CN116692896A - 一种缓冲气囊多孔固体填充剂及其应用 - Google Patents

一种缓冲气囊多孔固体填充剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种缓冲气囊多孔固体填充剂，所述固体填充剂为固态分子筛，所述分子筛的粒径为50nm‑50μm。本发明创新性地提出了气‑固两相填充的概念，提出在气囊中添加分子筛粉末，利用分子筛对气体分子的吸附‑释放来使缓冲气囊具备更好的缓冲效果。本发明制备的分子筛，按照质量体积比为50g：10L的比例填充气囊后，以一定冲击力（冲击动能为：240 J）冲击，气囊内部压力极值为570‑1250N，优选为570‑990N。

Description

一种缓冲气囊多孔固体填充剂及其应用
技术领域
本发明涉及一种缓冲气囊多孔固体填充剂，属于缓冲气囊技术领域。
背景技术
缓冲气囊是一种常用的动能消减装置，它能有效降低碰撞设备之间的作用力，以保护设备内外结构的安全。由于缓冲气囊重量轻、折叠体积小、成本低、易携带等优点，使其在日常生活、工农业生产、科学研究及军工领域均有广泛应用。例如，很多运动鞋都会在鞋底填充“气垫”来降低人体在跳跃-落地过程中地面对人体的冲击力；汽车中会使用“安全气囊”来缓冲车辆撞击过程中撞击力对人体的伤害；航天器登录月球、火星时使用安全气囊来降低降落过程中航天器与星球表面发生碰撞的冲击力；另外，无人机回收、飞行器降落、轮船靠岸等减速、碰撞过程中为避免冲击力对设备的损伤，通常也是使用安全气囊来提供缓冲保护。
缓冲气囊对设备的保护是基于动能定理（ΔEk=∫F·dS，其中ΔEk是设备减速过程需要释放的动能，F是减速过程设备受到的冲击力，S是减速距离）的原理进行工作的。其工作原理是通过气囊的受迫压缩来延长减速距离S，以此降低受保护设备所受到的冲击力F。在气囊的受迫压缩过程中，根据理想气体状态方程（PV=nRT，其中P为气囊内部压强，V为气囊体积，n为气囊内填充的气体摩尔数，R为理想气体状态常数，T为绝对温度），随着气囊体积V的压缩，其内部压强P逐渐增大，从而产生一个反向推力使设备减速。可见，气囊内部气体的压强变化曲线能够直接反应受保护设备的受力曲线，该曲线的极值大小、波动情况、平滑度等会直接影响受保护设备的受损程度。因此理论上讲，缓冲气囊的体积越大，压强P的曲线极值就越小，波动也越加平滑，被保护组件受损越弱。但是在很多实际应用中，受设备空间限制，缓冲气囊体积不可能做到无限大；在一些特殊应用领域（如航空航天领域），缓冲气囊的重量也受到严格限制。
根据设计结构，目前普遍使用的气囊一般分为封闭式气囊和排气式气囊。
封闭式气囊是应用最早、结构最简单的气囊。封闭式气囊工作时，气囊内部气体受到挤压后体积减小导致压强增大，增大的压强可以有效抵消碰撞过程中产生的冲击力，使受保护设备在减速过程中受到的作用力-时间曲线更加平滑。根据理想气体状态方程，封闭式气囊其内部填充的气体摩尔数为恒定数值，在一定温度下，压强P与气囊体积V的倒数成正比。封闭式气囊的优点是结构简单、成本低、重量轻、重复利用率高等。然而，封闭式气囊由于内部压强P只受体积V的倒数影响，因此在一些高强度冲击环境下，为避免触底，气囊体积一般被设计的非常大，而且封闭式气囊在压缩-膨胀-压缩的循环过程中，压力的变化呈现出相对比较尖锐的波动性，致使设备发生反弹、倾覆等不良现象。
为解决封闭式气囊体积大、压力波动大的缺点，人们设计了排气式气囊。在工作过程中，当气囊受到较大压力时，内置的压力传感器会启动排气孔，将一部分气体排出气囊，在这个过程中，被气囊保护的设备所受的冲击力变化会更加平滑，受到的伤害更低。根据理想气体状态方程，气囊压强P同时受到气囊体积V和内部气体摩尔数n的影响，因此排气式气囊压力曲线更加平滑、波动性小。然而，排气式气囊由于增加了压力传感装置、阀门控制单元、供电单元等复杂结构，其重量、待机体积及成本都要大于封闭式气囊。而且排气式气囊的排气方式是单向的，由于气体介质的损耗，因此在一个工作周期内，排气式气囊基本是无法重复使用的。
综上所述，封闭式气囊缺点是：①气囊体积巨大；②压力曲线尖锐，极值大，导致被保护组件受到的冲击力较大；③压力曲线波动性大，回弹大，导致被保护组件容易发生回弹，造成的倾覆、侧翻危险；排气式气囊缺点是：①结构复杂，组件多、重量大；②成本高；③介质损耗，不易重复使用。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种缓冲气囊多孔固体填充剂，实现以下发明目的：降低缓冲气囊的压力极值，降低碰撞过程中设备受到的冲击力；降低缓冲气囊的压力波动，减少设备回弹造成的倾覆、侧翻危险；降低缓冲气囊的体积。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种缓冲气囊多孔固体填充剂，所述固体填充剂为固态分子筛，所述分子筛的粒径为50nm-50μm。
所述固态分子筛的类型为ZSM-5、13X、β或MCM-41型分子筛中的一种。
所述固态分子筛的比表面积为319.1-890.5 m2·g-1。
所述制备方法为将模板剂水溶液或矿化剂水溶液中加入可溶性含氟化合物、铝源，搅拌得到透明澄清溶液，再加入硅源后，搅拌1-3h，然后在90-180℃下晶化47-49h，所得产物经洗涤、过滤、干燥、煅烧得到分子筛。
所述模板剂水溶液的质量浓度为5-25%；所述矿化剂水溶液的质量浓度为10-12%；所述含氟化合物与水的摩尔比为0～0.03：1；所述铝源、硅源、水的摩尔比为0～0.05:1：10～100。
所述模板剂为四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵、三乙胺、四乙基氢氧化铵或十六烷基三甲基溴化铵；所述矿化剂为氢氧化钠。
所述含氟化合物为氢氟酸、氟化钠或氟化铵；所述铝源为偏铝酸钠、异丙醇铝、硫酸铝；所述硅源为气相二氧化硅、九水偏硅酸钠或正硅酸乙酯。
所述干燥的条件为84-86℃干燥3.5-4.5h；所述煅烧的条件为548-552℃煅烧5.8-6.2h。
所述的固体填充剂在缓冲气囊中的应用，将固体填充剂填充在缓冲气囊中。
所述固体填充剂在缓冲气囊中的填充量为5-10 g/L。
优选的 技术方案为：所述固态分子筛的类型为ZSM-5、13X、β型分子筛中的一种；所述固态分子筛的粒径为50nm-50μm，当采用上述固态分子筛，按照质量体积比为50g：10L的比例填充气囊后，以一定冲击力（冲击动能为：240 J）冲击，气囊内部压力极值为570-990N。
分子筛是一种具有规则孔道的无机硅铝酸盐，由于它具有非常大的比表面积（通常为300-1000 m2/g），因此它对气体分子具有很强的吸附能力，而且吸附量是随着压强的增大而增大的。本发明创新性地将分子筛添加到缓冲气囊内部，利用分子筛对气体分子的吸附能力，将气态的自由分子变为“吸附态”的非自由分子，以此来降低气囊内缓冲气体的气态摩尔数n，使压强P与体积V的倒数呈现出更加平滑的非线性关系。而当缓冲压力变小的时候，分子筛又可以释放被吸附的气体分子来降低压力曲线的波动性。可以认为，分子筛的添加增大了缓冲气囊的“虚拟体积”，使气囊能够提供的缓冲力极值更小，而且压力曲线更加平滑，波动更小。
与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：
（1）本发明将多孔分子筛材料加入到缓冲气囊之中，制备出了具有气体-固体两相介质的新型缓冲气囊。该气-固两相缓冲气囊是利用分子筛极大的比表面积对气体分子的强吸附作用，为缓冲气囊提供一个“虚拟体积”或“摩尔数缓冲”效果：当气囊内压强急速增大时，分子筛表面吸附的气体分子数增加，导致气囊内自由态的气体分子数减少，使囊内气压减小；当气囊内压强急速减小时，分子筛又会释放一部分表面吸附的气体分子，使自由态气体分子数增加，使囊内气压增大。这种以分子筛表面吸附来控制气囊内部气态分子摩尔数的新思路解决了封闭式气囊体积巨大、压力曲线尖锐和波动性大的缺点。
（2）本发明的应用领域可以（但不限于）以下领域：
可以用作运动鞋缓冲气垫以减少奔跑、下落时地面冲击力对人体的伤害；
可以用作汽车安全气囊以改善交通事故发生时安全气囊的缓冲效果；
可以用作飞行器回收时减速过程、着地过程的缓冲气囊，减少飞行器受到的冲击力；
可以用作船舶缓冲气囊，以减少船舶在靠岸、意外碰撞过程中受到的冲击力。
（3）传统缓冲气囊的内部填充物均为纯气态填充，本发明创新性地提出了气-固两相填充的概念，提出在气囊中添加分子筛粉末，利用分子筛对气体分子的吸附-释放来使缓冲气囊具备更好的缓冲效果。
（4）（4）本发明制备的分子筛，按照质量体积比为50g：10L的比例填充气囊后，以一定冲击力（冲击动能为：240 J）冲击，气囊内部压力极值为570-1250N，优选为570-990N，可以降低碰撞过程中设备受到的冲击力；同时缓冲气囊的压力波动，减少设备回弹造成的倾覆、侧翻危险。
附图说明
图1为缓冲气囊压力曲线的测定原理图；
图2为实施例1-6制备的不同粒径的ZSM-5型分子筛的扫描电子显微镜（SEM）图像；
图3为实施例1-6制备的不同粒径的ZSM-5型分子筛的X射线衍射（XRD）图谱；
图4为本发明实施例1-6所述ZSM-5型分子筛填充气囊后的内部压力曲线图；
图5为本发明实施例3所述ZSM-5型分子筛和与石英砂分别填充气囊后的内部压力曲线图；
图6为本发明实施例3制备的ZSM-5型分子筛填充气囊后，以不同动能冲击得到的气囊内部压力曲线图；
图7为本发明实施例3制备的ZSM-5型分子筛以不同的质量体积比填充气囊后的气囊内部压力曲线图。
具体实施方式
实施例1
将10 g四丙基氢氧化铵水溶液（TPAOH，质量浓度：25%）与40 g去离子水混合均匀，加入5.3 g气相二氧化硅，搅拌1 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于180℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后置于550℃马弗炉中煅烧6 h去除模板剂，最终得到粒径约为50 nm的ZSM-5分子筛样品。
实施例2
将10 g四丙基氢氧化铵水溶液（TPAOH，质量浓度：25%）与40 g去离子水混合均匀，加入0.05 g氢氟酸（HF，质量浓度40%），加入0.01 g偏铝酸钠搅拌1 h后获得澄清溶液，再加入5.3 g气相二氧化硅，搅拌1 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于180℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后置于550℃马弗炉中煅烧6 h去除模板剂，最终得到粒径约为100 nm的ZSM-5分子筛样品。
实施例3
将20 g四丙基氢氧化铵水溶液（TPAOH，质量浓度：25%）与30 g去离子水混合均匀，加入0.06 g氟化钠，加入0.02 g偏铝酸钠搅拌1 h后获得澄清溶液，再加入5.3 g气相二氧化硅，搅拌1 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于180℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后置于550℃马弗炉中煅烧6 h去除模板剂，最终得到粒径约为1 μm的ZSM-5分子筛样品。
实施例4
将30 g四丙基氢氧化铵水溶液（TPAOH，质量浓度：25%）与20 g去离子水混合均匀，加入0.5 g氟化铵，加入0.12 g偏铝酸钠搅拌1 h后获得澄清溶液，再加入5.3 g气相二氧化硅，搅拌1 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于180℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后置于550℃马弗炉中煅烧6 h去除模板剂，最终得到粒径约为10 μm的ZSM-5分子筛样品。
实施例5
将40 g四丙基氢氧化铵水溶液（TPAOH，质量浓度：25%）与10 g去离子水混合均匀，加入1.3 g氟化铵，加入0.24 g偏铝酸钠搅拌1 h后获得澄清溶液，再加入5.3 g气相二氧化硅，搅拌1 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于180℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后置于550℃马弗炉中煅烧6 h去除模板剂，最终得到粒径约为20 μm的ZSM-5分子筛样品。
实施例6
将50 g四丙基氢氧化铵水溶液（TPAOH，质量浓度：25%）中加入2.3 g氟化铵，加入0.36g偏铝酸钠搅拌1 h后获得澄清溶液，再加入5.3 g气相二氧化硅，搅拌1 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于180℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后置于550℃马弗炉中煅烧6 h去除模板剂，最终得到粒径约为50 μm的ZSM-5分子筛样品。
实施例7
将5.5 g氢氧化钠溶于50 g去离子水中，加入0.07 g偏铝酸钠后搅拌1 h，然后加入8.5 g九水偏硅酸钠搅拌3 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于90℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后在550℃马弗炉中煅烧6 h，最终得到粒径约为1 μm的13X分子筛样品。
实施例8
将6 g四乙基氢氧化铵水溶液（TEAOH，质量浓度20%）与14 g去离子水混合均匀，加入0.4 g偏铝酸钠搅拌1 h后加入6 g气相二氧化硅搅拌3 h，转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于150℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后在550℃马弗炉中煅烧6 h，最终得到粒径约为1 μm的β型分子筛样品。
实施例9
将3 g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶于50 g去离子水中，加入0.03 g偏铝酸钠搅拌1 h后加入5.77 g正硅酸乙酯搅拌3 h后转入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于140℃晶化48 h，产物经洗涤、过滤后置于85℃烘箱中干燥4 h，最后在550℃马弗炉中煅烧6 h得到粒径约为1 μm的MCM-41型分子筛样品。
实施例10
将实施例1中的TPAOH换成等摩尔量的TPABr，其他条件不变，最终得到粒径为50nm的ZSM-5型分子筛样品。
实施例11
将实施例1中的TPAOH换成等摩尔量的三乙胺，其他条件不变，最终得到粒径为50nm的ZSM-5型分子筛样品。
实施例12
将实施例2中的偏铝酸钠换成等摩尔量的异丙醇铝，其他条件不变，最终得到粒径为100 nm的ZSM-5型分子筛样品。
实施例13
将实施例2中的偏铝酸钠换成等摩尔量的硫酸铝，其他条件不变，最终得到粒径为100 nm的ZSM-5型分子筛样品。
试验例1 扫描电子显微镜（SEM）图像和X射线衍射（XRD）图谱的测定
将实施例1-6制备的ZSM-5型分子筛，分别进行SEM图像和XRD图谱的测定，结果见图2和图3。
试验例2 比表面积和微孔径测定
实施例1-6制备的6种ZSM-5型分子筛的BET比表面积和微孔径见表1。
表1
试验例3压力曲线测定
为模拟气囊在使用过程中的工作原理，本发明使用具有一定动能的重物高速撞击气囊，在此过程中使用高灵敏度气体压力传感器实时监测气囊内部气体压力变化曲线。由于撞击过程中重物受到气囊的冲击力与气囊内部压力成正比，因此可以用气囊内部的压力曲线来代指重物受到的冲击力曲线，原理图见图1。
实施例1-5制备的粒径分别为50 nm、100 nm、1 μm、10 μm、20 μm、50 μm的ZSM-5型分子筛分别填充气囊，质量体积比50 g：10 L，然后后以一定冲击力（冲击动能为：240 J）冲击后，测定气囊内部压力曲线图，见图4；
普通石英砂（普通石英砂的粒径为1-10 μm，BET比表面积约为小于10 m2/g），按照相同的方法测定压力曲线，结果见图5。
如图4所示，随着分子筛粒径的增大，冲击力曲线图的极值有减小的趋势，这可能是因为大粒径分子筛缺陷更少，孔道更加通透，孔道内部吸附的气体分子对外界压力的高速变化更加敏感。
如图5所示，本发明实施例3制备的分子筛填充后的气囊的冲击压力极值约为700N，明显低于石英砂填充的气囊（极值约为1400 N）。本发明分子筛填充后的缓冲气囊比普通气囊约能减少50%的冲击力。
试验例4不同冲击动能下的压力曲线测定
本发明实施例3制备的ZSM-5型分子筛（1 μm，BET比表面积为324.8 m2/g）填充气囊（质量体积比50 g：10 L）后以不同动能冲击（冲击动能分别为：240 J和160 J），测定气囊内部压力曲线图，从图6中可以看出，填充分子筛后的气囊受到的冲击动能越大，“冲击力极值”：“冲击动能”的比值（分别为2.83 N·J-1和3.88 N·J-1）越小，可见本发明设计的缓冲气囊在越强大的冲击力下的表现越优异。
试验例5不同的填充比例下压力曲线测定
本发明实施例3制备的ZSM-5型分子筛（1 μm，BET比表面积为324.8 m2/g）以不同质量体积比（质量体积比分别为：50g：10L和50g：5L）填充气囊后以一定冲击力（冲击动能为：160 J）冲击后，测定气囊内部压力曲线图，从图7可以看出，气囊体积越小，“冲击力极值”：“质体比”的比值（分别为100 NL·g-1和120 NL·g-1）越小，说明通过在气囊中添加分子筛的手段的确可以在保证缓冲效果的同时，减小气囊体积。
试验例6不同类型分子筛的冲击力极值的比较
实施例1-6制备的ZSM-5型分子筛、实施例7制备的13X型分子筛、实施例8制备的β型分子筛和实施例9制备的MCM-41型分子筛，粒径均为1 μm，以相同质量体积比（质量体积比为：50g：10L）填充气囊后以一定冲击力（冲击动能为：240 J）冲击，气囊内部压力极值数据见表2，从表2中可以看出，作为填充剂的分子筛的性能并非与其比表面积直接相关，而是与其孔道结构相关，冲击力极值由小到大排列为：ZSM-5 、13X 、 β 、 MCM-41。
表2
。

Claims (10)

1.一种缓冲气囊多孔固体填充剂，其特征在于：所述固体填充剂为固态分子筛，所述分子筛的粒径为50nm-50μm。
2.根据权利要求1所述的一种缓冲气囊多孔固体填充剂，其特征在于：所述固态分子筛的类型为ZSM-5、13X、β或MCM-41型分子筛中的一种。
3. 根据权利要求1所述的一种缓冲气囊多孔固体填充剂，其特征在于：所述固态分子筛的比表面积为319.1-890.5 m2·g-1。
4.权利要求1所述固体填充剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法为将模板剂水溶液或矿化剂水溶液中加入可溶性含氟化合物、铝源，搅拌得到透明澄清溶液，再加入硅源后，搅拌1-3h，然后在90-180℃下晶化47-49h，所得产物经洗涤、过滤、干燥、煅烧得到分子筛。
5.权利要求4所述固体填充剂的制备方法，其特征在于：所述模板剂水溶液的质量浓度为5-25%；所述矿化剂水溶液的质量浓度为10-12%；所述含氟化合物与水的摩尔比为0～0.03：1；所述铝源、硅源、水的摩尔比为0～0.05:1：10～100。
6.权利要求4所述固体填充剂的制备方法，其特征在于：所述模板剂为四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵、三乙胺、四乙基氢氧化铵或十六烷基三甲基溴化铵；所述矿化剂为氢氧化钠。
7.权利要求4所述固体填充剂的制备方法，其特征在于：所述含氟化合物为氢氟酸、氟化钠或氟化铵；所述铝源为偏铝酸钠、异丙醇铝、硫酸铝；所述硅源为气相二氧化硅、九水偏硅酸钠或正硅酸乙酯。
8.权利要求4所述固体填充剂的制备方法，其特征在于：所述干燥的条件为84-86℃干燥3.5-4.5h；所述煅烧的条件为548-552℃煅烧5.8-6.2h。
9.权利要求1所述的固体填充剂在缓冲气囊中的应用，其特征在于：将固体填充剂填充在缓冲气囊中。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述固体填充剂在缓冲气囊中的填充量为5-10 g/L。
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