J. Aggregation behaviors of fluorocarbon/hydrocarbon cat anionic surfactant mixtures and the interaction between cat anionic vesicles and polymers [D]. Jinan： Shandong University, 2013.

[27] JULIA M, ALBERTO M, ANTONIO M, et al. Surface properties and foam stability of protein/surfactant mixtures： ? theory and experiment[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111 (6)： 2715-2723.

[28] QIAN C, GUI D Y. Surface activity and fire extinguishing performance of fluorocarbon-hydrocarbon surfactants [J]. Journal of Safety & Environment, 2005, 16 (05)： 102-104.

[29] 端木亭亭, 王嘉, 梁路,等. 非 PFOA型水成膜泡沫滅火劑 [J]. 消防科學與技術(shù), 2011, 30 (9)： 825-829.DUANMU T T, WANG J, LIANG L, et al. Preparation a new high-concentration of no-PFOA type of water film extinguisher and the performance tests [J]. Fire Science and Technology, 2011, 30 (9)：825-829.

[30] 趙振國. 應用膠體與界面化學 [M]. 北京： 化學工業(yè)出版社, 2008：306-314.ZHAO Z G. Application of Colloid and Interface Chemistry [M].Beijing： Chemical Industry Press, 2008： 306-314.

[31] MOHAMAD N R, HUYO F, ABOULENEIN H Y, et al. Response surface methodological approach for optimizing production of geranyl propionate catalysed by carbon nanotubes nanobioconjugates[J]. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 2015, 29 (4)： 1-8.

[32] KIRAN B, KAUSHIK A, KAUSHIK C P. Response surface methodological approach for optimizing removal of Cr (Ⅵ) from aqueous solution using immobilized cyanobacterium [J]. Chemical Engineering Journal, 2007, 126 (2/3)： 147-153.

Optimal design of three phase fire-fighting foam formulation based on response surface methodology

JIANG Xinsheng1, Lü Kezong1, WEI Shuwang1, ZHU Liang2
(1Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China;2Department of National Defense Architecture Planning & Environmental Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

The purpose of this study was to obtain three foam formulations of great foaming and stability based on response surface methodology. The factors of response were SDS, Fc-134, 6501 and mica powder #2000 through signal factor experiments. Foaming height and foam stability were the responses to study the interaction.According to Box-Benhken method, quadratic regression model was established which was significant and reliable. Using the model to predict concentration of these reagents, the optimum concentration of SDS, Fc-134 and 6501 was 2.64%, 0.096% and 3% respectively. The optimum dosage of mica #2000 was 10g. Under the optimum conditions, the predicted value of foaming height and stable time was 1550 ml and 12.8792 min respectively, meanwhile the experimental verification was 1550 ml and 12 min respectively. The error of these was 1.05% and 6.82%.Compared with un-optimized three phases foam, optimal design of three phase foam made improvement in foaming height and stable time which were increased by 14.8% and 26.3%, respectively. Results showed that optimal designed three phases foam has a greater performance of foaming and stability than the un-optimized one. The prediction error is small. It can be used for improving foaming and stability of the three phases fire-fighting foam, providing a reference for three phases foam formulation design.

foam; powder; surfactants; response surface methodology; optimal design

date：2016-11-30.

Lü Kezong, qwee200@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51574254), Science and Technology Project of Chongqing (CSTC 2014 yykfB90001) and the Fire and Explosion Safety Protection Key Laboratory Construction Project of Chongqing (CSTC 2010CA0005).

TQ 028.8

A

0438—1157（2017）07—2886—10

10.11949/j.issn.0438-1157.20161692

2016-11-30收到初稿，2017-03-16收到修改稿。

聯(lián)系人：呂科宗。

蔣新生（1972—），男，博士，教授。

國家自然科學基金項目（51574254）;重慶市科技計劃項目（CSTC 2014yykfB90001）；火災與爆炸安全防護重慶市重點實驗室建設項目（CSTC 2010CA0005）。