Пенообразующий состав

Пенообразующий состав

Реферат

Изобретение относится к пенообразующим составам многоцелевого назначения, предназначенным для получения пены низкой, средней и высокой кратности с использованием питьевой и жесткой воды в концентрации 1% (об.), 3% (об.) и 6% (об.). Изобретение может найти применение при пожаротушении, в частности, при тушении пожаров классов А и В, при инертизации горных выработок, для подавления пыли в местах ее возникновения и т.д.

В настоящее время известно множество пенообразующих составов, предназначенных для пенного пожаротушения.

Так, из патента РФ №2264245 (МПК: A62D 1/02, опубликован 20.11.2005) известен пенообразующий состав для тушения пожаров, содержащий триэтаноламиновые соли алкилсульфатов смеси первичных высших жирных спиртов и воду, при этом в качестве триэтаноламиновых солей алкилсульфатов смеси первичных высших жирных спиртов он содержит триэтаноламиновые соли алкилсульфатов смеси первичных жирных спиртов фракции C₈-C₁₀ и фракции C₁₂-C₁₄, взятых в массовом соотношении 1,0÷5,0:1,0, и дополнительно первичные высшие жирные спирты фракции C₁₂-C₁₄ и феноксол при следующем содержании компонентов, мас.%:

Триэтаноламиновые соли алкилсульфатов
смеси первичных высших жирных спиртов
фракции C8-C10 и фракции C12-C14, взятых
в массовом соотношении 1,0÷5,0:1,0	15,0÷36,0
Первичные высшие жирные спирты фракции C12-C14	0,3÷3,0
Феноксол	0,2÷2,0
Вода	остальное

Также из патента РФ №2263527 (МПК: A62D 1/02, опубликован 10.11.2005) известен пенообразующий состав для тушения пожаров, включающий поверхностно-активное вещество, высшие жирные спирты, карбамид и воду, при этом в качестве поверхностно-активного вещества он содержит триэтаноламиновые соли алкилсульфатов смеси первичных высших жирных спиртов фракции C₈-C₁₀ и фракции C₁₂-C₁₄, взятых в массовом соотношении 1,0÷5,0:1,0, а в качестве высших жирных спиртов - первичные высшие жирные спирты фракции C₁₂-C₁₄ и дополнительно сульфоэтоксилаты натрия первичных высших жирных спиртов фракции C₁₂-C₁₄ при следующем содержании компонентов, мас.%:

Триэтаноламиновые соли алкилсульфатов
смеси первичных высших жирных спиртов
фракции C8-C10 и фракции C12-C14,
взятых в массовом соотношении (1,0÷5,0):1,0	15,0÷32,0
Первичные высшие жирные спирты фракции C12-C14	0,5÷3,0
Карбамид	1,0÷12,0
Сульфоэтоксилаты натрия
первичных высших жирных спиртов фракции C12-C14	1,4÷8,5
Вода	остальное

Из патента РФ №2270712 (МПК: A62D 1/02, опубликован 27.02.2006), известен пенообразующий состав для тушения пожаров, включающий поверхностно-активное вещество, высшие жирные спирты, карбамид, н-бутиловый спирт, бутилцеллозольв, неонол, оксанол и воду, при этом в качестве поверхностно-активного вещества он содержит алкилсульфаты натрия первичных высших жирных спиртов фракции C₈-C₁₀ и фракции C₁₂-C₁₄, в качестве высших жирных спиртов - первичные высшие жирные спирты фракции C₁₂-C₁₄ и дополнительно сульфоэтоксилаты натрия первичных высших жирных спиртов фракции C₁₂-C₁₄ при следующем содержании компонентов, мас.%:

Алкилсульфаты натрия первичных высших
жирных спиртов фракции C8-C10	9,0-20,0
Алкилсульфаты натрия первичных высших
жирных спиртов фракции C12-C14	3,0-8,0
Сульфоэтоксилаты натрия первичных высших
жирных спиртов фракции C12-C14	4,0-9,0
Первичные высшие жирные спирты фракции C12-C14	1,0-3,0
Карбамид	5,0-15,0
н-Бутиловый спирт	2,0-7,0
Бутилцеллозольв	2,0-5,0
Неонол	1,0-3,0
Оксанол	1,0-3,0
Вода	остальное

Общим недостатком вышеописанных составов является то, что они могут использоваться при концентрации рабочего раствора не ниже, чем 3 об.%. Попытка снижения рабочей концентрации за счет увеличения концентрации поверхностно-активных веществ в составе приводит к увеличению вязкости, потере текучести и невозможности использования при тушении пожаров с помощью штатных средств пожаротушения (дозирующих устройств и пеногенераторов).

Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является пенообразующий состав, известный из патента РФ №2510725 (МПК: A62D 1/02, опубликован 10.04.2014), который включает натриевые соли алкилсульфатов первичных высших жирных спиртов фракции C₈-C₁₀ и натриевые соли -олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆, взятые в соотношении 100:(22÷36) и воду при следующем содержании компонентов, мас.%:

Натриевые соли алкилсульфатов первичных высших жирных
спиртов фракции C8-C10	5,96-28,1

Натриевые соли -олефинсульфонатов

фракции C14-C16	1,31-10,1
Вода	остальное

Дополнительно состав может содержать этилцеллозольв.

Недостатком данного состава является повышенная вязкость кинематическая вязкость, повышенное содержание поверхностно-активных веществ, необходимое для достижения требуемых характеристик пены (например, пены средней кратности), узость границ интервала соотношений между натриевыми солями алкилсульфатов первичных высших жирных спиртов фракции C₈-C₁₀ и натриевыми солями -олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆.

Технический результат, достигаемый при использовании патентуемого изобретения, заключается в повышении эффективности пенообразования и устойчивости пены при низких концентрациях рабочего раствора, уменьшении общего содержания ПАВ в концентрате пенообразователя при прочих равных условиях, снижении его вязкости при 20°C до уровня 11-30 мм²·с^-1, а также расширении интервала соотношений между натриевой солью алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ и натриевыми солями α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ от 100:0,025 до 100:56,8, что расширяет возможности варьирования характеристик пены для заявленных способов применения. Таким образом, патентуемый состав обеспечивает универсальность его применения.

Данный технический результат достигается за счет использования пенообразующего состава, содержащего натриевую соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀, натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆, взятые в массовом соотношении 100:(0,025÷56,8), и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта
фракции C10	3,7-40,0
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,015-12,6
вода	остальное

Кроме этого, может также присутствовать в качестве естественной примеси натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₈ и/или натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₂ в сумме до 3,0%.

В случае использования патентуемого состава в качестве огнетушащего, состав может дополнительно содержать этилцеллозольв.

При этом, с целью повышения эффективности тушения и, за счет этого снижения интенсивности подачи рабочего раствора в рабочих концентрациях 1,0% (об.), 3,0% (об.) и 6,0% (об.), соотношение компонентов составляет, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного
спирта фракции C10	22,2-40,0
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,015-12,6
этилцеллозольв	6,0-10,0
вода	остальное

В частности, могут использоваться составы, содержащие следующее соотношение компонентов, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного
спирта фракции C10	3,7-7,3
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,015-2,1
вода	остальное

или

состав, содержащий, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного
спирта фракции С10	7,4-14,6
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,03-4,2
вода	остальное

Как показали проведенные испытания указанного состава при рабочей концентрации 1,0% (об.), нормативная интенсивность подачи составила (0,032±0,002) дм³·м^-2·с^-1, что соответствует требованиям ГОСТ P 50588-2012.

Патентуемый состав содержит натриевую соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀, натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆, этилцеллозольв и воду. Состав при таком сочетании и соотношении компонентов обеспечивает получение воздушно-механической пены низкой, средней и высокой кратности в рабочей концентрации 1,0% (об.) с использованием питьевой и жесткой воды.

В качестве основного анионного пенообразующего ПАВ используется натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀, обладающая по сравнению со смесью натриевых солей алкилсульфатов фракций C₈ и C₁₀, более высокими пенообразующими свойствами как в питьевой и жесткой, так и в морской воде. Натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ в виде (39-42)% водного раствора, предлагаемого на рынке, имеет температуру застывания от минус 0,5°C до плюс 0,5°C в зависимости от наличия примесей. Молярная масса лежит в пределах 258-263 единиц. В то время как (39-42)%-ные водные растворы аналогов натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ - октилсульфат натрия и смесь натриевых солей алкилсульфатов первичных высших жирных спиртов фракции C₈-C₁₀ имеют температуру застывания минус (2,5-2,0)°C и минус (2,0-1,5)°C, соответственно. Молярная масса технического октилсульфата натрия находится в пределах 232-233, а смеси натриевых солей алкилсульфатов первичных высших жирных спиртов фракции С8-С10 - 245-249 единиц.

Для повышения кратности и устойчивости пены при низких концентрациях ПАВ в рабочих растворах добавляют натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆, хорошо совмещающиеся с основным ПАВ, стабилизирующие значение pH продукта и обеспечивающие низкие вязкостные характеристики товарного пенообразователя. Для стабилизации внешнего вида, снижения температуры застывания концентрата и повышения кратности пены в питьевой и жесткой воде может быть добавлен этилцеллозольв. Предлагаемый состав образует пену низкой, средней и высокой кратности в питьевой и жесткой воде.

Снижение концентрации рабочего раствора предлагаемого состава достигается выбором в качестве основного ПАВ натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀, имеющего оптимальное отношение массовой доли гидрофобной части в составе молекулы ПАВ, по отношению к доле противоиона (ион Na⁺), обеспечивающее высокие пенообразующие свойства при минимальном содержании ПАВ в водном растворе. За счет этого повышается эффективность пенообразования при низких концентрациях рабочего раствора. Добавление натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ в предлагаемом соотношении повышает устойчивость получаемой пены, а также позволяет получить составы, кинематическая вязкость которых при 20°C находится в пределах (12-30,5) мм²·с^-1. За счет высокой устойчивости пены 1%-ных (об.) рабочих растворов, обеспечивается эффективное тушение модельного очага по ГОСТ P 50588-2012 при нормативной интенсивности подачи рабочего раствора (0,032±0,002) дм³·м^-2·с^-1.

В результате снижения рабочей концентрации предлагаемого пенообразователя до 1% (об.) как и для прототипа дополнительно обеспечивается снижение необходимых запасов концентрата пенообразователя для тушения пожаров в 3 и 6 раз по отношению к концентратам пенообразователей целевого назначения, используемым в рабочей концентрации 3% (об.) и 6% (об.), соответственно. Это дает возможность в соответствующее количество раз уменьшить объем емкостей для хранения пенообразователей, а также расходов на транспортировку и тару для доставки концентрата пенообразователя потребителям. Снижение нормативных запасов пенообразователя уменьшает потенциальную опасность вредного воздействия на окружающую среду при несанкционированном розливе продукта.

Способ получения заявленного пенообразующего состава включает последовательное введение в аппарат периодического действия с мешалкой следующих компонентов состава: натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ (концентрация основного вещества = 35÷41%), воды, этилцеллозольва, натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ (концентрация основного вещества = 93÷99%) и перемешивание массы при температуре 15÷50°C в течение 120÷240 минут. При необходимости количество натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ рассчитывается в зависимости от концентрации натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ так, чтобы позволить ввести в массу этилцеллозольв, а соотношение между ними лежало в пределах 100:(0,025÷56,8). Полученный пенообразующий состав представляет собой подвижную, не расслаивающуюся, однородную и прозрачную жидкость со специфическим запахом без кристаллического осадка.

В соответствии с изобретением были приготовлены огнетушащие составы и их рабочие растворы испытаны в пенном тушении в качестве пенообразователя типа S целевого назначения по ГОСТ P 50588-2012.

Пример №1

Прототип по патенту №2510725 - смесь следующего состава, мас.%:

Пример 2.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 3.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 4.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 5.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 6.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 7.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 8.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 9.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 10.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 11.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 12.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 13.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 14.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 15.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 16.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Далее смеси испытывали в соответствии с требованиями ГОСТ P 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний». Дополнительно определяли время тушения н-гептана 1%-ными рабочими растворами (ГОСТ P 50588-2012, п. 5.5 стендовая методика) с использованием питьевой и жесткой воды по ГОСТ P 50588-2012, п. 5.1.1. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Из данных таблицы следует, что по сравнению с прототипом по патенту №2510725 (пример 1) полный его аналог по физико-химическим и пожарно-техническим характеристикам в питьевой и жесткой воде, приготовленный в соответствии с настоящим изобретением (пример 3), содержит на 12,6% меньше поверхностно-активных веществ в своем составе. Кинематическая вязкость образца, приготовленного в соответствии с настоящим изобретением (пример 3), в 1,4 раза ниже, чем у прототипа (пример 1). Сравнение характеристик прототипа по патенту №2510725 без этилцеллозольва в составе (пример 2) и образца, приготовленного в соответствии с настоящим изобретением (пример 4), показывает, что при их одинаковых, в целом, физико-химических и пожарно-технических характеристиках в питьевой и жесткой воде образец (пример 4) также содержит в своем составе на 10,8% меньше поверхностно-активных веществ. При этом кинематическая вязкость образца, приготовленного в соответствии с настоящим изобретением (пример 4), также примерно в 1,4 раза ниже, чем у прототипа (пример 2). При достаточном содержании натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ (39%) (пример 5) удается получить пену низкой, средней и высокой кратности с минимальной добавкой натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ из 1%-ных (об.) рабочих растворов с использованием питьевой и жесткой воды. При использовании смеси натриевых солей алкилсульфатов фракции C₈-C₁₀, применяемых для приготовления прототипов по патенту №2510725, пена средней кратности из 1%-ных (об.) рабочих растворов с использованием не только жесткой, но и питьевой воды, не образуется даже при содержании основного вещества в товарном продукте 43%. Это доказывает, что натриевая соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ является более эффективным пенообразующим агентом, чем смесь натриевых солей алкилсульфатов фракции C₈-C₁₀. При уменьшении содержания натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ в рецептуре удается восстановить физико-химические и пожарно-технические характеристики путем добавки натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆, причем, чем ниже содержание натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀, тем большее количество натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ требуется, и тем выше должно быть массовое отношение натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции С₁₀ и натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ (примеры 6-11). Таким образом массовое отношение натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ и натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ изменяется в пределах от (100:0,025) до (100:56,8) при изменении содержания первой от 40,0% до 22,2%. Увеличение доли натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ по отношению к алкилсульфатам натрия фракции C₁₀ выше соотношения 100:56,8 нецелесообразно, т.к. приводит к нерациональному увеличению технологического времени приготовления продукта. Напротив, при фиксированном общем содержании ПАВ (пример 11, 12) отклонение массового отношения натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ и натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ от некоторого оптимального значения 100:56,8 (пример 11) до 100:52,4 (пример 12) приводит к резкому снижению пенообразующих свойств в питьевой воде, полному отсутствию пенообразования в жесткой воде и фатальной потере огнетушащей эффективности.

Добавление этилцеллозольва в рецептуру (пример 12) полностью восстанавливает пенообразующие и огнетушащие свойства состава в питьевой и жесткой воде и понижает температуру застывания ниже минус 3°C (пример 13).

Минимальным количеством этилцеллозольва в рецептуре, достаточным для снижения температуры застывания предлагаемого пенообразователя до значения -3,0°C (максимальное значение температуры застывания, регламентируемое ГОСТ P 50588-2012), является 6,0% (пример 14). Уменьшение количества этилцеллозольва ниже 6,0%, приводит к повышению температуры застывания выше верхнего предела.

Положительное влияние этилцеллозольва на пенообразующие и огнетушащие свойства предлагаемого состава сохраняется не только при значении массового отношения натриевой соли алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ и натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆, равном (100:56,8), но и при ином соотношении, в частности (100:18,5) (примеры 3, 15, 16).

Смесь натриевой соли алкилсульфата фракции C₁₀ и натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ при заявленном интервале массового соотношения между ними 100:(0,025÷56,8), кроме того, может быть использована в качестве активной пенообразующей основы для приготовления пенообразователей целевого назначения с рабочей концентрацией 3% и 6%, соответственно. При доведении характеристик пенообразующей основы до требований ГОСТ P 50588-2012 к предлагаемой активной пенообразующей основе необходимо добавить некоторые функциональные компоненты, позволяющие работать в том числе и с морской водой, а также антифризов, снижающих температуру застывания готовых пенообразователей.

Для демонстрации были приготовлены смеси натриевой соли алкилсульфата фракции C₁₀ и натриевых солей α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆ при заявленном соотношении между ними 100:(0,025÷56,8) и определена пенообразующая способность и устойчивость пены рабочих растворов на питьевой и жесткой воде, имеющих концентрацию 6% (об.).

Результаты испытаний приведены в табл.2.

Пример 17.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 18.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 19.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Пример 20.

Готовили смесь следующего состава, мас.%:

Из данных табл. 2 видно, что во всем интервале заявленного соотношения между натриевой солью алкилсульфата фракции C₁₀ и α-олефинсульфонатами натрия фракции C₁₄-C₁₆ (пример 17, 18, 19, 20) образуется пена средней кратности из 6%-ных (об.) рабочих растворов с использованием питьевой и жесткой воды.

Таким образом, оптимальное массовое отношение между натриевой солью алкилсульфата фракции C₁₀ и α-олефинсульфонатами натрия фракции C₁₄-C₁₆ (см. табл. 1, 2) составляет 100:(0,025-56,8). В этом интервале обеспечивается получение пены средней кратности с высокой устойчивостью как в питьевой, так и в жесткой воде при минимальном суммарном количестве основного вещества в пенообразователе.

При кратном увеличении количества натриевой соли алкилсульфата фракции C₁₀ и α-олефинсульфонатов натрия фракции C₁₄-C₁₆ в 2 раза по сравнению с количеством, представленном в табл. 2, и заявленном отношении между ними 100:(0,025-56,8) получается смесь, которая в рабочем растворе с концентрацией 3% (об.) образует пену средней кратности (К>60) высокой устойчивости при использовании питьевой и жесткой воды.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый состав содержит на (10,8÷12,6)% меньше поверхностно-активных веществ, а кинематическая вязкость его за счет снижения количества ПАВ в 1,4 раза ниже, чем у прототипа.

По результатам испытаний и опыта промышленного применения установлено, что при использовании пены, полученной из предлагаемого состава, для инертизации горных выработок, удается обеспечить снижение содержания кислорода ниже нижнего предела взрываемости (НПВ), равного 3%.

Применение пены из рабочих растворов предлагаемых пенообразующих составов для пылеподавления позволяет в 3-10 раз снизить уровень содержания пыли в местах ее выделения.

Заявляемый состав обладает высокими техническими характеристиками, пониженным влиянием на окружающую среду и может также использоваться для получения пены многоцелевого назначения, например, для инертизации горных выработок и пылеподавления.

1. Пенообразующий состав, характеризующийся тем, что содержит натриевую соль алкилсульфата первичного высшего жирного спирта фракции C₁₀ и натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C₁₄-C₁₆, взятые в массовом соотношении 100:(0,025÷56,8), и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного
высшего жирного спирта фракции C10	3,7-40,0
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,015-12,6
вода	остальное

2. Пенообразующий состав по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно содержит этилцеллозольв.

3. Пенообразующий состав по п. 2, характеризующийся тем, что соотношение компонентов составляет, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного
высшего жирного спирта фракции C10	22,2-40,0
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,015-12,6
этилцеллозольв	6,0-10,0
вода	остальное

4. Пенообразующий состав по п. 1, характеризующийся тем, что соотношение компонентов составляет, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного
высшего жирного спирта фракции C10	3,7-7,3
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,015-2,1
вода	остальное

5. Пенообразующий состав по п. 1, характеризующийся тем, что соотношение компонентов составляет, мас.%:

натриевая соль алкилсульфата первичного
высшего жирного спирта фракции С10	7,4-14,6
натриевые соли α-олефинсульфонатов фракции C14-C16	0,03-4,2
вода	остальное