一种等离子体协同稀土改性水成膜泡沫及其制备方法和应用

本发明属于消防泡沫灭火剂改性技术、城市地下受限空间火灾防控及环保阻燃材料，具体涉及一种等离子体协同稀土改性水成膜泡沫及其制备方法和应用，适用于易燃液体火灾、受限空间多火源火灾的灭火与烟气协同防控，尤其适配非稳态气流驱动下城市地下受限空间多火源高温火灾的长效灭火、抗烧抑复燃与烟气消纳场景。

背景技术：

1、水成膜泡沫灭火剂（afff）是扑救石油、化工易燃液体类火灾的核心介质，凭借表面活性剂在燃油表面快速铺展形成水膜与泡沫层，实现隔氧、冷却的双重灭火效果，在工业灾害应急救援、受限空间消防安全防护领域应用广泛。此类火灾具有燃烧猛烈、热辐射强度大、蔓延迅速、易复燃、烟气毒性强的特点，常规灭火材料难以满足极端火场的防控需求。

2、传统商用纯水成膜泡沫灭火剂存在两大核心技术瓶颈，严重制约其在极端高温火场与复杂受限空间的应用。一方面，传统水成膜泡沫核心组分多为长链氟碳表面活性剂（pfos、pfoa），该类物质具有极强的环境持久性与生物累积毒性，环保合规性极差。目前行业主流转型方向为短链氟碳表面活性剂体系，但短链氟碳结构疏水链长度缩短，直接导致界面活性下降、铺展成膜能力弱化，单纯复配短链氟碳体系无法兼顾低表面张力与长效稳泡性能。

3、另一方面，纯表面活性剂构建的双相泡沫体系存在天然稳泡局限性，物理抗热、抗扰动能力薄弱。现有研究证实，纯粹依赖表面活性剂分子在气液界面吸附形成的液膜，无法独立抵御重力排液作用与毛细管抽吸作用，在火场高温热辐射持续冲击下，泡沫液膜水分快速汽化蒸发，表面活性剂吸附层发生解吸失效，泡沫骨架迅速粗化、排液、并聚，最终大面积坍塌破裂，长效稳定性与抗烧性能严重不足，难以在高温油面、城市地下受限空间形成稳定的防火隔离屏障。

4、与此同时，当前城市地下受限空间火灾呈现全新复杂特征，常规泡沫灭火剂适配性极差。各类城市地下受限空间多为狭长封闭受限构筑物，火灾多为车辆碰撞、管线泄漏、设备故障诱发的多火源火灾，多火源之间竞争卷吸空气形成内外压差，引发火焰倾斜、融合，叠加顶棚射流热反馈与多火源叠加热辐射效应，燃烧强度大幅提升；同时地下空间通行车辆、通风设备形成高度差火源荷载，耦合自然通风、机械通风、车辆活塞风、降雨诱导气流形成的非稳态气流场，进一步加剧火势蔓延与烟气扩散。此外，近壁火源受地下空间侧壁、顶棚双向受限，形成非对称空气卷吸机制，可燃气体扩散距离延长、燃烧热反馈增强，火灾失控风险显著提升。

5、目前国内外主流的城市地下受限空间火灾防控技术存在明显短板：通风排烟技术易因风量调控不当加剧火势；细水雾技术对水质要求高、喷嘴易堵塞，无长效隔氧抗烧能力；空气幕控烟效果受环境温湿度、气压影响极大；声波团聚、封堵注惰技术仅能单一控烟或控火，适用性有限；常规消防泡沫虽具备降温隔氧能力，但普遍存在热稳定性差、抗烧性弱、无烟气消纳功能的缺陷，现有技术无法实现城市地下受限空间火灾灭火、抗烧、消烟（co、co2有毒烟气）一体化高效防控。

6、为突破纯表面活性剂泡沫的性能局限，行业内尝试引入无机纳米颗粒构建气-液-固三相泡沫体系，利用pickering效应强化泡沫稳定性。但单一纳米稀土颗粒改性体系存在显著缺陷：稀土纳米颗粒在泡沫基液中易引发表面活性剂体相耗竭效应，在动态液膜运行过程中易发生重力沉降、分散失稳、颗粒团聚，无法持续稳定富集于气液界面，稳泡增效效果有限，难以适配高温、非稳态气流扰动的复杂火场环境。

7、稀土材料凭借独特的4f电子层结构，具备优异的热稳定性、催化抑燃活性、耐高温阻燃特性，氧化铈、氧化钇等稀土纳米颗粒熔点极高，高温下可保持微观结构完整，同时具备储氧、释氧缓冲能力，可干预碳氢燃烧链式反应，是理想的泡沫改性固相材料。将稀土材料应用于消防泡沫改性，可实现工业固废高值化利用，但目前缺乏成熟的稀土改性泡沫稳泡、抗烧、消烟一体化制备技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种等离子体协同稀土改性水成膜泡沫及其制备方法和应用，基于短链氟碳-碳氢表面活性剂最优复配基液体系，结合黄原胶三维黏弹性骨架支撑、稀土纳米颗粒固相阻热、等离子体界面活化改性、离子液体烟气吸附多重协同机制，制备得到兼具超低表面张力、优异发泡性能、超高热稳定抗烧性能、co/co2有毒烟气高效消纳的复合型消防泡沫，可适配常规易燃液体火灾与城市地下受限空间非稳态多火源受限火灾的全方位防控需求。

2、本发明核心创新机理基于前期基础研究结论：纯表面活性剂复配体系可实现优异初始发泡与铺展成膜性能，但长效稳泡、抗热衰减能力不足；单一稀土纳米颗粒存在沉降失稳缺陷；高分子黄原胶可构建三维流变骨架束缚稀土颗粒；等离子体可优化界面相容性、强化液膜结构强度；离子液体可实现火灾有毒烟气定向吸附，多机制耦合突破传统泡沫的性能瓶颈。

3、本发明的技术解决方案如下：

4、第一方面，本发明提供了一种等离子体协同稀土改性水成膜泡沫，包括以下质量百分比的原料：

5、短链氟碳表面活性剂14%~16%、碳氢表面活性剂7%~9%、稀土氧化铈纳米颗粒0.3%~1.2%、黄原胶0.15%~0.4%、等离子体活化助剂0.2%~0.5%、氨基酸基离子液体3%~6%、氯化亚铜0.1%~0.3%，余量为去离子水。

6、优选地，包括以下质量百分比的原料：

7、短链氟碳表面活性剂14.5%~15.5%、碳氢表面活性剂7.5%~8.5%、稀土氧化铈纳米颗粒0.5%~1.2%、黄原胶0.15%~0.35%、等离子体活化助剂0.2%~0.4%、氨基酸基离子液体3.5%~5.5%、氯化亚铜0.1%~0.3%，余量为去离子水。

8、优选地，包括以下质量百分比的原料：

9、短链氟碳表面活性剂15%、碳氢表面活性剂8%、氧化铈0.8%、黄原胶0.25%、等离子体活化助剂0.3%、氨基酸基离子液体4.5%、氯化亚铜0.2%，余量为去离子水。

10、优选地，还包括以下质量百分比的原料：助溶剂4%~6%、抗冻剂9%~11%、稳泡剂4%~6%。

11、优选地，所述助溶剂包括二乙二醇单丁醚；所述抗冻剂包括乙二醇；所述稳泡剂包括尿素。

12、优选地，所述短链氟碳表面活性剂的碳链长度≤6；

13、所述碳氢表面活性剂为阴离子碳氢表面活性剂，选自sds、lab-35中的至少一种；

14、所述黄原胶的粘度≥1200cp。

15、上述原料中，短链氟碳表面活性剂选用fs-50环保型产品，碳链长度≤6，其核心作用是降低体系表面张力，实现泡沫在燃油表面的快速铺展成膜；阴离子碳氢表面活性剂优选sds，主要用于提升发泡性能，并与氟碳表面活性剂协同降低界面能；50nm纳米氧化铈采用高纯度（≥99.5%）市售稀土氧化物，高温下可形成固相隔热层，显著提升泡沫抗烧性能；黄原胶选用工业级、粘度≥1200cp，用于构建三维黏弹性骨架，有效抑制稀土颗粒沉降；等离子体活化助剂为常规低温等离子体处理用助剂，用于增强界面活化效果；氨基酸基离子液体与氯化亚铜（分析纯）复配，实现对co/ co2有毒烟气的特异性吸附与络合固定；二乙二醇单丁醚、乙二醇、尿素均为分析纯试剂，分别起助溶、抗冻及协同稳泡作用；去离子水经低温等离子体活化处理，作为改性溶剂提升整体发泡与稳泡性能。

16、优选地，所述等离子体协同稀土改性水成膜泡沫由短链氟碳表面活性剂、碳氢表面活性剂、稀土氧化铈纳米颗粒和等离子体活化助剂混合后经等离子体发生装置预处理，然后加入黄原胶、氨基酸基离子液体和氯化亚铜，经发泡成型制得。

17、第二方面，本发明提供了所述的等离子体协同稀土改性水成膜泡沫的制备方法，包括以下步骤：

18、s1、将助溶剂、抗冻剂及稳泡剂加入去离子水中，搅拌均匀，再依次加入短链氟碳与碳氢表面活性剂，继续搅拌，制得复配基液；

19、s2、将氧化铈纳米颗粒与去离子水混合，超声波分散处理，以破除团聚体，随后加入等离子体活化助剂，搅拌，完成颗粒表面预活化，得到预处理后的稀土颗粒悬浮液；

20、s3、将预处理后的稀土颗粒悬浮液加入复配基液中，同步开启等离子体装置进行等离子体改性，得到等离子体改性体系；

21、s4、在等离子体改性体系中加入黄原胶，搅拌使黄原胶充分水化并交织缠绕，形成束缚稀土颗粒的三维黏弹性骨架，得到三相稳泡体系；

22、s5、向三相稳泡体系中依次加入氨基酸基离子液体与氯化亚铜粉末，搅拌，得到混合体系；

23、s6、将混合体系进行发泡，得到等离子体协同稀土改性水成膜泡沫。

24、优选地，s1具体包括：在20±1℃的恒温条件下，将助溶剂、抗冻剂及稳泡剂加入去离子水中，以250~350r/min搅拌10~20min，再依次加入短链氟碳与碳氢表面活性剂，继续搅拌20~30min，制得复配基液；

25、s2具体包括：将氧化铈纳米颗粒与去离子水混合，采用250~350w功率超声波分散仪处理15~25min，以破除团聚体，随后加入等离子体活化助剂，60~120 r/min搅拌5~15min，完成颗粒表面预活化，得到预处理后的稀土颗粒悬浮液；

26、s3中，等离子体装置的电压为15~20kv、流量0.6~1m3/h，调控溶液电导率为1200-2000μs/cm，处理时间为25~35min，同步搅拌，搅拌速度为80~150 r/min。

27、优选地，s4具体包括：在等离子体改性体系中加入黄原胶，升温至20~30℃，以350~450r/min搅拌30~40min，使黄原胶充分水化并交织缠绕，形成束缚稀土颗粒的三维黏弹性骨架，得到三相稳泡体系；

28、s5具体包括：向三相稳泡体系中依次加入氨基酸基离子液体与氯化亚铜粉末，以200~300r/min转速常温搅拌15~25min，使烟气吸收组分均匀分散于泡沫液膜中，赋予泡沫消纳co/ co2能力，得到混合体系；

29、s6具体包括：采用气液比2:1的双注射器发泡工艺，反复推拉30次使气液充分混合，静置稳定10min后，得到等离子体协同稀土改性水成膜泡沫。

30、优选地，一种等离子体协同稀土改性水成膜泡沫的制备方法，至少包括如下步骤：

31、在20±1℃的恒温条件下，将助溶剂、抗冻剂及尿素加入去离子水中，以300r/min搅拌15min，再依次加入短链氟碳与碳氢表面活性剂，继续搅拌25min，制得复配基液。

32、将50nm氧化铈纳米颗粒与适量去离子水混合，采用300w功率超声波分散仪处理20min，以破除团聚体，随后加入等离子体活化助剂，低速搅拌10min，完成颗粒表面预活化。

33、将预处理后的稀土颗粒悬浮液缓慢滴加至泡沫基液中，同步开启等离子体装置，设置电压15~20kv、流量0.8m3/h，处理30min，同步低速搅拌，优化多组分界面相容性。

34、等离子体改性完成后，向体系中缓慢撒入黄原胶粉末，升温至25℃，以400r/min搅拌35min，使黄原胶充分水化并交织缠绕，形成束缚稀土颗粒的三维黏弹性骨架。

35、向上述体系中依次加入氨基酸基离子液体与氯化亚铜粉末，以250r/min转速常温搅拌20min，使烟气吸收组分均匀分散于泡沫液膜中，赋予泡沫消纳co/co2能力。

36、采用气液比2:1的双注射器发泡工艺，反复推拉30次使气液充分混合，静置稳定10min后，得到均匀致密、孔隙规整的改性水成膜泡沫成品。

37、第三方面，本发明提供了所述的等离子体协同稀土改性水成膜泡沫在易燃液体火灾、高温抗烧抑复燃或城市地下受限空间co/ co2有毒烟气中的应用。

38、本发明至少具有以下有益效果之一：

39、本发明通过短链氟碳-碳氢表面活性剂复配、黄原胶三维黏弹性骨架、纳米氧化铈固相阻热、等离子体界面活化及离子液体-氯化亚铜烟气消纳的多重协同机制，能够实现受限空间易燃液体火灾的高效灭火、长效抗烧、抑复燃及有毒烟气同步消纳的一体化防控目标。

40、本发明通过等离子体与稀土协同构建气-液-固三相稳泡网络，解决了传统水成膜泡沫热稳定性差、抗烧性弱、功能单一的问题；泡沫表面张力低至17.06mn/m，析液时间最长达190min，灭火时间≤45s，抗烧时间≥12min，兼具灭火与消烟功能，环保合规，适用于石化厂区、城市地下受限空间等易燃液体火灾防控，该泡沫实测表面张力低至17.06mn/m，析液最长可达190min，兼具高效灭火、长效抗烧与co/co2有毒烟气一体化消烟能力。