如何解決ZH30B隔絕式化學氧自救器在設計中存在的弊端

化學氧自救器是利用化學藥品（超氧化鉀）生氧反應原理制成的個人呼吸保護裝置。它主要用于煤礦井下發生瓦斯爆炸、煤塵爆炸、火災和瓦斯突出等災害，造成環境中缺氧或出現有害、有毒氣體時，迅速撤離災區時佩戴，賴以實現個人逃生的目的。它的工作原理是人正常呼氣時，呼出氣體含有的水汽和二氧化碳與生氧劑超氧化鉀發生化學反應，生成含氧較高的氣體，反應式如下：

2KO2+H2O→2KOH+1.5O2+熱量

2KOH+CO2→K2CO3+H2O+熱量

KOH+CO2→KHCO3+熱量

從化學氧自救器的工作原理上可以看出，它所有反應均為放熱反應。在生氧的同時，生氧罐內產生大量的熱量，溫度可以上升到300。C左右，反應生成的氫氧化鉀水合物易于潮解，遇高溫熔融，透氣性極低，致使呼吸阻力升高。原化學氧自救器采用超前排氣結構，使呼氣中過剩水汽及CO2排走，以調節生氧速度，同時也可以降低藥罐溫度和呼吸阻力及氣囊中的CO2含量。可是我們在試驗中發現超前排氣結構如果短路，呼出水汽與CO2將從排氣閥排走而造成生氧劑不再同水汽和CO2接觸，就不能夠產生氧氣，這樣就會出現“生氧又斷氧”的情況，對使用者造成一定危害。

在我的產品結構設計中，為了避免“生氧又斷氧”的情況發生，決定采取國內一貫采用的滯后排氣結構，即呼出氣體全部進入藥罐與生氧劑反應，為避免進入水汽過多而引起反應溫度高，呼吸阻力大等缺點。將采取以下措施：

1、加大生氧罐體的截面積以降低通氣流速，使水汽和CO2充分與生氧劑接觸，吸收則會充分些。同時由于流速降低，反應進行會更加穩定，溫度也會變得相對降低，反應的時間也會延長，融解程度減輕，吸收CO2性能得到提高，呼吸阻力得以降低。

2、選用活力性好、體密度較小、孔隙度較大的生氧劑，一般要求體密度在0.72左右，這樣的生氧劑吸收CO2性能好，水汽也容易透入內部。體密度大的生氧劑吸收CO2性能差，水汽在藥粒表面反應滲入不到內部，是表面生成苛性鉀含水物，大量熔結而引起呼吸阻力升高和CO2早期超限。

3、混裝藥品，這是解決這個問題的關鍵。選擇活力性好的生氧藥劑，在反應中期，因溫度升高，加快了它的反應速度，生成大量的氧氣，又被氣囊上的排氣閥排走，造成額定防護時間30分鐘達不到標準。如果增加藥量，既提高了產品成本，又加大了產品外形尺寸，達不到本次設計的目的。所以我們改變生氧劑藥片的配方，降低生氧劑的反應速度，在產品裝配工藝中，先裝二分之一的生氧劑，再裝入改變配方后的生氧劑，這樣既能保證產品的性能，又能減少裝藥量，降低了產品成本。

4、加強散熱措施。因產品設計結構變小，增加散熱片，會減少裝藥量，防護時間達不到。改變藥片配方后進行混裝，生氧劑裝藥量減少，可增加散熱片，使藥罐內部反應溫度降低，分隔熔結，使呼吸阻力降低。

在本次產品結構設計中，在呼吸氣路方式上，ZH30B自救器設計成循環氣路。這種氣路方式有害空間小，對短促呼吸的影響比往復式小，有利于水汽和CO2同生氧劑充分反應生氧，從而減少裝藥量。

ZH30B型自救器，氣囊采用0.2-0.3毫米丁基膠布粘接而成，雙面涂膠的丁基膠布經試驗表明與生氧劑磨擦不易著火，而且可以做得比較薄，折疊后體積較小，適合做氣囊。氣囊形狀呈長方形，容積約為五升，比原30型自救器氣囊容積多出一升。一般認為在使用方便基礎上，氣囊容積大些為好，這樣可以多儲存些氧氣，使防護時間延長。那么氣囊容積多少為合適呢？我們認為氣囊應能把超前啟動裝置生成的氧氣儲存起來，同時還要把開始佩戴時的呼吸氣體一起儲存起來而不至于排氣為最佳容積。我們知道超前啟動裝置生氧量為3.5升左右，人正常呼吸每次為1-1.2升。所以氣囊容積最少為4.5-4.7升。實際設計容積為4.7升，當內壓達到30毫米水柱時，可達到5.3升，所以本次產品設計采用5升的氣囊容積。

ZH30B型自救器設計過程中，我們采用內置式氯酸鹽超前啟動裝置，關于初期生氧量，根據人實際佩戴情況，從靜到動耗氧不會太高。一般最多達到中等勞動強度水平，每分鐘約為1.1升左右 。如果啟動生氧裝置，在一分鐘內，使氣囊中含有3-3.5升氧氣，就可以供人呼吸三分鐘。在這段時間內，人的呼吸足可以使生氧劑正常生氧，而一般用超氧化鉀藥片直接啟動反應生氧時，50秒內，3.5升氧氣很困難達到，而只有使用超前啟動裝置，藥筒內藥品在引發劑和催化劑的作用分解生氧，而且藥筒外部超氧化鉀藥片同時參加反應生氧才能穩定達到4升氧以上，故必須采用超前啟動裝置。采用內置式超前啟動裝置，造成自救器藥品反應時，外殼表面溫度過高，原底蓋與外殼采用南大生產的“南大704硅橡膠”膠封，試驗中發現出現自燃現象，造成很大的危害。我們經過多次試驗，才發現問題的根本原因是704膠不耐高溫，在高溫下分解出有機可燃物。因為超氧化鉀本身不燃，只能放出氧氣助燃。超氧化鉀分解時，是吸熱反應，因此分解反應不能自動進行下去，只要不混入可燃物，就不存在爆炸和著火危險。超氧化鉀和有機可燃物混在一起在一定條件下，可發生燃燒和爆炸的實質就是在于它含氧，它和純氧與可燃物在一起會發生爆炸和燃燒的本質是一樣的。針對研制30型化學氧自救器存在的安全性，我們采取了以下幾個措施，解決膠封問題：

1、采用耐高溫的硅橡膠，如： 上海生產的HS-1840 耐高溫硅橡膠 ，但耐高溫膠價格較貴，工藝性較差。因為膠的流動性不好，造成膠封不夠均勻，同時浪費較大。

2、采用雙組份環氧樹脂膠封，該膠對操作者無害，屬于非易燃材料，但工藝性差，故沒有采用。

3、采用無機膠膠封，如武漢雙鍵耐高溫無機膠，型號DB5013雙組份無機硅酸鹽材料，耐熱溫度達1400度，耐堿，工藝性可行。它并且不助燃，也不分解出有機可燃物，不會引起著火和爆炸，徹底解決了底蓋與外殼膠封的問題。

ZH30B型自救器的外殼，在設計中因為沒有內罐，藥品與外殼直接接觸，故采用耐腐蝕的不銹鋼的材質作為首選外殼材料，但不銹鋼材質比拉伸鋼板難加工，不易拉伸，拉伸零件變形大，而且最主要是成本加大，違背了最初的設計理念。故我們從裝配工藝上進行改進，外殼采用拉伸鋼板，外表面采用電鍍彩鋅，裝配時將外殼表面用塑料薄膜包裹起來，防止裝配時藥品對外殼鍍層的腐蝕。在封罐前，將塑料薄膜去掉，保證了外殼表面的質量。

在ZH30B型化學氧自救器設計過程中，出現了很多難題。我們通過大量實驗和研究，解決了根本上問題。定型產品達到了體積小、重量輕、成本低、安全性高的設計要求，深受佩戴該產品礦工的喜愛，順利完成對舊產品的升級和換代。

參考文獻：

[1]AQ1057-2008《化學氧自救器初期生氧器》

[2]MT427-1995《超氧化鉀片狀生氧劑技術條件》

[3]MT425-1995《隔絕式化學氧自救器標注校驗》