CN107310875A - 一种非金属阻隔防爆材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非金属阻隔防爆材料及其制备方法，属于抑爆材料制备技术领域。本发明将炭质溶胶‑凝胶依次喷洒于中空螺旋纤维及改性玻璃纤维表面，并自然晾干，再将发泡材料网化处理加工形成蜂窝状芯体，并依次用喷洒炭质溶胶‑凝胶后的改性玻璃纤维和喷洒炭质溶胶‑凝胶后的中空螺旋纤维缠绕蜂窝状芯体外表面，得包覆芯体，最后将包覆芯体移入模具中，用发泡材料对包覆芯体外表面进行包裹，形成包覆层，经定型后即得非金属阻隔防爆材料。本发明所得产品抑爆效果优异，物理化学性质稳定，机械性能较常规产品大大提升，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明公开了一种非金属阻隔防爆材料及其制备方法，属于抑爆材料制备技术领域。
背景技术
燃料等易燃易爆危险化学品在运输、储存和使用过程中，极易受到静电、枪击、碰撞等外界能量的作用而引起燃烧与爆炸，这往往造成重大的财产损失和人员伤亡。其在储存、运输和使用过程中的安全性，一直是抑爆研究的重大课题。抑爆材料将空间分成若干“小室”或“腔体”，可以有效遏制火焰的传播，使燃爆压力波急剧衰减，而材料的高比表面积可以吸收和传导大量热能，破坏燃烧介质的爆炸条件，以此降低火焰燃烧速度，从而防止设备的爆炸，保证燃料等易燃易爆品安全使用和储运。
目前广泛使用的阻隔防爆材料为非金属类和金属合金两大类。随着易燃易爆类液体在各领域应用越来越多，这类液体性质各异，有些具有较强的腐蚀性。比如，近年来开发的甲醇、乙醇汽油在生活中得到广泛应用，但甲醇在生产和储运中可能会发生氧化反应，氧化生成的甲酸等有机酸对长期浸泡在液体中的金属抑爆材料表面造成腐蚀，而表面被腐蚀后的抑爆材料其导热、导电性能都将大大降低，会产生碎屑和铝绣，从而堵塞油路管道。作为一种新型的阻隔防爆材料，非金属材料具有价格低、使用周期长、质量轻、防氧化等金属材料无可比拟的优点，已在石油化工、航空航天等多个领域得到了广泛应用，目前常用的多孔非金属抑爆材料主要为聚氨酯泡沫材料和陶瓷材料，两者研究和应用都较为广泛。其中聚氨酯泡沫材料耐化学腐蚀性强，密度低，耐油性好，导热系数小，可塑性强，但其使用受到季节的制约，使用寿命短，使用过程中易出现水解，需定期更换，防水性不佳；而陶瓷材料耐腐蚀性强，传质效率高，不易变形，物理和化学性质稳定，使用寿命长，但其不可避免的还存在脆性大，孔径大小和形状无法精确控制等问题。
因此，为更好地维护人民的生产、生活安全，寻找一种性质稳定，机械性能优异，使用寿命长，不易被腐蚀的高性能阻隔防爆材料是人们追求的目标。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：针对传统非金属阻隔防爆材料物理化学性质稳定性与机械性能无法协调统一，在使用过程中易出现失效的问题，提供了一种非金属阻隔防爆材料及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种非金属阻隔防爆材料，其特征在于：是由以下重量份数的原料组成：80～100份中空螺旋纤维，10～15份改性玻璃纤维，8～10份炭质溶胶-凝胶，20～40份发泡材料；
所述的非金属阻隔防爆材料具体制备步骤如下：
（1）中空螺旋纤维：按重量份数计，依次将4～6份聚乙烯醇，6～8份壳聚糖，10～20份谷朊粉，0.1～0.3份海藻酸钠倒入100～120份水中，搅拌溶胀30～45min后，加热搅拌20～40min，待自然冷却至室温，得纺丝液，再经高压静电纺丝，得复合纤维，并将所得复合纤维分散于乙醇溶液中，再向乙醇溶液中滴加复合纤维质量0.8～1.0倍的正硅酸乙酯，待滴加完毕，静置陈化4～8h，再经过滤，得改性复合纤维，随后将改性复合纤维转入炭化炉，缓慢升温炭化后，出料，得中空螺旋纤维；
（2）改性玻璃纤维：按重量份数计，将20～40份纳米二氧化硅、10～20份偶联剂和80～100份乙醇溶液混合反应，得改性纳米二氧化硅，再将所得改性纳米二氧化硅与无水乙醇按质量比为1：90～1：100超声分散，得改性纳米二氧化硅分散液，将玻璃纤维与改性纳米二氧化硅分散液按质量比为1：6～1：10混合浸渍，再将浸渍后的玻璃纤维干燥至恒重，得改性玻璃纤维；所述的玻璃纤维为连续纤维；
（3）炭质溶胶-凝胶：将石油焦粉与混合酸液按质量比为1：1.2～1：1.8混合搅拌反应30～60min，得混合液，再按质量比为1：2～1：5将所得混合液分散于乙二醇中，得炭质溶胶-凝胶；
（4）非金属阻隔防爆材料：将炭质溶胶-凝胶依次喷洒于中空螺旋纤维及改性玻璃纤维表面，并自然晾干，再将发泡材料网化处理加工形成蜂窝状芯体，并依次用喷洒炭质溶胶-凝胶后的改性玻璃纤维和喷洒炭质溶胶-凝胶后的中空螺旋纤维缠绕蜂窝状芯体外表面，得包覆芯体，最后将包覆芯体移入模具中，用发泡材料对包覆芯体外表面进行包裹，形成包覆层，经定型后即得非金属阻隔防爆材料。
所述的发泡材料为聚异氰脲酸酯、聚氨酯或聚乙二醇醚中的一种。
步骤（1）所述的缓慢升温炭化条件为：于炭化炉中，以40～80mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以0.1～0.4℃/min速率程序升温至380～400℃，保温炭化2～4h后，继续以0.3～0.8℃/min速率程序升温至800～1000℃，保温炭化3～5h后，随炉冷却至室温。
步骤（2）所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560或硅烷偶联剂KH-570中的一种。
步骤（3）所述的混合酸液是由以下重量份数的原料混合而成：10～20份质量分数为98%硫酸溶液，20～30份质量分数为65%硝酸溶液，30～40份质量分数为30%双氧水，4～8份高锰酸钾。
本发明的有益效果是：
（1）本发明首先以聚乙烯醇、壳聚糖和谷朊粉为纤维内芯，经纺丝制得复合纤维，利用复合纤维的多羟基特性吸附正硅酸乙酯水解产生的纳米二氧化硅，再通过缓慢升温炭化，使复合纤维发生脱水和有机物分解，形成中空壳层支撑结构，在后续升温过程中，纤维沿收到剪切应力的面蔓延形成螺旋结构，以释放应力，从而制得中空螺旋纤维，并以此作为产品骨架，在抑爆过程中，骨架崩裂和纤维断裂的空间可以吸收压力波，达到抑爆效果；
（2）本发明通过添加少量纳米二氧化硅改性的玻璃纤维，纳米二氧化硅改性后，玻璃纤维表面粗糙度增加，从而提高玻璃纤维与中空螺旋纤维的咬合度，使两者有效结合，提高产品韧性等机械性能，且所用原料耐腐蚀性好，物理化学性质稳定，可避免产品在使用过程中失效；
（3）本发明通过添加炭质溶胶-凝胶，一方面其中的超细多孔炭质成分会渗透进入中空螺旋纤维与玻璃纤维间隙中，在其中所含强氧化性物质的催化下，使发泡材料和中空螺旋纤维及玻璃纤维接触面活性基团发生脱水缩合，形成有机整体，从而提高产品使用寿命，另一方面，多孔结构的炭质成分的存在能有效提高材料的比表面积，从而进一步提高产品的抑爆性能。
具体实施方式
按重量份数计，依次将4～6份聚乙烯醇，6～8份壳聚糖，10～20份谷朊粉，0.1～0.3份海藻酸钠倒入盛有100～120份温度为20～25℃水的烧杯中，用玻璃棒搅拌溶胀30～45min后，将烧杯移入水浴锅中，于温度为85～90℃条件下，加热搅拌20～40min，待自然冷却至室温，得纺丝液，再将所得纺丝液转入高压静电纺丝机，于纺丝电压为20～22kV，温度为32～38℃，推进速度为0.3～0.5mm/s，接受距离为8～10cm条件下，静电纺丝，得复合纤维，并将所得复合纤维与质量分数为80～85%乙醇溶液按质量比为1：20～1：40混合，以40kHz频率超声分散20～40min，再向乙醇溶液中滴加复合纤维质量0.8～1.0倍的正硅酸乙酯，待滴加完毕，静置陈化4～8h，再经过滤，得改性复合纤维，随后将改性复合纤维转入炭化炉，以40～80mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以0.1～0.4℃/min速率程序升温至380～400℃，保温炭化2～4h后，继续以0.3～0.8℃/min速率程序升温至800～1000℃，保温炭化3～5h后，随炉冷却至室温，出料，得中空螺旋纤维；按重量份数计，将20～40份纳米二氧化硅、10～20份偶联剂和80～100份质量分数为40～60%乙醇溶液混合反应，得改性纳米二氧化硅，再将所得改性纳米二氧化硅与无水乙醇按质量比为1：90～1：100超声分散，得改性纳米二氧化硅分散液，将玻璃纤维与改性纳米二氧化硅分散液按质量比为1：6～1：10混合浸渍，再将浸渍后的玻璃纤维转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得改性玻璃纤维；所述的玻璃纤维为连续纤维；按重量份数计，将10～20份质量分数为98%硫酸溶液，20～30份质量分数为65%硝酸溶液，30～40份质量分数为30%双氧水，4～8份高锰酸钾混合均匀，得混合酸液，再将目数为325～500目的石油焦粉与混合酸液按质量比为1：1.2～1：1.8混合搅拌反应30～60min，得混合液，随后按质量比为1：2～1：5将所得混合液分散于乙二醇中，得炭质溶胶-凝胶；按重量份数计，依次取80～100份中空螺旋纤维，10～15份改性玻璃纤维，8～10份炭质溶胶-凝胶，20～40份发泡材料，将中空螺旋纤维与改性玻璃纤维分别均匀平铺于托盘中，通过喷壶将炭质溶胶-凝胶喷洒于中空螺旋纤维及改性玻璃纤维表面，并自然晾干，再将发泡材料网化处理加工形成蜂窝状芯体，并依次用喷洒炭质溶胶-凝胶后的改性玻璃纤维和喷洒炭质溶胶-凝胶后的中空螺旋纤维缠绕蜂窝状芯体外表面，得包覆芯体，最后将包覆芯体移入模具中，用发泡材料对包覆芯体外表面进行包裹，形成包覆层，经定型后即得非金属阻隔防爆材料。所述的发泡材料为聚异氰脲酸酯、聚氨酯或聚乙二醇醚中的一种。所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560或硅烷偶联剂KH-570中的一种。
实例1
按重量份数计，依次将4份聚乙烯醇，6份壳聚糖，10份谷朊粉，0.1份海藻酸钠倒入盛有100份温度为20℃水的烧杯中，用玻璃棒搅拌溶胀30min后，将烧杯移入水浴锅中，于温度为85℃条件下，加热搅拌20min，待自然冷却至室温，得纺丝液，再将所得纺丝液转入高压静电纺丝机，于纺丝电压为20kV，温度为32℃，推进速度为0.3mm/s，接受距离为8cm条件下，静电纺丝，得复合纤维，并将所得复合纤维与质量分数为80%乙醇溶液按质量比为1：20混合，以40kHz频率超声分散20min，再向乙醇溶液中滴加复合纤维质量0.8倍的正硅酸乙酯，待滴加完毕，静置陈化4h，再经过滤，得改性复合纤维，随后将改性复合纤维转入炭化炉，以40mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以0.1℃/min速率程序升温至380℃，保温炭化2h后，继续以0.3℃/min速率程序升温至800℃，保温炭化3h后，随炉冷却至室温，出料，得中空螺旋纤维；按重量份数计，将20份纳米二氧化硅、10份偶联剂和80份质量分数为40%乙醇溶液混合反应，得改性纳米二氧化硅，再将所得改性纳米二氧化硅与无水乙醇按质量比为1：90超声分散，得改性纳米二氧化硅分散液，将玻璃纤维与改性纳米二氧化硅分散液按质量比为1：6混合浸渍，再将浸渍后的玻璃纤维转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得改性玻璃纤维；所述的玻璃纤维为连续纤维；按重量份数计，将10份质量分数为98%硫酸溶液，20份质量分数为65%硝酸溶液，30份质量分数为30%双氧水，4份高锰酸钾混合均匀，得混合酸液，再将目数为325目的石油焦粉与混合酸液按质量比为1：1.2混合搅拌反应30min，得混合液，随后按质量比为1：2将所得混合液分散于乙二醇中，得炭质溶胶-凝胶；按重量份数计，依次取80份中空螺旋纤维，10份改性玻璃纤维，8份炭质溶胶-凝胶，20份发泡材料，将中空螺旋纤维与改性玻璃纤维分别均匀平铺于托盘中，通过喷壶将炭质溶胶-凝胶喷洒于中空螺旋纤维及改性玻璃纤维表面，并自然晾干，再将发泡材料网化处理加工形成蜂窝状芯体，并依次用喷洒炭质溶胶-凝胶后的改性玻璃纤维和喷洒炭质溶胶-凝胶后的中空螺旋纤维缠绕蜂窝状芯体外表面，得包覆芯体，最后将包覆芯体移入模具中，用发泡材料对包覆芯体外表面进行包裹，形成包覆层，经定型后即得非金属阻隔防爆材料。所述的发泡材料为聚异氰脲酸酯。所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550。
实例2
按重量份数计，依次将6份聚乙烯醇，8份壳聚糖，20份谷朊粉，0.3份海藻酸钠倒入盛有120份温度为25℃水的烧杯中，用玻璃棒搅拌溶胀45min后，将烧杯移入水浴锅中，于温度为90℃条件下，加热搅拌40min，待自然冷却至室温，得纺丝液，再将所得纺丝液转入高压静电纺丝机，于纺丝电压为22kV，温度为38℃，推进速度为0.5mm/s，接受距离为10cm条件下，静电纺丝，得复合纤维，并将所得复合纤维与质量分数为85%乙醇溶液按质量比为1：40混合，以40kHz频率超声分散40min，再向乙醇溶液中滴加复合纤维质量1.0倍的正硅酸乙酯，待滴加完毕，静置陈化8h，再经过滤，得改性复合纤维，随后将改性复合纤维转入炭化炉，以80mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以0.4℃/min速率程序升温至400℃，保温炭化4h后，继续以0.8℃/min速率程序升温至1000℃，保温炭化5h后，随炉冷却至室温，出料，得中空螺旋纤维；按重量份数计，将40份纳米二氧化硅、20份偶联剂和100份质量分数为60%乙醇溶液混合反应，得改性纳米二氧化硅，再将所得改性纳米二氧化硅与无水乙醇按质量比为1：100超声分散，得改性纳米二氧化硅分散液，将玻璃纤维与改性纳米二氧化硅分散液按质量比为1：10混合浸渍，再将浸渍后的玻璃纤维转入烘箱中，于温度为110℃条件下干燥至恒重，得改性玻璃纤维；所述的玻璃纤维为连续纤维；按重量份数计，将20份质量分数为98%硫酸溶液，30份质量分数为65%硝酸溶液，40份质量分数为30%双氧水，8份高锰酸钾混合均匀，得混合酸液，再将目数为500目的石油焦粉与混合酸液按质量比为1：1.8混合搅拌反应60min，得混合液，随后按质量比为1：5将所得混合液分散于乙二醇中，得炭质溶胶-凝胶；按重量份数计，依次取100份中空螺旋纤维，15份改性玻璃纤维，10份炭质溶胶-凝胶，40份发泡材料，将中空螺旋纤维与改性玻璃纤维分别均匀平铺于托盘中，通过喷壶将炭质溶胶-凝胶喷洒于中空螺旋纤维及改性玻璃纤维表面，并自然晾干，再将发泡材料网化处理加工形成蜂窝状芯体，并依次用喷洒炭质溶胶-凝胶后的改性玻璃纤维和喷洒炭质溶胶-凝胶后的中空螺旋纤维缠绕蜂窝状芯体外表面，得包覆芯体，最后将包覆芯体移入模具中，用发泡材料对包覆芯体外表面进行包裹，形成包覆层，经定型后即得非金属阻隔防爆材料。所述的发泡材料为聚乙二醇醚中。所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-560。
实例3（对比例1）
采用市售球形非金属阻隔防爆材料
实例4（对比例2）
采用市售网状金属铝合金阻隔防爆材料
分别将实例1至4所得产品进行性能检测，具体检测方法如下所述：
1.激波管试验：根据行业标准《AQ3001-2005》（汽车加油/气站、轻质燃油和液化石油气-汽车罐车用阻隔防爆储罐技术要求），采用一维水平激波管测量，试验中油蒸汽浓度为4.5%，点火能量约为100J；
2.等效静爆试验：采用5L油箱，油箱中装填3L10#军用汽油，起爆装置为发雷管引爆10g海萨尔-3型高能炸药，起爆能量约为56000J，用高速照相系统和红外成像系统监测。
具体检测结果如表1所示：
由表1检测结果可知，本发明所得产品与市售产品均具有优异的阻隔防爆效果，且本发明所得产品机械性能较常规市售产品有所提高。
Claims (5)
1.一种非金属阻隔防爆材料，其特征在于：是由以下重量份数的原料组成：80～100份中空螺旋纤维，10～15份改性玻璃纤维，8～10份炭质溶胶-凝胶，20～40份发泡材料；
所述的非金属阻隔防爆材料具体制备步骤如下：
（1）中空螺旋纤维：按重量份数计，依次将4～6份聚乙烯醇，6～8份壳聚糖，10～20份谷朊粉，0.1～0.3份海藻酸钠倒入100～120份水中，搅拌溶胀30～45min后，加热搅拌20～40min，待自然冷却至室温，得纺丝液，再经高压静电纺丝，得复合纤维，并将所得复合纤维分散于乙醇溶液中，再向乙醇溶液中滴加复合纤维质量0.8～1.0倍的正硅酸乙酯，待滴加完毕，静置陈化4～8h，再经过滤，得改性复合纤维，随后将改性复合纤维转入炭化炉，缓慢升温炭化后，出料，得中空螺旋纤维；
（2）改性玻璃纤维：按重量份数计，将20～40份纳米二氧化硅、10～20份偶联剂和80～100份乙醇溶液混合反应，得改性纳米二氧化硅，再将所得改性纳米二氧化硅与无水乙醇按质量比为1：90～1：100超声分散，得改性纳米二氧化硅分散液，将玻璃纤维与改性纳米二氧化硅分散液按质量比为1：6～1：10混合浸渍，再将浸渍后的玻璃纤维干燥至恒重，得改性玻璃纤维；所述的玻璃纤维为连续纤维；
（3）炭质溶胶-凝胶：将石油焦粉与混合酸液按质量比为1：1.2～1：1.8混合搅拌反应30～60min，得混合液，再按质量比为1：2～1：5将所得混合液分散于乙二醇中，得炭质溶胶-凝胶；
（4）非金属阻隔防爆材料：将炭质溶胶-凝胶依次喷洒于中空螺旋纤维及改性玻璃纤维表面，并自然晾干，再将发泡材料网化处理加工形成蜂窝状芯体，并依次用喷洒炭质溶胶-凝胶后的改性玻璃纤维和喷洒炭质溶胶-凝胶后的中空螺旋纤维缠绕蜂窝状芯体外表面，得包覆芯体，最后将包覆芯体移入模具中，用发泡材料对包覆芯体外表面进行包裹，形成包覆层，经定型后即得非金属阻隔防爆材料。
2.根据权利要求1所述的一种非金属阻隔防爆材料，其特征在于：所述的发泡材料为聚异氰脲酸酯、聚氨酯或聚乙二醇醚中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种非金属阻隔防爆材料，其特征在于：步骤（1）所述的缓慢升温炭化条件为：于炭化炉中，以40～80mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以0.1～0.4℃/min速率程序升温至380～400℃，保温炭化2～4h后，继续以0.3～0.8℃/min速率程序升温至800～1000℃，保温炭化3～5h后，随炉冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的一种非金属阻隔防爆材料，其特征在于：步骤（2）所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560或硅烷偶联剂KH-570中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种非金属阻隔防爆材料，其特征在于：步骤（3）所述的混合酸液是由以下重量份数的原料混合而成：10～20份质量分数为98%硫酸溶液，20～30份质量分数为65%硝酸溶液，30～40份质量分数为30%双氧水，4～8份高锰酸钾。
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