本發(fā)明公開(kāi)了一種非金屬阻隔防爆材料及其制備方法，屬于抑爆材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

燃料等易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，極易受到靜電、槍擊、碰撞等外界能量的作用而引起燃燒與爆炸，這往往造成重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。其在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的安全性，一直是抑爆研究的重大課題。抑爆材料將空間分成若干“小室”或“腔體”，可以有效遏制火焰的傳播，使燃爆壓力波急劇衰減，而材料的高比表面積可以吸收和傳導(dǎo)大量熱能，破壞燃燒介質(zhì)的爆炸條件，以此降低火焰燃燒速度，從而防止設(shè)備的爆炸，保證燃料等易燃易爆品安全使用和儲(chǔ)運(yùn)。

目前廣泛使用的阻隔防爆材料為非金屬類(lèi)和金屬合金兩大類(lèi)。隨著易燃易爆類(lèi)液體在各領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多，這類(lèi)液體性質(zhì)各異，有些具有較強(qiáng)的腐蝕性。比如，近年來(lái)開(kāi)發(fā)的甲醇、乙醇汽油在生活中得到廣泛應(yīng)用，但甲醇在生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)中可能會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化生成的甲酸等有機(jī)酸對(duì)長(zhǎng)期浸泡在液體中的金屬抑爆材料表面造成腐蝕，而表面被腐蝕后的抑爆材料其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能都將大大降低，會(huì)產(chǎn)生碎屑和鋁繡，從而堵塞油路管道。作為一種新型的阻隔防爆材料，非金屬材料具有價(jià)格低、使用周期長(zhǎng)、質(zhì)量輕、防氧化等金屬材料無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，已在石油化工、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前常用的多孔非金屬抑爆材料主要為聚氨酯泡沫材料和陶瓷材料，兩者研究和應(yīng)用都較為廣泛。其中聚氨酯泡沫材料耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，密度低，耐油性好，導(dǎo)熱系數(shù)小，可塑性強(qiáng)，但其使用受到季節(jié)的制約，使用壽命短，使用過(guò)程中易出現(xiàn)水解，需定期更換，防水性不佳；而陶瓷材料耐腐蝕性強(qiáng)，傳質(zhì)效率高，不易變形，物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，但其不可避免的還存在脆性大，孔徑大小和形狀無(wú)法精確控制等問(wèn)題。

因此，為更好地維護(hù)人民的生產(chǎn)、生活安全，尋找一種性質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)械性能優(yōu)異，使用壽命長(zhǎng)，不易被腐蝕的高性能阻隔防爆材料是人們追求的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)傳統(tǒng)非金屬阻隔防爆材料物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性與機(jī)械性能無(wú)法協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在使用過(guò)程中易出現(xiàn)失效的問(wèn)題，提供了一種非金屬阻隔防爆材料及其制備方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種非金屬阻隔防爆材料，其特征在于：是由以下重量份數(shù)的原料組成：80～100份中空螺旋纖維，10～15份改性玻璃纖維，8～10份炭質(zhì)溶膠-凝膠，20～40份發(fā)泡材料；

所述的非金屬阻隔防爆材料具體制備步驟如下：

（1）中空螺旋纖維：按重量份數(shù)計(jì)，依次將4～6份聚乙烯醇，6～8份殼聚糖，10～20份谷朊粉，0.1～0.3份海藻酸鈉倒入100～120份水中，攪拌溶脹30～45min后，加熱攪拌20～40min，待自然冷卻至室溫，得紡絲液，再經(jīng)高壓靜電紡絲，得復(fù)合纖維，并將所得復(fù)合纖維分散于乙醇溶液中，再向乙醇溶液中滴加復(fù)合纖維質(zhì)量0.8～1.0倍的正硅酸乙酯，待滴加完畢，靜置陳化4～8h，再經(jīng)過(guò)濾，得改性復(fù)合纖維，隨后將改性復(fù)合纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，緩慢升溫炭化后，出料，得中空螺旋纖維；

（2）改性玻璃纖維：按重量份數(shù)計(jì)，將20～40份納米二氧化硅、10～20份偶聯(lián)劑和80～100份乙醇溶液混合反應(yīng)，得改性納米二氧化硅，再將所得改性納米二氧化硅與無(wú)水乙醇按質(zhì)量比為1：90～1：100超聲分散，得改性納米二氧化硅分散液，將玻璃纖維與改性納米二氧化硅分散液按質(zhì)量比為1：6～1：10混合浸漬，再將浸漬后的玻璃纖維干燥至恒重，得改性玻璃纖維；所述的玻璃纖維為連續(xù)纖維；

（3）炭質(zhì)溶膠-凝膠：將石油焦粉與混合酸液按質(zhì)量比為1：1.2～1：1.8混合攪拌反應(yīng)30～60min，得混合液，再按質(zhì)量比為1：2～1：5將所得混合液分散于乙二醇中，得炭質(zhì)溶膠-凝膠；

（4）非金屬阻隔防爆材料：將炭質(zhì)溶膠-凝膠依次噴灑于中空螺旋纖維及改性玻璃纖維表面，并自然晾干，再將發(fā)泡材料網(wǎng)化處理加工形成蜂窩狀芯體，并依次用噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的改性玻璃纖維和噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的中空螺旋纖維纏繞蜂窩狀芯體外表面，得包覆芯體，最后將包覆芯體移入模具中，用發(fā)泡材料對(duì)包覆芯體外表面進(jìn)行包裹，形成包覆層，經(jīng)定型后即得非金屬阻隔防爆材料。

所述的發(fā)泡材料為聚異氰脲酸酯、聚氨酯或聚乙二醇醚中的一種。

步驟（1）所述的緩慢升溫炭化條件為：于炭化爐中，以40～80ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以0.1～0.4℃/min速率程序升溫至380～400℃，保溫炭化2～4h后，繼續(xù)以0.3～0.8℃/min速率程序升溫至800～1000℃，保溫炭化3～5h后，隨爐冷卻至室溫。

步驟（2）所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑kh-550、硅烷偶聯(lián)劑kh-560或硅烷偶聯(lián)劑kh-570中的一種。

步驟（3）所述的混合酸液是由以下重量份數(shù)的原料混合而成：10～20份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%硫酸溶液，20～30份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%硝酸溶液，30～40份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%雙氧水，4～8份高錳酸鉀。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明首先以聚乙烯醇、殼聚糖和谷朊粉為纖維內(nèi)芯，經(jīng)紡絲制得復(fù)合纖維，利用復(fù)合纖維的多羥基特性吸附正硅酸乙酯水解產(chǎn)生的納米二氧化硅，再通過(guò)緩慢升溫炭化，使復(fù)合纖維發(fā)生脫水和有機(jī)物分解，形成中空殼層支撐結(jié)構(gòu)，在后續(xù)升溫過(guò)程中，纖維沿收到剪切應(yīng)力的面蔓延形成螺旋結(jié)構(gòu)，以釋放應(yīng)力，從而制得中空螺旋纖維，并以此作為產(chǎn)品骨架，在抑爆過(guò)程中，骨架崩裂和纖維斷裂的空間可以吸收壓力波，達(dá)到抑爆效果；

（2）本發(fā)明通過(guò)添加少量納米二氧化硅改性的玻璃纖維，納米二氧化硅改性后，玻璃纖維表面粗糙度增加，從而提高玻璃纖維與中空螺旋纖維的咬合度，使兩者有效結(jié)合，提高產(chǎn)品韌性等機(jī)械性能，且所用原料耐腐蝕性好，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可避免產(chǎn)品在使用過(guò)程中失效；

（3）本發(fā)明通過(guò)添加炭質(zhì)溶膠-凝膠，一方面其中的超細(xì)多孔炭質(zhì)成分會(huì)滲透進(jìn)入中空螺旋纖維與玻璃纖維間隙中，在其中所含強(qiáng)氧化性物質(zhì)的催化下，使發(fā)泡材料和中空螺旋纖維及玻璃纖維接觸面活性基團(tuán)發(fā)生脫水縮合，形成有機(jī)整體，從而提高產(chǎn)品使用壽命，另一方面，多孔結(jié)構(gòu)的炭質(zhì)成分的存在能有效提高材料的比表面積，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的抑爆性能。

具體實(shí)施方式

按重量份數(shù)計(jì)，依次將4～6份聚乙烯醇，6～8份殼聚糖，10～20份谷朊粉，0.1～0.3份海藻酸鈉倒入盛有100～120份溫度為20～25℃水的燒杯中，用玻璃棒攪拌溶脹30～45min后，將燒杯移入水浴鍋中，于溫度為85～90℃條件下，加熱攪拌20～40min，待自然冷卻至室溫，得紡絲液，再將所得紡絲液轉(zhuǎn)入高壓靜電紡絲機(jī)，于紡絲電壓為20～22kv，溫度為32～38℃，推進(jìn)速度為0.3～0.5mm/s，接受距離為8～10cm條件下，靜電紡絲，得復(fù)合纖維，并將所得復(fù)合纖維與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80～85%乙醇溶液按質(zhì)量比為1：20～1：40混合，以40khz頻率超聲分散20～40min，再向乙醇溶液中滴加復(fù)合纖維質(zhì)量0.8～1.0倍的正硅酸乙酯，待滴加完畢，靜置陳化4～8h，再經(jīng)過(guò)濾，得改性復(fù)合纖維，隨后將改性復(fù)合纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，以40～80ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以0.1～0.4℃/min速率程序升溫至380～400℃，保溫炭化2～4h后，繼續(xù)以0.3～0.8℃/min速率程序升溫至800～1000℃，保溫炭化3～5h后，隨爐冷卻至室溫，出料，得中空螺旋纖維；按重量份數(shù)計(jì)，將20～40份納米二氧化硅、10～20份偶聯(lián)劑和80～100份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40～60%乙醇溶液混合反應(yīng)，得改性納米二氧化硅，再將所得改性納米二氧化硅與無(wú)水乙醇按質(zhì)量比為1：90～1：100超聲分散，得改性納米二氧化硅分散液，將玻璃纖維與改性納米二氧化硅分散液按質(zhì)量比為1：6～1：10混合浸漬，再將浸漬后的玻璃纖維轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，得改性玻璃纖維；所述的玻璃纖維為連續(xù)纖維；按重量份數(shù)計(jì)，將10～20份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%硫酸溶液，20～30份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%硝酸溶液，30～40份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%雙氧水，4～8份高錳酸鉀混合均勻，得混合酸液，再將目數(shù)為325～500目的石油焦粉與混合酸液按質(zhì)量比為1：1.2～1：1.8混合攪拌反應(yīng)30～60min，得混合液，隨后按質(zhì)量比為1：2～1：5將所得混合液分散于乙二醇中，得炭質(zhì)溶膠-凝膠；按重量份數(shù)計(jì)，依次取80～100份中空螺旋纖維，10～15份改性玻璃纖維，8～10份炭質(zhì)溶膠-凝膠，20～40份發(fā)泡材料，將中空螺旋纖維與改性玻璃纖維分別均勻平鋪于托盤(pán)中，通過(guò)噴壺將炭質(zhì)溶膠-凝膠噴灑于中空螺旋纖維及改性玻璃纖維表面，并自然晾干，再將發(fā)泡材料網(wǎng)化處理加工形成蜂窩狀芯體，并依次用噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的改性玻璃纖維和噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的中空螺旋纖維纏繞蜂窩狀芯體外表面，得包覆芯體，最后將包覆芯體移入模具中，用發(fā)泡材料對(duì)包覆芯體外表面進(jìn)行包裹，形成包覆層，經(jīng)定型后即得非金屬阻隔防爆材料。所述的發(fā)泡材料為聚異氰脲酸酯、聚氨酯或聚乙二醇醚中的一種。所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑kh-550、硅烷偶聯(lián)劑kh-560或硅烷偶聯(lián)劑kh-570中的一種。

實(shí)例1

按重量份數(shù)計(jì)，依次將4份聚乙烯醇，6份殼聚糖，10份谷朊粉，0.1份海藻酸鈉倒入盛有100份溫度為20℃水的燒杯中，用玻璃棒攪拌溶脹30min后，將燒杯移入水浴鍋中，于溫度為85℃條件下，加熱攪拌20min，待自然冷卻至室溫，得紡絲液，再將所得紡絲液轉(zhuǎn)入高壓靜電紡絲機(jī)，于紡絲電壓為20kv，溫度為32℃，推進(jìn)速度為0.3mm/s，接受距離為8cm條件下，靜電紡絲，得復(fù)合纖維，并將所得復(fù)合纖維與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%乙醇溶液按質(zhì)量比為1：20混合，以40khz頻率超聲分散20min，再向乙醇溶液中滴加復(fù)合纖維質(zhì)量0.8倍的正硅酸乙酯，待滴加完畢，靜置陳化4h，再經(jīng)過(guò)濾，得改性復(fù)合纖維，隨后將改性復(fù)合纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，以40ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以0.1℃/min速率程序升溫至380℃，保溫炭化2h后，繼續(xù)以0.3℃/min速率程序升溫至800℃，保溫炭化3h后，隨爐冷卻至室溫，出料，得中空螺旋纖維；按重量份數(shù)計(jì)，將20份納米二氧化硅、10份偶聯(lián)劑和80份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%乙醇溶液混合反應(yīng)，得改性納米二氧化硅，再將所得改性納米二氧化硅與無(wú)水乙醇按質(zhì)量比為1：90超聲分散，得改性納米二氧化硅分散液，將玻璃纖維與改性納米二氧化硅分散液按質(zhì)量比為1：6混合浸漬，再將浸漬后的玻璃纖維轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥至恒重，得改性玻璃纖維；所述的玻璃纖維為連續(xù)纖維；按重量份數(shù)計(jì)，將10份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%硫酸溶液，20份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%硝酸溶液，30份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%雙氧水，4份高錳酸鉀混合均勻，得混合酸液，再將目數(shù)為325目的石油焦粉與混合酸液按質(zhì)量比為1：1.2混合攪拌反應(yīng)30min，得混合液，隨后按質(zhì)量比為1：2將所得混合液分散于乙二醇中，得炭質(zhì)溶膠-凝膠；按重量份數(shù)計(jì)，依次取80份中空螺旋纖維，10份改性玻璃纖維，8份炭質(zhì)溶膠-凝膠，20份發(fā)泡材料，將中空螺旋纖維與改性玻璃纖維分別均勻平鋪于托盤(pán)中，通過(guò)噴壺將炭質(zhì)溶膠-凝膠噴灑于中空螺旋纖維及改性玻璃纖維表面，并自然晾干，再將發(fā)泡材料網(wǎng)化處理加工形成蜂窩狀芯體，并依次用噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的改性玻璃纖維和噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的中空螺旋纖維纏繞蜂窩狀芯體外表面，得包覆芯體，最后將包覆芯體移入模具中，用發(fā)泡材料對(duì)包覆芯體外表面進(jìn)行包裹，形成包覆層，經(jīng)定型后即得非金屬阻隔防爆材料。所述的發(fā)泡材料為聚異氰脲酸酯。所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑kh-550。

實(shí)例2

按重量份數(shù)計(jì)，依次將6份聚乙烯醇，8份殼聚糖，20份谷朊粉，0.3份海藻酸鈉倒入盛有120份溫度為25℃水的燒杯中，用玻璃棒攪拌溶脹45min后，將燒杯移入水浴鍋中，于溫度為90℃條件下，加熱攪拌40min，待自然冷卻至室溫，得紡絲液，再將所得紡絲液轉(zhuǎn)入高壓靜電紡絲機(jī)，于紡絲電壓為22kv，溫度為38℃，推進(jìn)速度為0.5mm/s，接受距離為10cm條件下，靜電紡絲，得復(fù)合纖維，并將所得復(fù)合纖維與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%乙醇溶液按質(zhì)量比為1：40混合，以40khz頻率超聲分散40min，再向乙醇溶液中滴加復(fù)合纖維質(zhì)量1.0倍的正硅酸乙酯，待滴加完畢，靜置陳化8h，再經(jīng)過(guò)濾，得改性復(fù)合纖維，隨后將改性復(fù)合纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，以80ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以0.4℃/min速率程序升溫至400℃，保溫炭化4h后，繼續(xù)以0.8℃/min速率程序升溫至1000℃，保溫炭化5h后，隨爐冷卻至室溫，出料，得中空螺旋纖維；按重量份數(shù)計(jì)，將40份納米二氧化硅、20份偶聯(lián)劑和100份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%乙醇溶液混合反應(yīng)，得改性納米二氧化硅，再將所得改性納米二氧化硅與無(wú)水乙醇按質(zhì)量比為1：100超聲分散，得改性納米二氧化硅分散液，將玻璃纖維與改性納米二氧化硅分散液按質(zhì)量比為1：10混合浸漬，再將浸漬后的玻璃纖維轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥至恒重，得改性玻璃纖維；所述的玻璃纖維為連續(xù)纖維；按重量份數(shù)計(jì)，將20份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%硫酸溶液，30份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%硝酸溶液，40份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%雙氧水，8份高錳酸鉀混合均勻，得混合酸液，再將目數(shù)為500目的石油焦粉與混合酸液按質(zhì)量比為1：1.8混合攪拌反應(yīng)60min，得混合液，隨后按質(zhì)量比為1：5將所得混合液分散于乙二醇中，得炭質(zhì)溶膠-凝膠；按重量份數(shù)計(jì)，依次取100份中空螺旋纖維，15份改性玻璃纖維，10份炭質(zhì)溶膠-凝膠，40份發(fā)泡材料，將中空螺旋纖維與改性玻璃纖維分別均勻平鋪于托盤(pán)中，通過(guò)噴壺將炭質(zhì)溶膠-凝膠噴灑于中空螺旋纖維及改性玻璃纖維表面，并自然晾干，再將發(fā)泡材料網(wǎng)化處理加工形成蜂窩狀芯體，并依次用噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的改性玻璃纖維和噴灑炭質(zhì)溶膠-凝膠后的中空螺旋纖維纏繞蜂窩狀芯體外表面，得包覆芯體，最后將包覆芯體移入模具中，用發(fā)泡材料對(duì)包覆芯體外表面進(jìn)行包裹，形成包覆層，經(jīng)定型后即得非金屬阻隔防爆材料。所述的發(fā)泡材料為聚乙二醇醚中。所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑kh-560。

實(shí)例3（對(duì)比例1）

采用市售球形非金屬阻隔防爆材料

實(shí)例4（對(duì)比例2）

采用市售網(wǎng)狀金屬鋁合金阻隔防爆材料

分別將實(shí)例1至4所得產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測(cè)，具體檢測(cè)方法如下所述：

1.激波管試驗(yàn)：根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《aq3001-2005》（汽車(chē)加油/氣站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣-汽車(chē)罐車(chē)用阻隔防爆儲(chǔ)罐技術(shù)要求），采用一維水平激波管測(cè)量，試驗(yàn)中油蒸汽濃度為4.5%，點(diǎn)火能量約為100j；

2.等效靜爆試驗(yàn)：采用5l油箱，油箱中裝填3l10#軍用汽油，起爆裝置為發(fā)雷管引爆10g海薩爾-3型高能炸藥，起爆能量約為56000j，用高速照相系統(tǒng)和紅外成像系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

具體檢測(cè)結(jié)果如表1所示：

由表1檢測(cè)結(jié)果可知，本發(fā)明所得產(chǎn)品與市售產(chǎn)品均具有優(yōu)異的阻隔防爆效果，且本發(fā)明所得產(chǎn)品機(jī)械性能較常規(guī)市售產(chǎn)品有所提高。