CN102921124A - 一种非金属阻隔抑爆球及其组合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非金属阻隔抑爆球，包括：圆形片、半圆弓形片、上环状结构和下环状结构；圆形片、半圆弓形片、上环状结构和下环状结构构成中空栅格状球体；上环状结构和下环状结构分别设置于球体的上下两端，与球体同轴；半圆弓形片对称设置于球体轴线周围并于上环状结构和下环状结构相交，圆形片设置于球体的赤道位置并于半圆弓形片垂直交叉，与半圆弓形片固定连接。本发明的非金属抑爆球，由具有高耐溶剂性的塑料组合物构成，具有寿命长、稳定性高，无需更换，在容器中具有非常低的体积占有率，力学性能更高，无塌陷等现象，拆卸简单方便等优点，适合大规模工业化生产及在危险化学品中推广应用。

Description

一种非金属阻隔抑爆球及其组合物

技术领域

本发明涉及阻隔抑爆技术领域，更进一步说，涉及一种非金属阻隔抑爆球及其组合物，可应用于各类石油化工产品和天然气以及其他危险化学品的防爆领域。

背景技术

汽柴油、液化气、天然气等液气态燃料，以及其他液气态危险化学品（如甲烷、苯等化工原料）的储存、运输、使用过程中的防爆问题，一直是世界各国防爆研究的重大课题之一。

阻隔抑爆技术是一种可以有效防止易燃易爆的气态和液态危险化学品在储运中因意外事故（静电、焊接、枪击、碰撞、错误操作等）引发的爆炸，从根本上解决易燃易爆液、气态危险化学品的储运过程中本质安全的专有技术，简称为HAN（Hypostasis Anchor-hold No-expolosion），意为本质安全不爆炸。

美国在上世纪60年代在军事油品的安全和储运上开始使用聚氨酯泡沫抑爆材料；该材料在油料中的化学稳定性差，很快被铝合金抑爆材料所替代。铝合金抑爆材料被广泛应用至今。国外主要的铝合金抑爆材料主要有Explosafe、Ex-Co、ExploControl、eEess等，国内主要有LF21、JFJ、HFJ等。

蜂窝状的阻隔抑爆材料将油箱内腔分为若干个“小室”或“腔体”，这些“小室”或“腔体”可以有效遏制火焰的传播，使爆炸压力波急剧衰减；同时这种蜂窝结构的材料在单位体积内具有较高的表面效能，从而具有良好的吸热性，可以迅速地将燃烧释放出来的热量吸收，使燃烧反应后的温度降低，反应气体的膨胀程度缩小，容器内的压力值增高不大，使燃烧速度达不到爆炸的极限速度，从而达到抑爆的目的。

目前应用于制备阻隔防爆材料的基体材料主要分为金属合金类和非金属类材料。金属合金类阻隔防爆材料应用的基材主要是铝合金材料，其具有优良的导电、导热功能，并且加工制备工艺便捷；然而，金属材料存在着诸多缺陷，主要表现在：金属合金类抑爆材料内部结晶大，可导致材料脆性大、延展率低，防锈性能差等缺点，容易断裂掉渣；严重时甚至造成油路堵塞，导致油路点火不着，长期浸泡过程中材料对油品的稳定性指标（诱导其、实际胶质）、洁净指标（固体颗粒物）和水溶性酸碱等指标产生显著影响，影响油品质量；金属合金类阻隔抑爆材料在使用中产生的碎渣可堵塞油表导致其不能转动，无法准确测量优良；另外，金属合金类材料加工成蜂窝状薄壁结构，材料整体无较强的结构强度，无法在较大空间中使用，并且，金属合金材料孔隙边缘可能开裂，影响材料的抑爆性能。非金属材料主要是聚氨酯发泡材料，相比其他的阻隔防爆材料，聚氨酯泡沫具有更轻的重量和较小的占有率，然而，聚氨酯泡沫在复杂环境中（如油料）的稳定性，在高温高湿的环境导致该类材料缺乏水解稳定性（抗湿度性差），从而水解严重导致故障频生，燃油系统被污染，过滤器被阻塞等，而且该种材料在使用过程中自身发生塌陷情况较为严重，仅2至5年的使用寿命。

目前公开的一种球形填充体（公开号：CN 101583402A），是最接近本发明的现有技术，其采用相互交错的层状圆片结构构成，然而在其结构中存在着死角，即其套状体4、圆形垂直面3和水平平面7构成死角，在液体的油箱或储罐中造成油料被死角留存而不能够完全使用，造成浪费。

发明内容

为解决传统金属阻隔抑爆材料和聚氨酯泡沫寿命低、稳定性低，以及现有非金属阻隔防爆材料的结构缺陷和占有率过高等技术问题，本发明提供了一种非金属抑爆球及其组合物，该非金属抑爆球具有优良的力学性能、化学稳定性、抑爆性能及较低的占有率，可以克服现有抑爆材料中的缺陷。

本发明的目的是提供一种非金属抑爆球。

所述抑爆球包括：圆形片、半圆弓形片、上圆环结构、下圆环结构；圆形片、半圆弓形片、上圆环结构和下圆环结构构成中空栅格状球体；

所述的圆形片数量为1个，设置于由半圆弓形片构成球体的赤道位置并与半圆弓形片垂直交叉，与半圆弓形片固定连接；

所述的上圆环结构和下圆环结构分别设置于球体的上半球和下半球对称分布，并与球体同轴，上圆环结构的顶端和下圆环结构的底端分别与半圆形结构相切；上圆环结构的半径为上圆环结构底端到圆形片距离的2倍；

所述的半圆弓形片对称设置于上圆环结构和下圆环结构的轴线上，半圆弓形片的弧构成球体的经线；每个半圆弓形片上设置两个正方形孔洞，以圆形片为对称轴分布，正方形孔洞的边长与上圆环结构底端到圆形片的距离相同；半圆弓形片互相连接部分被正方形孔洞切割后构成球体轴线位置的柱形支撑件；

所述半圆弓形片数量为6~8个；

所述上圆环结构和下圆环结构被半圆弓形片分割的区域设置有孔，孔的圆点位于分割区域的中心位置，孔直径为2~3mm；

所述的一种非金属阻隔抑爆球的塑料组合物，包括重量份数计的以下组份：

所述基材为尼龙6、尼龙66、聚苯硫醚、聚乙烯、聚丙烯中的至少一种；

所述的无卤阻燃剂为磷系阻燃剂，优选为红磷阻燃剂，红磷含量范围是50~80%。

所述的协同阻燃剂为金属氧化物、硼酸盐或矾酸盐类，包括三氧化二锑、氢氧化镁、硼酸锌、硼酸镁、矾酸钙、矾酸钡等。

所述的导电填料为碳系导电填料，包括碳纤维、碳纳米管中的任意一种或两种复配；优选碳纤维为短切碳纤维，含碳量≥93%，比电阻为1.6×10^-3Ω.cm；碳纳米管优选粒径10~30nm，长度10~50μm，电阻率10~10^-3Ω.cm。

所述的增韧剂为马来酸酐接枝物，包括POE、SBS、SEBS、PPO等中的一种或几种复配组合而成。

所述的抗熔滴剂为纳米有机蒙脱土、高岭土、粘土中的至少一种，平均粒径小于等于1000nm，优选为纳米有机蒙脱土。

所述的抗氧剂为受阻酚型抗氧剂和亚磷酸酯类抗炎剂复配，优选β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸正十八碳醇酯（1076）与抗氧剂三［2.4-二叔丁基苯基］亚磷酸酯（168），二者的重量比优选为3/2~2/1。

本发明中的一种非金属阻隔抑爆球，具有优良的力学性能、化学稳定性、抑爆性能及较低的占有率，可以解决传统金属阻隔抑爆材料和聚氨酯泡沫寿命低、稳定性低，以及现有非金属阻隔防爆材料的结构缺陷和占有率过高等技术问题；具有拆卸简单方便等特点。

本发明由于具有相互贯通的结构，在液体的燃料的储罐等容器中能够快速填装和卸载，不存在结构上的死角而造成残存以致浪费。

本发明的一种非金属阻隔抑爆球的特点是：球体的板层交错的栅格状结构保证了类似蜂窝状的高孔隙结构，可有效降低危险液、气化学品在存储设备中的挥发性液、汽燃料的汽化与挥发。并可有效阻止浪涌现象，减小大型燃料储运设备（罐车、油气运输船舶）由于浪涌效应引起的不稳定性，减小罐体在弯道或颠簸时发生翻到或颠覆的危险。

本发明的非金属阻隔抑爆球具有良好的阻燃性能，阻燃级别可达到UL94V-0级，可有效防止球体在爆炸中产生燃烧，从而有效阻止由于材料的燃烧引起其他安全区域的危险化学品的燃烧或爆炸。

本发明的特殊结构和良好的导电性能能防止罐体内由于液、气态危险化学品的流动、冲击等因素而产生的静电，避免因静电引发的燃爆事故，并可保证危险化学品的储运容器不受电磁干扰。

本发明的抑爆球，具有较好的抑爆性能，单位体积的填装密度在30~50kg/m³范围内，在容器中的占有率最高不超过5%。本发明在行业标准（AQ 3001-2005）条件下进行抑爆性能测试，可将丙烷空气混合气体的压力控制到不大于0.167MPa（爆炸压力极限为0.814MPa）。

附图说明

图1本发明的一种非金属阻隔抑爆球的立体图

图2本发明的一种非金属阻隔抑爆球的主视图

图3本发明的一种非金属阻隔抑爆球的俯视图

附图标记说明：

1-圆形片；2-半圆弓形片；3-上圆环结构；4-下圆环结构

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例中所用原料的来源为：

碳纤维：聚丙烯腈型，长度6mm，直径6.5μm，拉伸强度≥3.0Gpa，密度1.76g/cm³，伸长率≥1.5%，比电阻1.6Ω·cm，辽宁安科活性碳纤维应用技术开发公司。

碳纳米管：粒径40-50nm，长度20-50μm，电阻率10~10-3Ω.cm，深圳纳米港。

三氧化二锑：粒度500nm，天津湘虹化工有限公司。

POE-g-MAH，沈阳四维化工有限公司。

PPO-g-MAH，SBS-g-MAH，SEBS-g-MAH：北京百川高科材料有限公司。

纳米有机蒙脱土：型号：DK-3，浙江丰虹粘土化工有限公司。

尼龙66：型号EPR27，拉伸强度为55MPa，弯曲强度为71.8MPa，缺口冲击强度为9.1kJ/m²，中国平煤神马集团。

尼龙6：型号CM1017，拉伸强度为80.4MPa，弯曲强度为108MPa，缺口冲击强度31kJ/m²，体积电阻率为10¹⁴~10¹⁵Ω.cm，日本东丽。

聚苯硫醚：拉伸强度为130MPa，弯曲强度为207MPa，缺口冲击强度为7kJ/m²，日本宝里。

聚丙烯：拉伸强度24MPa，弯曲强度为50MPa，缺口冲击强度为2.5kJ/m²，燕山石化公司。

实施例1：

如附图所示，一种非金属阻隔抑爆球，包括：圆形片1、半圆弓形片2、上圆环结构3和下圆环结构4，圆形片1、半圆弓形片2、上圆环结构3和下圆环结构4构成中空栅格状球体；

所述的圆形片1数量为一个，设置于由半圆弓形片2构成球体的赤道位置并与半圆弓形片2垂直交叉，与半圆弓形片2固定连接；

所述的上圆环结构3和下圆环结构4分别设置于球体的上半球和下半球对称分布，并与球体同轴，上圆环结构3的顶端和下圆环结构4的底端分别与半圆形结构2相切，上圆环结构3的底端和下圆环结构4的顶端距离圆形片1为5mm；上圆环结构3的半径为上圆环结构3底端到圆形片1距离的2倍；

所述的半圆弓形片2对称设置于上圆环结构3和下圆环结构4的轴线上，半圆弓形片2的弧构成球体的经线；每个半圆弓形片2上设置两个正方形孔洞，以圆形片1为对称轴分布，正方形孔洞的边长与上圆环结构3底端到圆形片1的距离相同；半圆弓形片2互相连接部分被正方形孔洞切割后构成球体轴线位置的柱形支撑件；半圆弓形片2的数量为8个；

所述上圆环结构3和下圆环结构4被半圆弓形片2分割的区域设置有孔，孔的圆点位于分割区域的中心位置，孔直径为3mm；

所述抑爆球球体直径为30mm。

所述抑爆球采用塑料加工模具注塑而成。

抑爆球体材料的组合物包括以下成分：

按照上述重量百分比称量各组分，将包覆红磷阻燃剂、三氧化二锑、纳米有机蒙脱土、碳纤维、增韧剂（POE-g-MAH）、抗氧剂与尼龙6母粒于高速混合机混合2分钟，然后将其与碳纤维一起放入双螺杆挤出机中造粒，双螺杆选用南京杰恩特机电有限公司生产的SHF-30型。螺杆机转速400转/分，挤出机各段温度控制为：料筒温度为一区235℃，二区230℃，三区240℃，四区245℃，五区250℃，机头260℃。

实施例2：

同实施例1，区别仅在于：

抑爆球体材料的组合物包括以下成分：

实施例3：

球体结构同实施例1，

抑爆球体材料的组合物包括以下成分和重量百分比：

按照上述重量百分比称量各组分，将包覆红磷阻燃剂、三氧化二锑、纳米有机蒙脱土、碳纤维、碳纳米管、增韧剂（SBS-g-MAH）、抗氧剂与尼龙66母粒于高速混合机混合3分钟，然后将其与碳纤维一起放入双螺杆挤出机中造粒，碳纤维由挤出机的副加料口加入。双螺杆选用南京杰恩特机电有限公司生产的SHF-30型。螺杆机转速450转/分，挤出机各段温度控制为：料筒温度为一区240℃，二区245℃，三区260℃，四区265℃，五区265℃，机头265℃。

实施例4：

球体结构同实施例1，

抑爆球体材料的组合物包括以下成分：

按照上述重量百分比称量各组分，将包覆红磷阻燃剂、三氧化二锑、纳米有机蒙脱土、碳纤维、碳纳米管、增韧剂（POE-g-MAH）、抗氧剂与尼龙66母粒于高速混合机混合3分钟，然后将其与碳纤维一起放入双螺杆挤出机中造粒，碳纤维由挤出机的副加料口加入。双螺杆选用南京杰恩特机电有限公司生产的SHF-30型。螺杆机转速450转/分，挤出机各段温度控制为：料筒温度为一区240℃，二区245℃，三区260℃，四区265℃，五区265℃，机头265℃。

实施例5：

球体结构同实施例1，

抑爆球体材料的组合物包括以下成分和重量百分比：

按照上述重量百分比称量各组分，将包覆红磷阻燃剂、三氧化二锑、纳米有机蒙脱土、碳纳米管、增韧剂（SEBS-g-MAH）、抗氧剂与尼龙66母粒于高速混合机混合3分钟后一起放入双螺杆挤出机中造粒。双螺杆选用南京杰恩特机电有限公司生产的SHF-30型。螺杆机转速450转/分，挤出机各段温度控制为：料筒温度为一区240℃，二区245℃，三区260℃，四区265℃，五区265℃，机头265℃。

实施例6：

球体结构同实施例1，

抑爆球体材料的组合物包括以下成分：

按照上述重量百分比称量各组分，将包覆红磷阻燃剂、三氧化二锑、纳米有机蒙脱土、碳纳米管、增韧剂（SBS-g-MAH）、抗氧剂与聚苯硫醚母粒于高速混合机混合3分钟后一起放入双螺杆挤出机中造粒。双螺杆选用南京杰恩特机电有限公司生产的SHF-30型。螺杆机转速500转/分，挤出机各段温度控制为：料筒温度为一区285℃，二区285℃，三区290℃，四区295℃，五区300℃，机头305℃。

实施例7：

球体结构同实施例1，

抑爆球体材料的组合物包括以下成分和重量百分比：

按照上述重量百分比称量各组分，将包覆红磷阻燃剂、三氧化二锑、纳米有机蒙脱土、碳纤维、增韧剂（POE-g-MAH）、抗氧剂与PP母粒于高速混合机混合2分钟，然后将其与碳纤维一起放入双螺杆挤出机中造粒，碳纤维由挤出机的副加料口加入。双螺杆选用南京杰恩特机电有限公司生产的SHF-30型。螺杆机转速350转/分，挤出机各段温度控制为：料筒温度为一区170℃，二区170℃，三区175℃，四区180℃，五区185℃，机头185℃。

实施例8：

球体结构同实施例1，

抑爆球体材料的组合物包括以下成分和重量百分比：

按照上述重量百分比称量各组分，将包覆红磷阻燃剂、三氧化二锑、纳米有机蒙脱土、碳纳米管、增韧剂（PPO-g-MAH）、抗氧剂与PP母粒于高速混合机混合3分钟后一起放入双螺杆挤出机中造粒。双螺杆选用南京杰恩特机电有限公司生产的SHF-30型。螺杆机转速450转/分，挤出机各段温度控制为：料筒温度为一区170℃，二区170℃，三区175℃，四区180℃，五区185℃，机头185℃。

实施例1~8中材料性能测试结果列于表1：

表1

由表1测试结果表明，实施例1~8制备出的复合材料在改善基体的力学性能的基础上，明显具备了具有抗静电特性，性能指标满足美军标MIL-prf-87260b对阻隔抑爆材料的抗静电要求，符合制备抑爆材料的要求。

将实施例1~8中制备的各种材料母粒采用注塑机加工成为抑爆球体结构，如图1所示，并将所加工的球体填充于抑爆性能测试装置（符合标准AQ3001-2005）进行抑爆性能测试。

首先进行测试未填装抑爆球体时测试装置中丙烷气体（丙烷空气混合气体爆炸极限为2.1%~9.5%优选浓度为4.5%）的燃爆增压值为164.04kPa，抑爆效果采用下式进行计算：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\Δp}}^{\′}-\mathrm{\Δp}}{{\mathrm{\Δp}}^{\′}}\×100\%$

式中：

Δp′代表未填装抑爆材料时燃爆增压值，kPa；

Δp代表填装抑爆材料后的燃爆增压值，kPa；

λ代表抑爆效果，%。

得到各实施例材料加工的抑爆球的抑爆性能如表2所示：

表2

由表2抑爆性能测试结果表明，实施例1~8均具有优异的抑爆效果，抑爆性能均在90%以上，性能指标明显高于现有的金属合金类抑爆材料，并且具有更高的综合性能，表明本发明的一种非金属抑爆球将是现有抑爆材料的良好替代品。

Claims (5)

1.一种非金属阻隔抑爆球，其特征在于： 

所述阻隔抑爆球包括：圆形片、半圆弓形片、上圆环结构、下圆环结构；圆形片、半圆弓形片、上圆环结构和下圆环结构构成中空栅格状球体； 

所述的圆形片数量为1个，设置于由半圆弓形片构成球体的赤道位置并与半圆弓形片垂直交叉，与半圆弓形片固定连接； 

所述的上圆环结构和下圆环结构分别设置于球体的上半球和下半球对称分布，并与球体同轴，上圆环结构的顶端和下圆环结构的底端分别与半圆形结构相切；上圆环结构的半径为上圆环结构底端到圆形片距离的2倍； 

所述的半圆弓形片对称设置于上圆环结构和下圆环结构的轴线上，半圆弓形片的弧构成球体的经线；每个半圆弓形片上设置两个正方形孔洞，以圆形片为对称轴分布，正方形孔洞的边长与上圆环结构底端到圆形片的距离相同；半圆弓形片互相连接部分被正方形孔洞切割后构成球体轴线位置的柱形支撑件。 

2.如权利要求1所述的一种非金属阻隔抑爆球，其特征在于，所述的半圆弓形片数量为6~8个。

3.如权利要求1所述的一种分金属阻隔抑爆球，其特征在于，上圆环结构和下圆环结构被半圆弓形片分割的区域设置有孔，孔的圆点位于分割区域的中心位置。 

4.如权利要求1~4之一所述的一种非金属阻隔抑爆球，其特征在于，所述的组合物为塑料组合物，包括重量份数计的以下组份： 

所述基材为尼龙6、尼龙66、聚苯硫醚、聚乙烯、聚丙烯中的至少一种； 

所述的无卤阻燃剂为磷系阻燃剂； 

所述的协同阻燃剂为金属氧化物、硼酸盐或矾酸盐类； 

所述的抗静电剂为碳系导电填料，以熔融共混的方式添加到尼龙基体中； 

所述的增韧剂为马来酸酐接枝物； 

所述的抗熔滴剂为纳米有机蒙脱土、高岭土、粘土中的至少一种，平均粒径小于等于1000nm； 

所述的抗氧剂为受阻酚型抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂复配。 

5.如权利要求5所述的一种非金属阻隔抑爆球，其特征在于，所述的碳系导电填料包括碳纤维和碳纳米管中的任意一种或者其中两种复配。 

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