CN111649638A - 一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构及其制备方法，复合防爆结构包括一组以上依次层叠的复合防爆单元，复合防爆单元包括填充液体的聚氨酯层和液体层，所形成的复合防爆结构中填充液体的聚氨酯层和液体层间隔设置；使用时距离爆炸物最近的一层为复合防爆结构的填充液体的聚氨酯层。本发明的复合防爆结构防爆能力强、结构重量小、不产生二次附带伤害且制备方法制备效率高。

Description

一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及防爆技术领域，具体涉及一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构及其制备方法。

背景技术

目前爆炸恐怖袭击已成为恐怖分子最常用的活动形式，为应对其对国内外社会公共安全造成的重大威胁，亟需便捷高效的安全处置办法。传统的刚性防爆结构针对爆炸产生的强冲击波，是利用自身的高波阻抗反射大部分冲击波，主要将爆炸能量进行分散转移，在具备较强的防护能力的同时，存在自重大、机动性差的缺点，且自身作为破片可能产生二次破片伤害，因而对简易爆炸物的处置装置逐步呈现轻质化、不产生二次伤害的发展趋势。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构及其制备方法，防爆能力强、结构重量小、不产生二次附带伤害且制备方法制备效率高。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构，所述复合防爆结构包括一组以上依次层叠的复合防爆单元，所述复合防爆单元包括填充液体的聚氨酯层和液体层，所形成的复合防爆结构中填充液体的聚氨酯层和液体层间隔设置；使用时距离爆炸物最近的一层为所述复合防爆结构的填充液体的聚氨酯层。

进一步地，所述复合防爆单元为环形结构，从内向外填充液体的聚氨酯层和液体层依次间隔设置；防爆时，所述爆炸物位于所述环形结构内部。

进一步地，所述填充液体的聚氨酯层的聚氨酯泡沫基体内部含有70％以上开孔结构。

一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构制备方法，所制备的复合防爆结构为环形复合防爆结构；所述复合防爆结构制备方法步骤如下：

制备液体层时，将液体注入密封袋形成圆柱环液体层；

制备填充液体的聚氨酯层时，步骤一，将圆柱环状的聚氨酯泡沫基体放置在多孔内衬套与多孔外衬套之间，所述多孔外衬套外套装圆柱环壳体，两端端面由透明盖体封闭；所述多孔外衬套外圆周、圆柱环壳体内圆周以及两端透明盖体之间形成注入液体的空间；

步骤二，对多孔内衬套中空部分抽真空；

步骤三，由圆柱环壳体下端注入液体，直至液体填满所述空间；

步骤四，待液体渗入聚氨酯泡沫基体后，对聚氨酯泡沫基体表面进行密封处理形成填充液体的聚氨酯层；

组装时，根据对爆炸物的当量计算确定复合防爆结构的层数，层数为偶数，重复上述步骤制备多层液体层和填充液体的聚氨酯层，填充液体的聚氨酯层与液体层间隔套装，最内层为填充液体的聚氨酯层，最外层为液体层。

进一步地，所述步骤一中注入液体的具体方法为：利用压力水枪将液体通过密封袋表面的进液阀门注入密封袋内部，同时打开出气阀门，待液体填充至指定质量后，关闭两个阀门。

进一步地，步骤四中进一步包括，待液体渗入聚氨酯泡沫基体设定时间后，将由多孔内外衬套、圆柱环壳体以及两端透明盖体形成的装置倒置，由圆柱环壳体下端再次注入液体，直至液体填满所述空间。

进一步地，所述多孔内衬套与多孔外衬套水平放置，中心轴与地面平行，倒置时将由多孔内外衬套、圆柱环壳体以及两端透明盖体形成的装置绕中心轴旋转180°。

进一步地，所述多孔内衬套与多孔外衬套竖直放置，中心轴与地面垂直，倒置时将由多孔内外衬套、圆柱环壳体以及两端透明盖体形成的装置上下颠倒。

有益效果：

1、本发明复合防爆结构通过内、外波阻抗不同的材料按照软硬相间的顺序排列而成，距离爆炸物由近及远的材料分别是填充液体的聚氨酯层、液体层。结构内侧第一层为波阻抗较低的聚氨酯复合层：其中聚氨酯作为一种多孔材料，将结构划分成许多细小的空间，阻碍了火焰的迅速传播和减弱了能量瞬间释放可持续传播的能力，起到机械阻碍的作用；相比于对应的密实材料，多孔材料中稀疏波与冲击波的传播速度之比大于相应的密实介质，使得冲击波的在聚氨酯多孔泡沫中的衰减速度较密实介质更快，达到降低冲击波传播强度的目的；由于其反射冲击波强度较液体更低，将聚氨酯层排列在内侧，可大大减小冲击波在首个分界面反射后形成汇聚波的强度，同时利用聚氨酯吸收爆炸能量主要转化为自身内能的耗散形式，降低向外传播至液体层的冲击波能量；充分利用聚氨酯的内部孔隙空间，填充液体介质，在其内部构成聚氨酯和液体的多个间断的接触界面，即获得界面两侧的波阻抗不匹配效应，应力波在这种复合材料中传播时，将在界面处发生多次反射，延长了应力波在其中的传播持续时长，从而增加能量吸收值。在外侧环形接触大界面上，聚氨酯层与液体层形成整体阻抗不匹配效应，分界面可起到反射应力波和能量的作用，可有效削弱应力波的强度和能量。外侧液体层既与聚氨酯层形成分层界面，产生反射应力波，同时可有效抑制聚氨酯的快速破裂，增大聚氨酯压缩变形量，提高能量吸收效率；可见本发明采用的聚氨酯泡沫基体是通过压缩冲击吸收部分爆炸内能吸收转换为自身的塑性变形能，另外液体完成动能转换并解体为分散的小液滴，解决了对外界造成附带伤害的威胁，同时两种材料及结构之间的相互作用可延长冲击波能量的吸收时长，有效提高结构的防护效率。

而且聚氨酯/液体复合结构可以根据现场对爆炸物的当量估算随时随地完成组合，建设周期短、移动快速、部署便捷，以便技术人员的应急安全处置。

2、本发明多孔内衬套中空部分近似真空的状态，加快液体自外向内填充聚氨酯泡沫基体孔隙的速度，大大提高了制备效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1A-A方向的剖面图；

图3为对聚氨酯泡沫进行液体填充的浸润装置的示意图；

图4为材料防爆性能测试的仿真布置图；

图5为分别以聚氨酯、液体、填充液体的聚氨酯作为图4中的防爆材料在测试点A的冲击波超压的时程曲线；

图6为分别以聚氨酯、液体、填充液体的聚氨酯作为图4中的防爆材料在测试点B的冲击波超压的时程曲线；

图7为分别以聚氨酯、液体、填充液体的聚氨酯作为图4中的防爆材料在测试点C的冲击波超压的时程曲线；

图8(a)为对单层填充液体的聚氨酯/液体结构进行了125gTNT的爆炸实验测试图，图8(b)为无防护的空爆实验测试图；

其中，1-液体层，2-填充液体的聚氨酯层，3-出气阀门，4-圆柱环壳体， 5-多孔外衬套，6-多孔内衬套，7-玻璃盖体，8-进液阀门，9-待填充的聚氨酯泡沫基体，10-真空环境，11-液体，12-TNT，13-防爆材料，14-空气域。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构，复合防爆结构为多层圆柱环套装而成的结构，防爆时，爆炸物位于环形结构内部。填充液体的聚氨酯层2与液体层1间隔布置，层数为偶数，最内层为填充液体的聚氨酯层2，最外层为液体层1。

如图1、图2所示，本实施例中复合防爆结构采用四层，由内而外依次是填充液体的聚氨酯层2、液体层1、填充液体的聚氨酯层2、液体层1。填充液体的聚氨酯层2的聚氨酯泡沫基体内部含有70％以上开孔结构，液体11通过泡沫胞元间的通孔填充进入泡沫基体内部。

如图3所示，填充液体的聚氨酯层2通过液体填充装置实现，液体填充装置包括圆柱环壳体4、多孔内衬套6、多孔外衬套5、玻璃盖体7及抽气泵；多孔外衬套5套装在多孔内衬套6外，多孔内衬套6与多孔外衬套5之间形成安放聚氨酯泡沫基体的空间；多孔外衬套5外套装圆柱环壳体4，由圆柱环壳体4 作为外圆周形成的圆柱结构两端端面由玻璃盖体7封闭；多孔外衬套5外圆周、圆柱环壳体4内圆周以及两端玻璃盖体7之间形成注入液体11的空间。圆柱环壳体4两侧各设一个阀门，该阀门既可作为进液阀门8，也可作为出气阀门3。使用时，其中一个阀门作为进液阀门8，另一个阀门作为出气阀门3。抽气泵用于抽离多孔内衬套6中空部分的空气形成真空环境。

复合防爆结构制备方法步骤如下：

制备液体层1时，利用压力水枪将液体11通过密封袋表面的进液阀门注入密封袋内部，同时打开密封袋另一侧的出气阀门，提高液体11的注入速度，待液体11完全填充至指定质量后，关闭两侧阀门，形成圆柱环液体层1。密封袋采用TPU(Thermoplasticpolyurethanes)热塑性聚氨酯弹性体橡胶材质。

制备填充液体的聚氨酯层2时，步骤一，多孔内衬套6与多孔外衬套5水平放置，中心轴与地面平行，将圆柱环状的待填充的聚氨酯泡沫基体9放置在多孔内衬套6与多孔外衬套5之间，多孔外衬套5外套装圆柱环壳体4，由圆柱环壳体4作为外圆周形成的圆柱结构两端端面由玻璃盖体7封闭；多孔外衬套5 外圆周、圆柱环壳体4内圆周以及两端玻璃盖体7之间形成注入液体11的空间。

步骤二，利用抽气泵对多孔内衬套6中空部分抽气形成真空环境10。

步骤三，由圆柱环壳体4下端进液阀门8注入液体11，直至液体11填满容纳液体11的空间。

步骤四，利用玻璃盖体7对聚氨酯泡沫基体的浸润程度进行观察，待液体 11渗入聚氨酯泡沫基体设定时间后，为保证液体11的填充均匀性，将由多孔内外衬套、圆柱环壳体4以及两端玻璃盖体7形成的装置绕中心轴旋转180°，由圆柱环壳体4下端进液阀门8再次注入液体11，直至液体11填满容纳液体11 的空间。

步骤五，待液体11完全渗入聚氨酯泡沫基体后，采用聚氨酯弹性粘结剂对聚氨酯泡沫基体表面进行密封处理形成填充液体的聚氨酯层2。

组装时，根据对爆炸物的当量计算确定复合防爆结构的层数，层数为偶数，重复上述步骤制备多层液体层1和填充液体的聚氨酯层2，填充液体的聚氨酯层2与液体层1间隔套装，最内层为填充液体的聚氨酯层2，最外层为液体层1。

制备多层液体层1和填充液体的聚氨酯层2不分先后顺序。

也可以将多孔内衬套6与多孔外衬套5竖直放置，中心轴与地面垂直，倒置时将由多孔内外衬套、圆柱环壳体4以及两端玻璃盖体7形成的装置上下颠倒。此时两个阀门设置在圆柱环壳体4上、下两端。阀门既可作为进液阀门8，也可作为出气阀门3。

验证填充液体的聚氨酯层2作为防爆材料13的效果，如图4所示，爆炸物 TNT12半径2mm，聚氨酯长64mm×宽12mm，液体长64mm×宽4.2mm，填充液体的聚氨酯长64mm×宽12mm；测试点A、B、C与爆炸物TNT12中心的竖直距离为60mm，其中B点和爆炸物TNT12中心一同位于仿真布局的中轴线处，A、C分别位于中轴线左右两侧，距中轴线32mm。

本仿真只作为材料的防爆性能的定性分析，不考虑垂直于截面的厚度方向的影响，利用二维平面模型仿真计算，通过仿真测试对比了填充液体的聚氨酯、聚氨酯、液体的防爆效果。仿真计算针对空气域14中的测试点A、B、C处的冲击波超压进行分析，仿真结果如图5～图7所示。

在测试点A、B、C处，聚氨酯材料对应的冲击波超压分别为655KPa、602KPa、673KPa，液体对应的超压分别为461KPa、500KPa、615KPa，填充液体的聚氨酯对应的超压为164KPa、168KPa、259KPa。与未填充液体的聚氨酯材料相比较，可知填充液体后，复合材料可延迟冲击波到达测试点的时间，并且削波效果有了大幅度的提升；另外，与同质量的液体相比，双介质复合形式对冲击波削弱能力更强(可提高56％以上)，提升了爆炸防护效率。

另外，对单层填充液体的聚氨酯/液体结构进行了125gTNT的爆炸实验测试，同时与无防护的空爆实验进行对比，如图8(a)、图8(b)所示，利用高速摄影仪拍摄有无防护在爆炸后5ms的瞬时画面，画面显示本发明的复合防爆结构对火焰抑制效果明显，距爆炸物TNT中心1m处的超压峰值下降70％以上(0.02MPa 以下)，因此认为本发明的一种聚氨酯/液体双介质复合防爆结构对简易爆炸物可实现有效的冲击波抑制作用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构，其特征在于，所述复合防爆结构包括一组以上依次层叠的复合防爆单元，所述复合防爆单元包括填充液体的聚氨酯层和液体层，所形成的复合防爆结构中填充液体的聚氨酯层和液体层间隔设置；使用时距离爆炸物最近的一层为所述复合防爆结构的填充液体的聚氨酯层。

2.如权利要求1所述的基于聚氨酯/液体的复合防爆结构，其特征在于，所述复合防爆单元为环形结构，从内向外填充液体的聚氨酯层和液体层依次间隔设置；防爆时，所述爆炸物位于所述环形结构内部。

3.如权利要求1或2所述的基于聚氨酯/液体的复合防爆结构，其特征在于，所述填充液体的聚氨酯层的聚氨酯泡沫基体内部含有70％以上开孔结构。

4.一种基于聚氨酯/液体的复合防爆结构制备方法，其特征在于，所制备的复合防爆结构为环形复合防爆结构；所述复合防爆结构制备方法步骤如下：

制备液体层时，将液体注入密封袋形成圆柱环液体层；

制备填充液体的聚氨酯层时，步骤一，将圆柱环状的聚氨酯泡沫基体放置在多孔内衬套与多孔外衬套之间，所述多孔外衬套外套装圆柱环壳体，两端端面由透明盖体封闭；所述多孔外衬套外圆周、圆柱环壳体内圆周以及两端透明盖体之间形成注入液体的空间；

步骤二，对多孔内衬套中空部分抽真空；

步骤三，由圆柱环壳体下端注入液体，直至液体填满所述空间；

步骤四，待液体渗入聚氨酯泡沫基体后，对聚氨酯泡沫基体表面进行密封处理形成填充液体的聚氨酯层；

组装时，根据对爆炸物的当量计算确定复合防爆结构的层数，层数为偶数，重复上述步骤制备多层液体层和填充液体的聚氨酯层，填充液体的聚氨酯层与液体层间隔套装，最内层为填充液体的聚氨酯层，最外层为液体层。

5.如权利要求4所述的基于聚氨酯/液体的复合防爆结构制备方法，其特征在于，所述步骤一中注入液体的具体方法为：利用压力水枪将液体通过密封袋表面的进液阀门注入密封袋内部，同时打开出气阀门，待液体填充至指定质量后，关闭两个阀门。

6.如权利要求4所述的基于聚氨酯/液体的复合防爆结构制备方法，其特征在于，步骤四中进一步包括，待液体渗入聚氨酯泡沫基体设定时间后，将由多孔内外衬套、圆柱环壳体以及两端透明盖体形成的装置倒置，由圆柱环壳体下端再次注入液体，直至液体填满所述空间。

7.如权利要求6所述的基于聚氨酯/液体的复合防爆结构制备方法，其特征在于，所述多孔内衬套与多孔外衬套水平放置，中心轴与地面平行，倒置时将由多孔内外衬套、圆柱环壳体以及两端透明盖体形成的装置绕中心轴旋转180°。

8.如权利要求6所述的基于聚氨酯/液体的复合防爆结构制备方法，其特征在于，所述多孔内衬套与多孔外衬套竖直放置，中心轴与地面垂直，倒置时将由多孔内外衬套、圆柱环壳体以及两端透明盖体形成的装置上下颠倒。

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