Brennende Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Treibstoffe, Lösungsmittel, Chemikalien oder schmelzbare Kunststoffe stellen aufgrund ihrer Eigenschaften und ihres Verhaltens für die Feuerwehren und Einsatzkräfte besondere Herausforderungen und Gefahren dar.

Die effektivsten Mittel zur Bekämpfung solcher Flüssigkeitsbrände sind spezielle Löschschäume, die auf der Oberfläche des Brandgutes einen Wasserfilm ausbilden und daher Aqueous Film Forming Foams (AFFF) genannt werden (vgl. Abb. 1).

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Abb. 1: Schematische Darstellung der AFFF-Wirkung. Zwischen dem Schaum und dem Brandgut bildet sich ein Wasserfilm, der kühlend, als Dampfsperre und als Gleitfilm für den Schaum wirkt. Dieser Wasserfilm verleiht dem AFFF seine einzigartigen Löscheigenschaften.

Das besondere Merkmal dieser AFFF ist der namensgebende, sich zwischen Schaum und Brandgutoberfläche ausbildende ca. 10 – 30 µm dicke Wasserfilm, der die Oberfläche kühlt, als Dampfsperre wirkt und zudem das schnelle Gleiten des Schaums auf dem Brandgut ermöglicht. Diese Eigenschaften machen AFFF einsatztaktisch so wertvoll: Als Dampfsperre verhindert der Schaum, dass die brennbare Flüssigkeit weiter in die Gasphase übergeht und so das Feuer unterhält. Durch das bereitwillige Gleiten des Schaums auf der Oberfläche der brennenden Flüssigkeit werden auch Stellen erreicht, auf denen der Löschschaum nicht direkt aufgetragen werden kann. Dies ist insbesondere bei Großbränden oder bei Bränden in technischen Anlagen (z. B. Industrie, Flughäfen) und komplexen Strukturen (z. B. Schiffsmaschinenräume) wichtig, in denen nicht jeder Ort direkt mit dem Schaumrohr erreicht werden kann. Auch unterstützt der Wasserfilm von AFFF den Selbstheilungsprozess der Schaumdecke, wenn diese z. B. durch herabstürzende Trümmer verletzt wird. Auf diese Weise werden die Rückzündung erschwert und Einsatzkräfte geschützt.

Die Ausbildung des Wasserfilms auf der Treibstoffoberfläche, das sogenannte Spreiten, wird durch spezielle Tenside im AFFF ermöglicht, welche die Oberflächenspannung des Wassers und dessen Grenzflächenspannung zum Brandgut extrem stark absenken und somit die notwendigen physikalischen Voraussetzungen für das Spreiten schaffen. Zu diesem Zweck enthalten alle derzeit am Markt verfügbaren AFFF polyfluorierte Tenside (PFT), die in der Natur nicht abgebaut werden (Persistenz, nachgewiesen für PFOS und PFOA, Fluortelomere stehen unter Verdacht), sich im Ökosystem anreichern (Bioakkumulation) und im Verdacht stehen, auch gesundheitsschädliche oder toxische Wirkungen zu haben.

Filmbildung einer wässrigen Lösung eines neuen, fluorfreien Siloxantensids auf Cyclohexan, das als Modeltreibstoff dient. Zur besseren Anschaulichkeit wurde die Lösung nicht verschäumt und mit einem Farbstoff eingefärbt. Links: Konventionelles, ungeeignetes Tensid. Es erfolgt keine Filmbildung.

Abb. 2a: Filmbildung einer wässrigen Lösung eines neuen, fluorfreien Siloxantensids auf Cyclohexan, das als Modeltreibstoff dient. Zur besseren Anschaulichkeit wurde die Lösung nicht verschäumt und mit einem Farbstoff eingefärbt. Oben: Konventionelles, ungeeignetes Tensid. Es erfolgt keine Filmbildung.

Zwar wurde der Einsatz des früher in AFFF viel genutzten Tensids Perfluoroctylsulfonat (PFOS) inzwischen verboten. Allerdings sind die heutigen Ersatzstoffe noch immer fluorhaltig und nicht unbedenklich: So hat eine Reihe von AFFF-Einsätzen zu Kontaminationen des Erdreichs und des Grundwassers geführt; aufwändige und extrem kostspielige Sanierungsmaßnahmen wurden notwendig und die Trinkwassergewinnung musste in den betroffenen Gebieten teil- und zeitweise eingestellt werden.

Mit einem der neuen, fluorfreien Siloxantenside wird deutlich erkennbar ein dichter Film gebildet.

Abb. 2b: Mit einem der neuen, fluorfreien Siloxantenside wird deutlich erkennbar ein dichter Film gebildet.

Das Ziel der Forschungsarbeiten der Universität zu Köln und des Wehrwissenschaftlichen Instituts für Schutztechnologien (Munster) ist der Ersatz dieser umwelt- und gesundheitsschädlichen Tenside in den AFFF-Schaummitteln durch unbedenkliche Alternativen. Diese Aufgabe ist allerdings nicht trivial: Neben den unerwünschten per- oder polyfluorierten Tensiden erreichen nur Siloxantenside die notwendigen physikalischen Parameter zum Spreiten auf Treibstoff. Allerdings erwiesen sich die marktverfügbaren Tenside dieser Art unglücklicher Weise als ungeeignet: Sie vermögen keine Filmbildung auf der Oberfläche von Diesel oder NATO-Standardtreibstoff F-34 (F-34 entspricht annähernd JET A-1) zu induzieren. In unserer Forschungskooperation wurden daraufhin zahlreiche neue, vollkommen fluorfreie Siloxantenside synthetisiert und bezüglich ihrer Grenzflächen-, Filmbildungs- und Schaumeigenschaften charakterisiert. Von diesen neuen, auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Tensiden generiert etwa ein Viertel die gewünschten Wasserfilme auf Treibstoffen (vgl. Abb. 2). Erste Brandversuche belegen zudem die Eignung dieser neuen Hochleistungstenside als AFFF-Löschmittel (vgl. Abb. 3). Mit diesen neuen, Naturstoff-basierten Tensiden existiert erstmals eine wirkungsgleiche, hochwirksame und ­um­weltschonende Alternative zu den problematischen alten AFFF. Kommerziell sind noch keine Löschschaumkonzentrate mit dem neuen fluorfreihen Siloxantensiden erhältlich, an der Umsetzung wird jedoch intensiv geforscht.

Abb. 3: Brennendes F-34 wird drucklos, durch Selbstausbreitung des Schaumteppichs auf dem Brandgut, mit einem neuen, fluorfreien Siloxantensid gelöscht. Die benötigte Löschzeit lag im Bereich herkömmlicher, fluorhaltiger AFFF. (Bilder und Grafik: Dr. Dirk Blunk)

Abb. 3: Brennendes F-34 wird drucklos, durch Selbstausbreitung des Schaumteppichs auf dem Brandgut, mit einem neuen, fluorfreien Siloxantensid gelöscht. Die benötigte Löschzeit lag im Bereich herkömmlicher, fluorhaltiger AFFF. (Bilder und Grafik: Dr. Dirk Blunk)

Autoren: Dr. Dirk Blunk, Dr. Ralf Hetzer, Dr. Kai Wirz

Anschriften der Verfasser:

PD Dr. Dirk Blunk und Dr. Kai Wirz
Universität zu Köln
Institut für Organische Chemie
Greinstr. 4
50939 Köln
Tel.: 0221 470-5213
E-Mail: d.blunk@uni-koeln.de; kai_wirz@gmx.de

Dr. Ralf Hetzer
Wehrwissenschaftliches Institut für Schutztechnologien – ABC-Schutz (WIS)
Humboldtstraße 100
29633 Munster
Tel.: 05192 136-285
E-Mail: RalfHetzer@Bundeswehr.org

 

Passfoto_BlunkDr. rer. nat. Dirk Blunk

Jahrgang 1967

1986 – 1991: Studium der Chemie und Abschluss als Dipl.-Chem., TU Berlin
Juni 1999: Dr. rer. nat., TU Berlin
Juli 2012: Habilitation und venia legendi für das Fach Organische Chemie an der Universität zu Köln
Seit 2000: Eigenständiger Forschungsgruppenleiter an der Universität zu Köln
Seit 2012: Privatdozent für das Fach ­Organische Chemie. Forschungsgebiete: Synthese und Charakterisierung neuer funktionaler Materialien; Surfactants und Tenside; Flüssigkristalle; molekulare Schalter.