多孔非金屬材料在阻隔防爆方面的研究進展

邢志祥，杜 貞，歐紅香，郝永梅

（常州大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164）

隨著城市建設和工業(yè)的發(fā)展，易燃易爆危險化學品的生產和使用在工業(yè)發(fā)展和人民生活中占有越來越重要的地位。然而危險化學品在儲存和運輸過程中時常發(fā)生事故，且造成的損失往往不可估量。因此，用以抑制或減少危險化學品儲存和運輸過程燃爆現(xiàn)象發(fā)生的多孔材料便應運而生。

多孔材料因其自身的結構特點，可抑制火焰和壓力波的傳播，從而達到阻隔防爆的作用。作為一種新型的阻隔防爆材料，多孔非金屬材料具有價格低、使用周期長、質量輕、防氧化等金屬材料無可比擬的優(yōu)點，已在石油化工、航空航天等多個領域得到了廣泛應用。目前對多孔非金屬阻隔防爆材料的不斷開發(fā)以及對其防爆機理和防爆性能的深入研究，正不斷豐富著人們對多孔非金屬防爆材料的認識，也為其今后更好地應用于生產生活奠定了基礎。

1 多孔非金屬阻隔防爆材料簡介

1.1 多孔非金屬材料分類及其防爆性能

多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網(wǎng)絡結構的材料。按孔洞結構不同，可將多孔材料劃分為兩種：一種是孔洞平面聚集的二維“蜂窩”結構；另一種是孔洞空間聚集的三維“泡沫”結構。多孔材料［1］通常分為多孔金屬材料和多孔非金屬材料，而多孔非金屬材料又可分為無機多孔材料和有機多孔材料兩大類。與傳統(tǒng)的金屬阻隔防爆材料相比，非金屬材料具有相對密度小、比表面積大、價格低廉、不易污染介質等優(yōu)點，常用于油箱、儲罐、管道以及礦井等易發(fā)生燃爆的地方，具有巨大的市場潛力。目前，常用的多孔非金屬材料主要為聚氨酯材料和陶瓷材料，兩者研究和應用都較為廣泛，但近年來，新型的多孔非金屬復合材料（如硅酸鋁棉、玻璃棉等）以其自身低價格、高性能的優(yōu)點在阻隔防爆領域受到越來越廣泛的關注和研究。本文對常見多孔非金屬材料的性能優(yōu)劣進行了對比，詳見表1。

表1 常見多孔非金屬材料性能優(yōu)劣比較Table 1 Advantages and deficiencies of common porous non-metallic materials

1.2 多孔非金屬材料防爆機理

目前針對多孔非金屬材料的防爆機理［7］研究較為成熟，但研究并沒有統(tǒng)一定論，觀點主要集中在多孔材料的“冷壁效應”和“器壁效應”兩個方面。“冷壁效應”認為，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，非金屬材料的巨大比表面積能夠快速吸收火焰產生的熱量，且多孔材料能將容器分為若干個小室，從而達到分散火焰、阻隔防爆的作用。“器壁效應”認為，多孔非金屬材料結構通道具有很大的比表面積，發(fā)生爆炸反應時，爆炸通道壁與反應自由基發(fā)生碰撞，吸收大量活化自由基，當反應的自由基減少到一定程度時，爆炸反應即終止。當前“冷壁效應”受到廣大學者的認可，成為主流防爆機理之一。然而，也有學者認為材料導熱性能的提高并不能造成火焰熄滅直徑的明顯改變，因而“冷壁效應”并非為阻隔防爆的主要原因，“器壁效應”才是阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕獧C理［8］。

2 多孔非金屬阻隔防爆材料國內外研究現(xiàn)狀

2.1 多孔非金屬阻隔防爆材料理論研究進展

國內外學者對多孔非金屬阻隔防爆材料的理論研究主要是針對材料防爆機理研究以及多孔材料內部防爆性能參數(shù)的計算。多孔非金屬材料防爆機理的研究主要側重于“冷壁效應”，“器壁效應”的研究少有報道，此外防爆機理研究的重點往往在于火焰淬熄作用，對于導致壓力波衰減的機理研究并沒有給予足夠的重視。多孔非金屬材料內部防爆性能參數(shù)的計算則是通過建立簡化模型，計算容器留空率、燃爆極限等參數(shù)或是研究各類參數(shù)之間的函數(shù)關系式。

Edwards［9］通過對多孔非金屬材料淬熄過程的研究，對應用于管道或容器中的多種阻火器材料自身的特性與其對應結構進行了分析，并指出合理的多孔非金屬材料的孔徑大小和單元結構是實現(xiàn)低流體阻力和高淬火性能最佳組合的關鍵，但其對多孔非金屬材料抑爆機理的探討并不深入，僅對材料自身特性和結構特點對抑爆性能的影響進行了對比討論。Ciccarelli［10］從能量的角度對直管中可燃氣體爆炸過程動能和熱能損失進行了理論分析，指出多孔介質阻火性能是由熱損失、湍流和可壓縮性共同決定的：當傳播速度處于亞音速時，多孔材料的熱量損失占主導地位，其可以阻礙未燃氣體的流動和燃燒產物的釋放；而當傳播速度處于超音速時，多孔材料的湍流和可壓縮性則占主導地位，其將會加速爆炸的傳播。

馬凱等［11］量化研究了瓦斯爆炸反應與阻火器中泡沫陶瓷結構發(fā)生的“器壁效應”，對器壁鏈引發(fā)和斷鏈作用進行了分析，結果表明泡沫陶瓷特殊的三維網(wǎng)格結構有利于瓦斯爆炸自由基的銷毀，從而終止反應鏈，抑制瓦斯的爆炸，同時給出了瓦斯爆炸鏈載體平均濃度以及斷鏈系數(shù)的函數(shù)關系式。戰(zhàn)仁軍等［12］認為網(wǎng)狀聚氨酯泡沫能夠起到阻燃抑爆作用主要是因為泡沫材料的三維骨架結構能將燃油牢牢吸附其中，限制了火焰前鋒的擴大并減小了壓力波，并認為其網(wǎng)狀結構不僅能夠吸附燃油，還能分散火焰，從而遏制火焰?zhèn)鞑ァＴ撐屠碚摰奶岢鲚^為新穎，為儲油領域提供了一種新的安全儲油方式。Zhang等［13］將多孔材料的火焰淬熄和抑制壓力波能力進行了綜合研究，指出氣體爆炸是泡沫陶瓷對火焰和壓力波相互耦合的結果，泡沫陶瓷對火焰的淬熄能夠切斷前驅沖擊波的能量來源，從而衰減沖擊波；同時根據(jù)沖擊波作用下多孔材料形變狀態(tài)，將多孔材料能量吸收過程分為三個階段，從宏觀上對其能量的吸收進行了描述。

2.2 多孔非金屬阻隔防爆材料實驗研究進展

國內外學者對多孔非金屬阻隔防爆材料的實驗研究相對較為完善，實驗成果也較多。當前的實驗主要涉及不同材料種類、材料參數(shù)、材料填充方式、預混氣體種類等對阻隔防爆性能的影響以及材料火焰淬熄和抑制壓力波方面防爆機理的研究。

Radulescu等［14］通過對填充多孔非金屬材料的管道爆轟過程分析，發(fā)現(xiàn)橫波是不穩(wěn)定爆炸的點火和傳播的關鍵，而多孔壁面對橫波有一定的削弱作用。Zalosh［15］通過總結軍用飛機NFPA 方案中多孔非金屬材料的基本原理，對聚合泡沫和鋁合金絲網(wǎng)在氣體／蒸汽-空氣混合物中抑爆性能和機理進行了研究，結果表明：多孔非金屬材料壁面具有質量輻散的作用，爆轟越穩(wěn)定，多孔壁面對橫波的削弱越明顯，質量輻散作用越突出。Nie等［16］設計了200cm×200cm 的類似煤礦巷道的方形管道，對Al2O3和SiC兩種多孔非金屬泡沫陶瓷中爆炸火焰進行了實驗研究，結果表明兩者的微觀結構對瓦斯爆炸火焰的淬熄和抑制壓力波超壓均具有重要作用；同時從鏈式反應理論、熱爆炸理論和橫向波抑制機制導致火焰熄滅的可能性角度進行了研究，但并未進行相關實驗驗證。在Nie研究基礎上，Wen等［17］將障礙物對火焰的加速能力與泡沫陶瓷材料對火焰的阻隔能力進行了綜合實驗研究，設計一個150mm×150 mm×500mm 的管道，通過改變障礙物的數(shù)量、多孔材料尺寸及厚度，對存在障礙物情況下多孔介質對氣體爆燃淬熄能力進行了研究，結果表明：障礙物對火焰的加速及產生的超壓在一定條件下會導致多孔非金屬材料淬熄作用失效；此外，更小孔徑或更大厚度的多孔介質能夠起到更好的淬火效果，并能產生更大的壓力波衰減。

Joo等［18］、Ciccarelli［19］通過實驗研究了泡沫陶瓷的淬熄能力，結果表明在具有相同流率和當量直徑的情況下，等效金屬材料的火焰淬熄能力強于泡沫陶瓷材料，并發(fā)現(xiàn)多孔介質對火焰會產生雙重作用，當其不能熄滅火焰時，內部產生的湍流反而會加速爆炸的升級；同時指出多孔介質中爆炸的傳播是由混合氣體屬性和多孔介質的幾何作用共同決定的，而淬熄現(xiàn)象則受熱效應、火焰拉伸以及優(yōu)先擴散的共同影響。喻健良等［20-21］研究了硅酸鋁棉長度、管道內襯對管道燃爆壓力波和火焰速度的抑制作用，結果表明硅酸鋁棉對預混火焰的傳播具有雙重效果，當硅酸鋁棉長度大于臨界長度時，對火焰速度及爆炸超壓起抑制作用，該結論與Ciccarelli所得的結論一致；同時通過對無內襯、內襯硅酸鋁棉、內襯實體障礙物和非變截面硅酸鋁棉的4種管道內火焰?zhèn)鞑サ臋M向比較發(fā)現(xiàn)，內襯非變截面硅酸鋁棉對管道出口燃爆壓力波的沖擊破壞作用抑制效果最為明顯。

Sun等［22］通過實驗研究指出：絲網(wǎng)和泡沫陶瓷材料具有一定阻燃和減少壓力波的能力；絲網(wǎng)的抗沖擊損傷能力很強，而泡沫陶瓷材料的抗燒結能力很強；絲網(wǎng)對火焰溫度的最高衰減速率可達到60%，阻燃效果高于泡沫陶瓷材料；當金屬絲網(wǎng)與泡沫陶瓷組合使用時，對爆炸超壓、火焰溫度的衰減效果會更加優(yōu)異，可避免單體使用時各自的缺陷。韓志偉等［23］、雷正等［24］采用臥式激光管對鋁合金網(wǎng)狀材料、鎂鋁合金網(wǎng)狀材料和非金屬球型材料對汽油蒸汽爆炸的抑制作用進行了實驗研究，結果表明3種材料中非金屬球型材料的抑爆性能最佳；同時通過對非金屬球形抑爆材料在丙烷、汽油蒸汽、乙烯與空氣混合氣體中火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定，發(fā)現(xiàn)其在丙烷中抑爆能力最強，但對于不同材料及不同預混氣體中抑爆性能變化的原因并未做進一步的分析。邢志祥等［25-26］對非金屬材料防爆機理及其相關標準進行了分析，研究了多孔聚氨酯材料在不同留空率、填充方式、填充物孔徑下對抑爆性能的影響，并通過與填充網(wǎng)狀鋁合金材料后容器內壓力峰值的比較，發(fā)現(xiàn)填充多孔聚氨酯材料爆炸后，壓力隨留空率的變化較網(wǎng)狀鋁合金材料大。

2.3 多孔非金屬阻隔防爆材料模擬研究進展

由于爆炸實驗成本高、周期長，且受設備精度限制無法準確獲得一些參數(shù)，因而對多孔非金屬阻隔防爆材料的模擬研究便顯的十分重要。然而，對于火焰?zhèn)鞑ズ驼系K物對火焰加速情況的模擬雖已十分成熟，但對多孔非金屬材料阻隔防爆方向的數(shù)值模擬卻相對較少，這是由模擬過程中多孔非金屬材料孔隙尺寸、數(shù)量的不確定性以及現(xiàn)有模擬軟件的局限性造成的。已有研究成果均為對實際問題的簡化而得到的，其精確性有待提高。

Mare等［27］通過實驗和數(shù)值模擬的方法探討了碳氫化合物和空氣混合后在玻璃棉中的可燃極限，以及可燃極限與固相物質的物理特性和幾何特性之間的關系，數(shù)值模擬和實驗結果均表明相較于多孔介質的物理性能，燃燒極限對其幾何特性更為敏感。通過對火焰的結構、動力學作用和傳遞到固相中的熱損失分析，可以更好地了解可能的淬熄機理。Kakutkina等［28］通過對多孔阻燃器中火焰的燃燒進行數(shù)值分析，考察了多種多孔阻火元件性能，結果表明：網(wǎng)狀結構能夠吸收橫波、破壞爆炸波的自持穩(wěn)定性、增加多孔材料熱傳導效應和長度、減小信道有效尺寸和阻火元件孔徑，從而增強多孔介質的阻火效應。高遠［29］選用湍流預混火焰模型中的EBU-Arrhenius燃燒模型模擬研究了硅酸鋁棉多孔介質對火焰的淬熄和壓力波的抑制作用，結果表明：硅酸鋁棉長度與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸蓛绾瘮?shù)關系，與壓力值之間成線性關系，而其厚度對火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Σǖ挠绊憚t較為復雜，隨硅酸鋁棉厚度的增加而先減小后增加，但對于造成該結論的原因并未進行討論。

喻健良等［30］對光滑壁面、內襯多孔材料壁面、內襯實體障礙物壁面的管道內火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了模擬研究，結果表明火焰?zhèn)鞑ブ料嗤隹诮孛嫖恢脮r，內襯多孔材料壁面出口火焰速度最小，且多孔材料對火焰溫度和壓力均起到削弱作用。該模擬結果將多孔材料及障礙物對爆燃火焰?zhèn)鞑サ挠绊戇M行對比研究，模擬結果與實驗結果具有較好的吻合性。Yang等［31-32］對90°彎管中多孔材料對甲烷／空氣混合氣體抑制火焰及壓力波的過程進行了實驗和數(shù)值模擬研究，結果表明：通過改變硅酸鋁棉的長度，發(fā)現(xiàn)外弧側0°到90°測試點超壓呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；通過模擬內襯硅酸鋁棉的彎管，發(fā)現(xiàn)彎管外弧面爆炸壓力較高，而內弧面火焰速度較快，但彎管內外弧面的爆炸超壓均有明顯的降低，模擬結果與實驗結果具有較好的吻合性；同時通過電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，對于高彈性硅酸鋁棉，其骨架崩裂和纖維斷裂的空間可以吸收壓力波，從而衰減爆炸超壓。非直管管道中阻隔防爆材料的研究較為新穎，拓寬了對多孔材料阻隔防爆研究的方向。

3 研究缺陷與展望

近年來國內外阻隔防爆材料的研究經(jīng)歷了從多孔金屬材料到多孔非金屬材料，從材料自身防爆性能到防爆機理，從理論、實驗研究到模擬研究的過渡，正不斷的向外拓展并深入。然而仍存在一些不足和問題，需要在今后的研究中予以重視：

（1）對多孔非金屬材料防爆性能的研究主要依賴于理論和實驗，軟件模擬方面的研究相對較少，且模擬過程均對多孔非金屬材料進行了簡化，得到的結果具有一定的局限性。

（2）對多孔非金屬材料對火焰抑制作用的研究較多，而對壓力波的抑制作用研究相對較少，且對多孔非金屬材料抑制壓力波以及對火焰淬熄的研究均針對某一方面進行的，難以形成系統(tǒng)的理論。

（3）實驗設備的誤差、實驗環(huán)境的影響以及模擬軟件的局限性導致實驗結果與理論結果之間、模擬結果與實驗結果之間存在一定的偏差。

（4）現(xiàn)有多孔非金屬阻隔防爆材料種類較多，研究相對較雜且不深入，難以充分利用其研究結果。

（5）已有研究僅給出對留空率、填充密度、材料屬性等的定性、半定性研究，缺乏主要影響因素對多孔非金屬材料阻隔防爆性能影響規(guī)律的定量研究［33］。

多孔非金屬阻隔防爆材料防爆性能和防爆機理的深入研究，將有助于更好地開發(fā)并應用多孔材料，更好地維護人民的生產、生活安全，因此尋找質量輕、價格低、無污染、不腐蝕的更高性能的阻隔防爆材料是人們追求的目標。高分子復合材料作為一種新型的多孔非金屬阻隔防爆材料，具有很好的防爆性能，且價格十分低廉，具有很好的市場前景，對其制備、防爆性能的研究將成為未來多孔非金屬阻隔防爆材料發(fā)展的一個趨勢。同時，由于軟件模擬具有方便快捷、節(jié)約成本、過程易于觀察等特性，應用軟件模擬多孔材料內部火焰和壓力波的變化過程，必將成為未來對多孔材料研究的一個重要環(huán)節(jié)。因此提高現(xiàn)有的模擬軟件性能，使之更真實地模擬火焰和壓力波在多孔材料中的微觀過程顯得十分重要。通過了解和認識當前階段理論、實驗和模擬方面研究的不足，能夠更好地研究阻隔防爆技術，從而為今后多孔非金屬阻隔防爆材料的進一步發(fā)展奠定基礎并指明方向。

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