短链氟碳灭火剂复配机制的分子动力学模拟研究进展

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2025.06.003

石油化工高等学校学报 ›› 2025, Vol. 38 ›› Issue (6): 22-32.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2025.06.003

短链氟碳灭火剂复配机制的分子动力学模拟研究进展

全晓珑¹(), 佟彤¹, 熊靖¹, 韦岳长¹(), 焦金庆²

^1.中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249
^2.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东青岛 266000

收稿日期:2025-07-29 修回日期:2025-08-24 出版日期:2025-12-25 发布日期:2025-12-07
通讯作者: 韦岳长
作者简介:全晓珑（2001⁃），男，硕士研究生，从事短链氟碳泡沫灭火剂分子机理方面的研究；E⁃mail：qxl15993571310@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(22208373);国家自然科学基金项目(22376217);中国石化科技开发计划项目(323030);中国石化科技开发计划项目(321101)

Progress in Molecular Dynamics Simulation of Short⁃Chain Fluorocarbon Fire Extinguishing Agent Compounding Mechanism

Xiaolong QUAN¹(), Tong TONG¹, Jing XIONG¹, Yuechang WEI¹(), Jinqing JIAO²

^1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China
^2.State Key Laboratory of Chemical Safety，SINOPEC Research Institute of Safety Engineering Co. ，Ltd. ，Qingdao Shandong 266000，China

Received:2025-07-29 Revised:2025-08-24 Published:2025-12-25 Online:2025-12-07
Contact: Yuechang WEI

摘要/Abstract

摘要：

环境法规对长链氟碳表面活性剂的限制日益严格，而短链复配体系协同机制尚未明确，这制约了高效环保灭火剂的开发进程。系统梳理了短链氟碳灭火剂分子工程策略（链长调控、两性离子设计）与复配技术（氟碳/碳氢协同）优化路径；通过对现有研究的梳理发现，C₄—C₆短链表面活性剂在活性与环境友好性之间能实现较好的平衡，复配体系可显著降低临界胶束浓度与氟用量，同时提升泡沫稳定性；归纳了复配协同机制，包括阴/阳离子静电作用促进致密膜形成、构象匹配抑制水相迁移等，并总结了从微观分子排布到宏观性能（如界面张力与泡沫稳定性）的定量关联规律。研究结果为理解复配机制、推动灭火剂的合理设计提供了理论参考。

关键词: 短链氟碳灭火剂, 分子动力学模拟, 复配表面活性剂

Abstract:

Due to regulatory restrictions on long?chain fluorocarbon surfactants, the synergistic mechanisms of short?chain composite systems developed as alternatives remain unclear, hindering the advancement of high?performance and environmentally friendly firefighting agents. This review systematically outlines optimization strategies for short?chain fluorocarbon firefighting agents, including molecular engineering approaches (chain?length control, zwitterionic design) and compounding techniques (fluorocarbon/hydrocarbon synergy). By synthesizing existing research, it highlights that C₄—C₆ short?chain surfactants strike a balance between surface activity and environmental friendliness and composite systems significantly reduce critical micelle concentration and fluorine consumption, simultaneously enhancing foam stability. The review summarizes synergistic mechanisms in compounding including electrostatic interactions between anions and cations promoting dense film formation, and conformational matching inhibiting aqueous migration. It also establishes quantitative relationships spanning from microscopic molecular arrangements to macroscopic properties, such as interfacial tension and foam stability. This study provides theoretical reference for understanding the mechanism of compounding and promoting the rational design of fire extinguishing agents.

Key words: Short?chain fluorocarbon fire extinguishing agents, Molecular dynamics simulations, Compounded surfactants

中图分类号:

TE09

全晓珑, 佟彤, 熊靖, 韦岳长, 焦金庆. 短链氟碳灭火剂复配机制的分子动力学模拟研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2025, 38(6): 22-32.

Xiaolong QUAN, Tong TONG, Jing XIONG, Yuechang WEI, Jinqing JIAO. Progress in Molecular Dynamics Simulation of Short⁃Chain Fluorocarbon Fire Extinguishing Agent Compounding Mechanism[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2025, 38(6): 22-32.

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https://journal.lnpu.edu.cn/syhg/CN/Y2025/V38/I6/22

图/表 8

图1 常见的短氟碳链表面活性剂

Fig.1 Common types of short fluorocarbon chain surfactants

图2 复配协同机制的实验验证[34?35]（a） AFFF灭火效果（b） F?1灭火性能测试

Fig.2 Experimental verification of the compounding synergy mechanism[34?35]

图3 模型建立的流程

Fig.3 The process of model establishment

图4 不同复配体系下z轴方向的数密度分布[50]（a） PFHxA/SDS/Li+ （b） PFHxA/SDS/Na+ （c） PFHxA/SDS/K+

Fig.4 Numerical density distribution along the z?axis under different composite systems[50]

图5 复配体系的径向分布函数[50]

Fig.5 Radial distribution functions of the composite system[50]

图6 x?y平面内表面活性剂分子的二维数密度分布图[50]（a） PFHxA/SDS/Li+ （b） PFHxA/SDS/Na+ （c） PFHxA/SDS/K+

Fig.6 Two?dimensional number density distribution maps of surfactant molecules within the x?y plane[50]

图7 不同复配体系中表面活性剂分子的关键动态性质随时间的演变曲线[50]

Fig.7 Time evolution curves of key dynamic properties of surfactant molecules in different complex systems[50]

图8 不同n（PFB?MC）/n（1?OA）复配体系的最终MD模拟模型[51]（a） 1∶0 （b） 2∶1 （c） 1∶1 （d） 1∶2 （e） 0∶1

Fig.8 Final MD simulation model of different n(PFB?MC)/n(1?OA) complex systems[51]

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