氟碳表面活性劑的疏水、疏油性與氟碳鏈之間具有密不可分的關(guān)系。其原因體現(xiàn)于：碳-氟(C—F)鍵能高；在全氟烷烴中，直碳鏈的環(huán)周會(huì)被半徑較小的氟原子所包圍，這在一定程度上保護(hù)了碳-碳(C—C)鍵；C—F鍵具有強(qiáng)極性，從而使氟原子布滿負(fù)電荷，從而形成保護(hù)層，使負(fù)電親核試劑不易對(duì)碳原子造成干擾，從而對(duì)C—C鏈產(chǎn)生了一定程度的屏蔽作用。這諸多因素的共同作用使氟碳表面活性劑具備了高表面活性、化學(xué)惰性和耐高溫等特性。

目前氟碳表面活性劑作為滅火劑的核心組分受到國(guó)內(nèi)外的一致重視，它能使AFFF和FP在燃液面上迅速鋪開，構(gòu)造泡沫膜，從而隔絕空氣，達(dá)到徹底滅火的效果。其中AFFF已經(jīng)替代傳統(tǒng)滅火劑應(yīng)用于油類火災(zāi)中，滅火速度是傳統(tǒng)應(yīng)用方法的4倍，這是由于泡沫可以通過(guò)析出水或破裂后生成的水，在燃液表面形成一種阻礙其揮發(fā)的水膜，從而隔絕滅火，此外它對(duì)殘余火苗具有良好的自封作用，滅火更為徹底。FP的原理在于，較薄的泡沫層在高分子聚合物溶液表面上快速覆蓋，結(jié)構(gòu)牢固，不易被破壞；具有令破損泡沫快速地重新形成的作用，最終達(dá)到隔絕滅火的目的。若與普通滅火劑聯(lián)用，滅火效果會(huì)更好，應(yīng)用非常廣泛。

氟碳表面活性劑種類及表面張力測(cè)定結(jié)果

陰離子型

陰-氟碳型化合物，其復(fù)配對(duì)象多為磺酸鹽類碳?xì)浠衔?，是由于磺酸鹽價(jià)格便宜，產(chǎn)物良多，將其與氟碳鏈進(jìn)行配合可以得到更多的復(fù)配產(chǎn)品。

李楊等合成了一種短碳鏈全氟丁基磺酰氟碳表面活性劑，與磺酸鹽碳?xì)浠衔飶?fù)配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，表面張力低至17.05 mN/m，鋪展性能與發(fā)泡性良好，析液時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用于AFFF中可降低使用成本。

沙敏以D2為原料合成含CF3CF2CF2C(CF3)2—基團(tuán)的羧酸鉀鹽陰-氟表面活性劑。與APG0810(碳?xì)浠衔?形成復(fù)配體系后，大大降低了油/水界面張力，將該體系應(yīng)用于AFFF中，cmc值為1.0×10-4mol/L，采用環(huán)己烷作為實(shí)驗(yàn)物質(zhì)，該體系可在其表面快速鋪展，大面積展開時(shí)間<0.5 s，最低表面張力為19.333 mN/m，燃燒時(shí)間達(dá)3 min。這些性能說(shuō)明了該復(fù)配體系具備高效抑制和撲滅液體類火災(zāi)的能力。

徐于嬌制備了性能優(yōu)異且滿足環(huán)境要求的可替代PFOA的原料物質(zhì)，全氟己基乙酸鹽和氟-4-甲基-6-乙烯基-3，6-二氧丁基磺酸鈉。通過(guò)性能測(cè)試，兩者分別對(duì)水的表面張力降低至13.2 mN/m和14.9 mN/m，起泡性和穩(wěn)泡性良好。全氟己基乙酸鹽是將全氟辛酸中的一個(gè)CF2替換成H2，實(shí)驗(yàn)顯示各項(xiàng)性能優(yōu)于PFOA。氟-4-甲基-6-乙烯基-3，6-二氧丁基磺酸鈉可以與其他含氟或非氟化合物復(fù)配使用，且對(duì)環(huán)境無(wú)害。建議可以將此合成物質(zhì)的雙鍵結(jié)構(gòu)與各類乙烯單體等進(jìn)行聚合，并進(jìn)行性能研究。

陽(yáng)離子型

陽(yáng)-氟碳型化合物似乎受酸堿環(huán)境的影響較小，與其他碳?xì)浠衔镄纬蓮?fù)配體系后所表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)用性能良好。陽(yáng)-氟碳表面活性劑的常見種類是季銨鹽類，這是因?yàn)樗哂袩o(wú)毒環(huán)保、合成方便、綜合成本低和性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

劉在美等以六氟丙烯二聚體為主要物質(zhì)，制得溴化[N，N-二甲基-N-乙基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)季銨鹽類陽(yáng)-氟碳型滅火類應(yīng)用化合物。實(shí)驗(yàn)顯示，表面張力為24.5 mN/m(20℃，吊環(huán)法)，cmc值為2.04×10-3mol/L，水溶性良好。

李征輝將自制的季銨鹽類氟碳表面活性物質(zhì)與辛烷磺酸鈉-APG0810碳?xì)浠衔飶?fù)配，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該體系的cmc值為9.2×10-4mol/L，表面張力為20.1 mN/m。在環(huán)乙烷上鋪展迅速，完全滅火時(shí)長(zhǎng)57 s，抗燃燒時(shí)間為13 min 23 s。該體系的cmc值大大降低，減少了配制用量，從而降低了滅火劑的配制成本。建議在季銨鹽型陽(yáng)離子研究以外，增加對(duì)胺鹽型陽(yáng)離子化合物應(yīng)用于滅火劑中的研究。

非離子型

非離子-氟碳型化合物具有較好的活性和相容性，但不足之處在于其化學(xué)特性相對(duì)較差，在應(yīng)用條件上具有一定程度的限制[21]。非離子-氟碳表面活性劑的典型結(jié)構(gòu)為CF3(CF2)nCH2O(CH2CH2O)mH、CF3CHFCF2CH2O[CH(CH3)CH2O](CH2CH2O)nH。

錢小華研究了消防用劑YM-316與8種不同的碳?xì)浠衔飶?fù)配后的性能。結(jié)果表明，烷基糖苷(APG0810)與酚醚羧酸鈉鹽(APEC-10Na)對(duì)其起泡能力和泡沫的穩(wěn)定均有顯著改善作用。三元復(fù)配體系中起泡高度為298 mm，滅火時(shí)間為15.1 s，25%析液時(shí)間為397 s，抗燒時(shí)間為6.53 min。該三元體系起泡性強(qiáng)，應(yīng)用時(shí)可快速達(dá)到鋪展?fàn)顟B(tài)，滅火效果良好。

Debbabi等研發(fā)了一種高度氟化的磺胺類氟碳表面活性物質(zhì)，(F(CF2)p-(CH2)n-O-SO2NH2)。對(duì)其研究發(fā)現(xiàn)，cmc值在0.73×10-4～8.37×10-4范圍內(nèi)，表面張力在15.7～27.4 N/m范圍內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)知，這種高度氟化類型的表面活性劑具有較好的表面張力，并且本身無(wú)毒，對(duì)環(huán)境污染小。

兩性離子型

兩性-氟碳型化合物在酸性環(huán)境中，體現(xiàn)為正-親水基團(tuán)活性，在堿性環(huán)境中，體現(xiàn)為負(fù)-親水基團(tuán)活性。它的結(jié)構(gòu)與氨基酸和甜菜堿類似，分子內(nèi)由于含有酸性和堿性基團(tuán)使其易形成“內(nèi)鹽”。堿性基團(tuán)多含吡啶或季銨鹽陽(yáng)離子，或是其他的含氮陽(yáng)離子。酸性基團(tuán)則是磺酸、羧酸或磷酸基。兩性-氟碳型化合物在酸堿環(huán)境中的體現(xiàn)見圖1。

圖1兩性型氟碳表面活性劑在酸堿環(huán)境中的體現(xiàn)

李遠(yuǎn)翔等采用一種固相含量為27%的甜菜堿型兩性含氟化合物(C1157)，與SDS和APG0814進(jìn)行復(fù)配。性能測(cè)試結(jié)果顯示，與單一體系溶液相比，復(fù)配溶液的發(fā)泡能力明顯增強(qiáng)，起泡高度可達(dá)190 mm，泡沫半衰期達(dá)到102 min，鋪展時(shí)間為4.9 s，滅火時(shí)間為6.7 s。該體系具有優(yōu)良的性能，其原因可能是陰離子SDS與C1157的正電荷相互吸引，降低了溶液中同性電荷間的排斥作用，同時(shí)疏水基碳?xì)滏溤黾恿巳芤罕韺臃肿优帕械木o密度，使表面活性劑增大，降低了起泡難度。

林超以全氟-2-甲基-2-戊烯為原料合成了氧化銨兩性-氟碳表面活性劑，該物質(zhì)可有效降低溶液的表面張力，僅為19.93 mN/m，cmc值為1.73×10-2mol/L。與APG0810復(fù)配后，協(xié)同作用極好，在基本不改變表面張力的狀況下，氟碳表活性劑的用量可減少100倍。合成中選用了氧化銨作為親水基團(tuán)，是由于它可以增強(qiáng)氟碳表面活性劑的分子剛性，進(jìn)而提高其表面活性。原料中含有全氟甲基官能團(tuán)，它可以使溶液的表面張力減小，從而使泡沫在面對(duì)熱量、燃液和化學(xué)干粉劑等破壞作用時(shí)具有一定的抵抗能力，提高了滅火應(yīng)用性能。該物質(zhì)可以取代PFOA成為滅火劑的核心組分。

李莉等將兩性-氟碳型化合物(F1157)與非離子型碳?xì)浠衔?XL-50、TMN-6、APG-0810)進(jìn)行復(fù)配，界面張力分別為0.4，0.24，0.063 mN/m，復(fù)配協(xié)同作用良好，增效明顯。與甜菜堿型碳?xì)浠衔?BS-8)復(fù)配時(shí)協(xié)同性進(jìn)一步增強(qiáng)，當(dāng)F1157與BS-8質(zhì)量比為1∶5時(shí)，鋪展面積最高可達(dá)99 mm2，且表面張力比非離子復(fù)配體系更低，所以該物質(zhì)應(yīng)與BS-8復(fù)配進(jìn)行使用。

端木亭亭等自制短鏈氨基酸類型的氟碳化合物，結(jié)構(gòu)式為RfCONHCH2CH2N(CH2CH2COONa)2。將其與碳?xì)浠衔飶?fù)配，加入輔助添加劑和螯合劑，得到非PFOA新型高濃度AFFF原液。實(shí)驗(yàn)顯示，穩(wěn)定劑的加入增加了析液時(shí)間，抗燒時(shí)間可達(dá)到15 min，且滅火迅速，可以在6～8 s內(nèi)將火熄滅。由于鋪展系數(shù)可以達(dá)到2.2，所以在油面上可以很快鋪展，應(yīng)用于滅火工業(yè)效果良好。建議今后應(yīng)多研究短鏈氨基酸類兩性-氟碳型化合物與助添加劑之間的關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)配比和用量，在最大程度上發(fā)揮含氟化合物的性能優(yōu)勢(shì)。

表1氟碳表面活性劑類型及特性

通過(guò)將短鏈氟碳表面活性劑進(jìn)行優(yōu)選和整理，可以清晰地看出，目前有四種類型：①短鏈陰-氟碳表面活性劑常以磺酸鹽和羧酸鹽為合成原料，這是由于兩者本身就具有良好的穩(wěn)定性和親水性，引入氟原子后可以使其發(fā)揮出更大的性能優(yōu)勢(shì)；②短鏈陽(yáng)-氟碳型化合物的制備原料多為全氟季銨鹽類，它可以不受pH值影響，且與其他碳?xì)浠衔锏膹?fù)配協(xié)同性較好，非常具有工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值；③短鏈兩性-氟碳型化合物中，甜菜堿類型比常規(guī)碳?xì)浠衔锏幕钚愿?，同時(shí)它的寬等電點(diǎn)也在一定程度上增加了它的pH適用范圍，且應(yīng)用成本不高，生物降解性好，所以同樣具有很大商業(yè)開發(fā)價(jià)值；④短鏈非離子-氟碳表面活性劑在水溶液中為非離子狀態(tài)，故穩(wěn)定性高，不受pH值影響，可適應(yīng)強(qiáng)酸堿性的環(huán)境，并且與碳?xì)浠衔飶?fù)配后的協(xié)調(diào)性良好。但當(dāng)前所報(bào)道的非-氟碳表面活性劑多為長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，建議應(yīng)加快短鏈結(jié)構(gòu)研發(fā)和應(yīng)用的研究步伐。各種離子類型氟碳表面活性劑及其特性見表1。