楊 哲， 楊 珂， 程慶利， 王全國(guó)

(中國(guó)石化 安全工程研究院有限公司，山東 青島 266000)

現(xiàn)代石油化工產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，關(guān)系著國(guó)家產(chǎn)業(yè)鏈的安全和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，涉及到化學(xué)品種類和數(shù)量顯著增加，近幾年因化學(xué)品引發(fā)的重大安全事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)中國(guó)化學(xué)品安全網(wǎng)和中國(guó)化學(xué)品安全協(xié)會(huì)官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013—2019年中國(guó)因化學(xué)品引發(fā)的事故共5513起，造成5592人受傷，2560人死亡[1]，造成慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如2015年天津港“8.12”火災(zāi)爆炸事故，爆炸使 2 km范圍內(nèi)的建筑物嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致 165 人遇難，8 人失蹤，798 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 68.66億元。由于危險(xiǎn)化學(xué)品事故具有發(fā)生快、危害后果嚴(yán)重、影響范圍廣等特點(diǎn)，監(jiān)管難度較大，安全生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻，加快提升石油化工行業(yè)的生產(chǎn)安全水平刻不容緩，尤其是增強(qiáng)危險(xiǎn)源附近人員密集場(chǎng)所抵御危險(xiǎn)化學(xué)品燃爆沖擊荷載破壞的能力，因此高性能抗爆功能材料已經(jīng)成為化工安全領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

1 HSE功能材料概述

HSE功能材料是指具有減少人員傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染的功能材料，是落實(shí)HSE體系的物質(zhì)載體。針對(duì)目前化工安全重大燃爆事故，簡(jiǎn)要概述抗爆領(lǐng)域的HSE功能材料，特別是聚脲涂層抗爆材料?？贡琀SE功能材料是指在爆炸、沖擊等快速動(dòng)態(tài)載荷作用下，以吸收和消化外界能量、降低爆炸事故危害為目的，表現(xiàn)出良好抗動(dòng)態(tài)載荷性能的工程材料。根據(jù)基體組成進(jìn)行分類，抗爆HSE功能材料可以分為金屬基抗爆材料、混凝土基抗爆材料和高分子基抗爆材料3種類型。

1.1 金屬基抗爆材料

金屬材料有良好的工藝性能、韌性、塑性以及抗疲勞性，因而具有抗爆炸沖擊波的能力。如軋制鋼板不僅擁有較好的機(jī)械性能，而且價(jià)格低廉，是安全防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的材料之一[2]。除金屬板材外，還包括具有內(nèi)部胞元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多胞材料，例如蜂窩鋁、泡沫鋁等[3]。相比于傳統(tǒng)金屬板材，多胞材料在受載時(shí)可通過(guò)自身壓縮變形吸收大量的沖擊波能量，降低爆炸載荷作用在建筑結(jié)構(gòu)上的沖量[3-4]。因此，多胞材料在抗爆等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，能夠使保護(hù)對(duì)象不被破壞和損傷。

1.2 混凝土基抗爆材料

混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、強(qiáng)度等級(jí)范圍寬、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，是用途最廣的建筑材料。但是在抗爆領(lǐng)域，傳統(tǒng)混凝土材料抗拉強(qiáng)度低、伸長(zhǎng)率低，易發(fā)生損傷剝落現(xiàn)象，因此混凝土抗爆材料中要加入較高拉伸強(qiáng)度和延伸率的纖維、泡沫材料等，以提高混凝土材料的抗爆性能。

通過(guò)在混凝土中引入泡沫、有機(jī)顆粒等柔性組分可以提高混凝土的韌性和塑性，如將聚苯乙烯顆粒引入混凝土中，能夠影響混凝土中裂紋的擴(kuò)展，有效地賦予混凝土良好的延展性[5]。也可采取在混凝土中摻入鋼筋[6]、鋼筋網(wǎng)[7]、鋼纖維[8]等組分的方法，提高混凝土的強(qiáng)度，如普通混凝土中添加一定比例的鋼纖維可大大改善其力學(xué)性能，特別是提髙混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度和材料的韌性，顯著降低爆炸碎片對(duì)人員和設(shè)備的殺傷力和破壞力[9]。

1.3 高分子基抗爆材料

高分子材料是指以高分子化合物為基體，再配有其他助劑所構(gòu)成的材料，具有較高的相對(duì)分子質(zhì)量和較寬的相對(duì)分子質(zhì)量分布。因此，高分子材料具有特殊的黏彈性和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，在吸波、阻尼、抗爆等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。高分子基抗爆材料主要有橡膠[10]、多孔樹脂[11-13]、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[14-15]和聚脲材料等，其中聚脲材料具有輕量化、抗爆增強(qiáng)、高效衰減和彌散爆炸應(yīng)力波等多種防護(hù)特性，并且大面積、多適用的噴涂施工工藝能夠滿足大多數(shù)結(jié)構(gòu)類型需求，這是其他防護(hù)材料無(wú)法比及的。

聚脲材料是一種以異氰酸酯與聚醚多元胺為原料，通過(guò)縮合聚合得到的高相對(duì)分子質(zhì)量彈性體。根據(jù)異氰酸酯與聚醚多元胺含量的不同，聚脲結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)成具有不同程度的共價(jià)鏈間交聯(lián)和軟硬段相分離結(jié)構(gòu)[16-17]。因?yàn)榫垭宀牧暇哂羞@種復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能呈現(xiàn)出典型的非線性黏-彈曲線，并且不同應(yīng)變率條件下聚脲材料力學(xué)性能變化較大。在大應(yīng)變率條件下，聚脲材料出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象[18-21]，包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線滯后[22]、循環(huán)曲線弱化以及很強(qiáng)的速率依賴性[23]。隨著材料形變的增加，聚脲軟段區(qū)域發(fā)生快速的拉伸變形，同時(shí)，具有層狀結(jié)構(gòu)的硬段區(qū)域也向拉伸方向旋轉(zhuǎn)取向，重新組裝形成新的層狀結(jié)構(gòu)。此外，高頻應(yīng)力-應(yīng)變可以引起聚脲材料氫鍵裂解和重新排列，在硬區(qū)域內(nèi)形成更多的氫鍵，從而引起能量的吸收和分散[24-26]。正因?yàn)榫哂羞@種特殊的力學(xué)性能，聚脲材料在抗爆、抗沖擊、個(gè)人防護(hù)等領(lǐng)域具有獨(dú)特的潛力[27-28]。

到目前為止，國(guó)外聚脲材料已經(jīng)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和重要建構(gòu)筑物的爆炸防護(hù)，如美國(guó)海軍艦艇、核潛艇、五角大樓外墻加固、防彈背心插板等。國(guó)內(nèi)關(guān)于聚脲材料的研發(fā)與應(yīng)用也日益擴(kuò)展，除防水、防腐等常規(guī)應(yīng)用之外，用于抗彈防護(hù)與抗爆防護(hù)等特種應(yīng)用方面也開始進(jìn)行相關(guān)研究[29-32]。

2 應(yīng)用于石油化工建筑物抗爆改造的HSE功能材料

石油化工裝置的高溫、高壓、高阻塞和大型化，導(dǎo)致蒸汽云爆炸(VCE)源氣體爆炸能量巨大，往往導(dǎo)致裝置周邊控制室、外操室、機(jī)柜間等重要建筑物和鄰近的罐區(qū)遭受嚴(yán)重破壞，極易造成裝置附近集中場(chǎng)所中的人員傷亡。

根據(jù)資料顯示，國(guó)內(nèi)有大量石油化工企業(yè)人員集中場(chǎng)所如控制室、外操室、化驗(yàn)樓等距離裝置較近且未進(jìn)行整體抗爆設(shè)計(jì)，不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50984關(guān)于防火防爆的要求。未進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)的人員集中場(chǎng)所，已經(jīng)被國(guó)家和地方政府列為重大安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)管。2016 年，中國(guó)石化開展了全系統(tǒng)的安全重大風(fēng)險(xiǎn)排查評(píng)估工作。評(píng)估發(fā)現(xiàn)，中國(guó)石化 32 家煉化企業(yè)，普遍存在人員占用非抗爆建筑物，裝置內(nèi)除中央控制室和部分聯(lián)合裝置控制室采用抗爆設(shè)計(jì)外，在役單套裝置控制室(包括辦公室、外操室)基本未整體考慮抗爆要求，僅在控制室面向裝置一側(cè)設(shè)置防爆墻。因此，人員集中場(chǎng)所建筑物迫切需要進(jìn)行抗爆治理。

目前，大多數(shù)的建筑物抗爆解決方案都是盡量減少爆炸時(shí)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)增加建筑物鋼筋混凝土護(hù)柱、金屬柵欄、緩沖空間等來(lái)提高建筑物的抗爆性能，但是這些解決方案的時(shí)間和空間成本較高。很多化工企業(yè)日常生產(chǎn)任務(wù)重、抗爆改造時(shí)間短，并且建筑物與生產(chǎn)設(shè)備之間空間有限，難以通過(guò)后期建設(shè)抗爆鋼筋混凝土建筑物或增加安全距離等方式提高建筑物抗爆炸沖擊性能。聚脲材料作為抗爆高分子基HSE功能材料，具有輕量化、抗爆增強(qiáng)、高效衰減和彌散爆炸應(yīng)力波等多種防護(hù)特性，并且大面積、多適用的噴涂施工工藝能夠滿足大多數(shù)類型結(jié)構(gòu)需求，這是其他抗爆HSE功能材料無(wú)法比及的。因此，聚脲材料非常適合石油化工行業(yè)建筑物的抗爆改造。

然而國(guó)內(nèi)外抗爆聚脲材料主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中爆炸超壓高、持續(xù)時(shí)間短的TNT炸藥爆炸防護(hù)，而石油化工生產(chǎn)中VCE爆炸超壓低、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)抗爆材料的沖擊響應(yīng)要求完全不同[33-34]。此外，石油化工行業(yè)的VCE爆炸事故常常會(huì)引發(fā)火災(zāi)、二次爆炸等次生災(zāi)害，這要求抗爆材料應(yīng)具備阻燃性能。

2.1 抗爆聚脲彈性體的改性

為了提高石油化工行業(yè)建筑物抗爆能力，中國(guó)石化安全工程研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱“安工院”)對(duì)傳統(tǒng)抗爆聚脲彈性體進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，尤其是在異氰酸酯基(NCO)含量、擴(kuò)鏈劑(CE)和阻燃劑三方面做了大量研究工作。聚脲彈性體A組分一般是半預(yù)聚物，其NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在13%～18%，這樣既保證具有合適的反應(yīng)活性，又能夠保證其較低的黏度。圖1為聚脲異氰酸酯基含量對(duì)凝膠時(shí)間及表面硬度的影響。由圖1可見，隨著聚脲彈性體中NCO含量的增加，涂層材料的凝膠時(shí)間縮短，表面硬度快速增大；當(dāng)NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，凝膠時(shí)間可縮短至4 s左右，材料表面硬度可達(dá)到70。隨著聚脲彈性體中NCO含量的增加，聚脲縮聚反應(yīng)速率加快，凝膠時(shí)間變短，而且聚脲分子鏈中異氰酸酯結(jié)構(gòu)單元之間形成氫鍵，構(gòu)成了主要的硬段區(qū)域部分，所以聚脲彈性體的表面硬度也快速增加。

圖1 NCO含量對(duì)聚脲凝膠時(shí)間及表面硬度的影響Fig.1 Effects of NCO contents on the gel time andsurface hardness of polyureas

低相對(duì)分子質(zhì)量的胺擴(kuò)鏈劑與異氰酸酯生成脲鍵，構(gòu)成了聚脲彈性體材料的硬段部分，而高相對(duì)分子質(zhì)量的端氨基聚醚柔韌性優(yōu)良，構(gòu)成了聚脲彈性體材料的軟段部分。通過(guò)軟、硬的合理搭配，制備高性能的聚脲彈性體材料。此外，控制擴(kuò)鏈劑的用量還可以改善噴涂狀態(tài)，改善表面質(zhì)量，提高聚脲與底材的附著力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著B組分中擴(kuò)鏈劑(CE)D230/E100的含量增加，材料拉伸強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸下降，如圖2所示。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化NCO含量和擴(kuò)鏈劑含量，這種聚脲彈性體材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能；當(dāng)擴(kuò)鏈劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到23 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到350%。

圖2 不同擴(kuò)鏈劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(CE))聚脲的拉伸曲線Fig.2 Stress-strain curves of polyurea with different chainextender mass fractions (w(CE))

2.2 抗爆聚脲彈性體的阻燃性

在聚脲彈性體中加入傳統(tǒng)添加型阻燃劑，雖然可以提高材料阻燃性能，但是會(huì)明顯降低材料的力學(xué)性能，所以傳統(tǒng)阻燃聚脲彈性體難以作為抗氣體爆炸材料應(yīng)用。添加型阻燃劑的加入容易導(dǎo)致聚脲彈性體發(fā)生增塑現(xiàn)象，使材料的物理性能發(fā)生急劇下降，并且隨著使用時(shí)間增加，添加型阻燃劑可能會(huì)發(fā)生滲出現(xiàn)象，影響材料阻燃性能和污染周圍環(huán)境。

針對(duì)上述問(wèn)題，安工院通過(guò)自制的高效結(jié)構(gòu)型聚酯多元醇阻燃劑(FR)，制備了一種阻燃抗爆聚脲材料，利用阻燃劑中較高含量的羥基與異氰酸酯反應(yīng)，形成聚磷酸酯類大分子鏈，牢牢結(jié)合于聚脲材料中，避免了阻燃劑的增塑與流失，并且可以使聚脲彈性體材料保持較高的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)中分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%阻燃劑TCPP和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%結(jié)構(gòu)型聚酯多元醇阻燃劑FR，制備了傳統(tǒng)阻燃聚脲彈性體(FRPUA)和阻燃抗爆聚脲材料(BMFRPUA)，與非阻燃抗爆聚脲材料(PUA)力學(xué)性能對(duì)比，結(jié)果顯示(見圖3)這種阻燃抗爆聚脲材料靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度可達(dá)到27 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)到320%，其性能與非阻燃抗爆聚脲材料(PUA)相近。

BMFRPUA—Blast-mitigation and flame-retardant polyurea;FRPUA—Flame-retardant polyurea; PUA—Common polyurea圖3 不同聚脲彈性體的拉伸曲線Fig.3 Stress-strain curves of different polyureas

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)型阻燃劑具有很好的磷氮協(xié)同效果，可以明顯抑制火焰燃燒速率。利用錐形量熱儀測(cè)試對(duì)比傳統(tǒng)阻燃聚脲(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% TCPP)和阻燃抗爆聚脲(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% FR)的燃燒性能，結(jié)果如圖4所示。聚脲材料的燃燒熱釋放速率如圖4(a)所示，對(duì)比傳統(tǒng)阻燃聚脲可以發(fā)現(xiàn)，阻燃抗爆聚脲的燃燒熱釋放速率峰值出現(xiàn)了明顯的下降，并且燃燒熱釋放速率曲線由傳統(tǒng)阻燃聚脲的尖峰變?yōu)樽枞伎贡垭宓膶挿濉Ｗ枞伎贡垭迦紵裏後尫潘俾是€呈現(xiàn)出2個(gè)峰。第一個(gè)峰歸因于熱解氣體的點(diǎn)燃，并且該過(guò)程通常伴隨一定程度的炭層形成，聚脲材料形成的炭層質(zhì)量更佳，對(duì)于后續(xù)阻隔火源、隔絕外界氧氣的進(jìn)入，起到很好的保護(hù)作用，極大延緩了熱量的釋放。聚脲材料的燃燒總熱釋放如圖4(b)所示，對(duì)比傳統(tǒng)阻燃聚脲，在240 s時(shí)阻燃抗爆聚脲的總熱釋放從62 MJ/m2降低到31 MJ/m2，下降了約50%?？偖a(chǎn)煙量和CO2釋放速率被用來(lái)評(píng)估材料的產(chǎn)煙情況和熱解氣體釋放量。聚脲材料總產(chǎn)煙量如圖4(c)所示，阻燃抗爆聚脲在一定程度上能夠抑制材料燃燒的煙釋放量。傳統(tǒng)阻燃聚脲燃燒的煙釋放量很高，并且傳統(tǒng)阻燃聚脲材料在燃燒測(cè)試最后幾乎燃燒殆盡，只有極少部分碳?xì)埩?見圖4(e))。聚脲材料燃燒CO2釋放速率如圖4(d)所示，阻燃抗爆聚脲的CO2釋放速率曲線相對(duì)于傳統(tǒng)阻燃聚脲的尖峰轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄?，極大降低了聚脲材料的CO2釋放。

參考塑料燃燒性能測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2048—2008)的水平燃燒分級(jí)，阻燃抗爆聚脲材料可以達(dá)到最高級(jí)HB，材料展現(xiàn)離火自熄特性(見圖5)。并且阻燃抗爆聚脲燃燒產(chǎn)生的滴落物很少，不會(huì)引燃正下方的濾紙。因此，阻燃抗爆聚脲具有很好的阻燃性。

2.3 阻燃抗爆聚脲彈性體的抗爆響應(yīng)

聚脲彈性體憑借其獨(dú)特的黏-彈性或動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，在動(dòng)態(tài)載荷條件下可以吸收分散大量沖擊能量，被用于抗爆、抗沖擊、個(gè)人防護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)研究阻燃抗爆聚脲的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，分析了不同阻燃劑(FR)含量對(duì)聚脲動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，在應(yīng)變頻率為10 Hz條件下，隨著應(yīng)變量逐漸增加，不同阻燃劑含量的阻燃抗爆聚脲的儲(chǔ)能模量開始都保持水平線性，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到0.87%左右時(shí)，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%阻燃劑的阻燃抗爆聚脲的儲(chǔ)能模量開始偏離線性區(qū)域，隨著應(yīng)變率進(jìn)一步增加，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%和5%阻燃劑的聚脲儲(chǔ)能模量也偏離了線性區(qū)域。這一現(xiàn)象說(shuō)明在10 Hz應(yīng)變頻率條件下，阻燃抗爆聚脲展現(xiàn)了較強(qiáng)的剛性特點(diǎn)，材料出現(xiàn)了微裂紋等微觀結(jié)構(gòu)破壞，吸收應(yīng)變能量，使材料儲(chǔ)能模量降低。而且隨著阻燃劑含量的增加，阻燃抗爆聚脲的線性黏-彈區(qū)變小，當(dāng)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，聚脲材料的線性黏-彈區(qū)的應(yīng)變率縮小至0.87%。這可能是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)型阻燃劑中含有大量的酯基，可以與脲鍵形成氫鍵，增加了材料剛性硬段區(qū)域，所以隨著阻燃劑含量的增加，聚脲的線性黏-彈區(qū)減小。此外，隨著應(yīng)力頻率增加，阻燃抗爆聚脲損耗因子(tanδ)逐漸降低趨于平緩(見圖6(b))，而且阻燃劑含量高的聚脲的tanδ降低更快，說(shuō)明隨著應(yīng)變速率加快，聚脲鏈段逐步失去黏-彈性，材料剛性增加。

BMFRPUA—Blast-mitigation and flame-retardant polyurea; FRPUA—Flame-retardant polyurea圖4 聚脲的燃燒性能曲線和殘?zhí)空掌現(xiàn)ig.4 Polyurea combustion curves and residue carbon photos(a) The curves of heat release rate of polyureas and time; (b) The curves of total heat release of polyureas and time;(c) The curves of total smoke production of polyureas and time; (d) The curves of CO2 production rate of polyureas and time;(e) The residue carbon photo of FRPUA; (f) The residue carbon photo of BMFRPUA

圖5 阻燃抗爆聚脲水平燃燒測(cè)試試驗(yàn)Fig.5 Horizontal flame test of blast-mitigation andflame-retardant polyurea(a) Horizontal burning; (b) Pre-test and post-test polyureas

通過(guò)霍普金斯桿的快速拉伸實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在較高形變率(2000 s-1)條件下，阻燃抗爆聚脲的拉伸強(qiáng)度大幅增加，可達(dá)到80 MPa以上(見圖7)。對(duì)比圖3數(shù)據(jù)，在低應(yīng)變率(0.2 s-1)條件下，阻燃抗爆聚脲分子鏈段有足夠的時(shí)間來(lái)響應(yīng)所施加的負(fù)載，材料斷裂伸長(zhǎng)率可以達(dá)到320%，但是隨著應(yīng)變率的增加，在高應(yīng)變率(2000 s-1)下，阻燃抗爆聚脲的鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，材料的斷裂伸長(zhǎng)率降低至60%，但是仍保持較好的材料韌性。一般來(lái)說(shuō)，在高應(yīng)變率下，普通材料的能量吸收很低，但是，阻燃抗爆聚脲在高頻應(yīng)變情況下仍保持了一個(gè)較高的斷裂伸長(zhǎng)率，作為吸收能量的動(dòng)態(tài)過(guò)渡區(qū)域，可以吸收和耗散大量的爆炸能量，承受很高的沖擊載荷。

圖6 阻燃劑含量對(duì)聚脲動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響Fig.6 Effects of flame-retardent agent contents on dynamic property of polyurea(a) The curves of storage modulus of polyureas; (b) The tanδ curves of polyureas

圖7 不同阻燃劑含量的聚脲的快速拉伸曲線Fig.7 Quick stress-strain curves of the polyureas withdifferent flame-retardant agent contents

氣體爆炸實(shí)驗(yàn)中，利用高速攝像機(jī)可以更加直觀地觀察到這種阻燃抗爆聚脲材料在高壓氣體沖擊時(shí)，材料發(fā)生的形變狀態(tài)和失效形式。根據(jù)圖8(a)所示，爆炸實(shí)驗(yàn)前期，聚脲材料出現(xiàn)了明顯的中心膨脹，說(shuō)明沖擊波已經(jīng)破壞了剛性的迎爆面水泥板，后期沖擊波將完全由阻燃抗爆涂層來(lái)抵抗。隨著沖擊波超壓的逐漸增加，抗爆涂層快速形變，涂層中心膨脹形成一個(gè)大的球形氣囊(見圖8(c))，此時(shí)，壓力傳感器監(jiān)測(cè)的爆炸超壓已經(jīng)達(dá)到1.16 MPa。隨著沖擊波壓力進(jìn)一步增加，阻燃抗爆涂層破裂失效。在大尺寸混凝土墻氣體爆炸實(shí)驗(yàn)中，噴涂抗爆涂層的墻體只在迎爆面局部區(qū)域發(fā)生凹陷變形，背爆面涂層視覺無(wú)明顯變化。通過(guò)這些氣體爆炸實(shí)驗(yàn)，證明阻燃抗爆聚脲材料具有優(yōu)異的抗氣體爆炸性能。

圖8 阻燃抗爆聚脲氣體爆炸實(shí)驗(yàn)Fig.8 Gas explosion test photos of BMFRPUA(a) The first-stage photo of gas explosion test;(b) The second-stage photo of gas explosion test;(c) The third-stage photo of gas explosion test;(d) The forth-stage photo of gas explosion test;(e) The photo of gas explosion testing concretewall with BMFRPUA;(f) The photo of gas explosion post-test concretewall with BMFRPUA

3 展 望

目前中國(guó)石化安全工程研究院有限公司開發(fā)的阻燃抗爆聚脲已應(yīng)用于多家煉化企業(yè)建筑物的抗爆改造過(guò)程，以阻燃抗爆聚脲為代表的高性能HSE功能材料逐漸成為石油化工安全的重要保證基礎(chǔ)。但是，隨著國(guó)家化學(xué)品種類越來(lái)越復(fù)雜，石油化工企業(yè)面對(duì)的安全問(wèn)題日益嚴(yán)峻，筆者認(rèn)為HSE功能材料還需要進(jìn)一步從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

(1)材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究。針對(duì)現(xiàn)有的高性能材料的瓶頸問(wèn)題，從材料微觀結(jié)構(gòu)層面開展系統(tǒng)研究，構(gòu)建材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，在傳統(tǒng)材料中引入特殊的微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，提升材料的目標(biāo)性能。

(2)材料性能的集成化研究。石油化工安全問(wèn)題十分復(fù)雜，往往利用單純一種材料難以解決問(wèn)題，需要多種材料配合應(yīng)用，形成一種高性能材料集合來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。但是，不同種類材料的理化性能差異很大，簡(jiǎn)單復(fù)合難以滿足使用要求，需要更加系統(tǒng)地研究材料的改性工藝或材料組合方式等，提升集成化材料的整體宏觀性能。

(3)材料測(cè)試技術(shù)。石油化工企業(yè)中材料應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，材料經(jīng)常遇到強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫和特殊化合物腐蝕等問(wèn)題，傳統(tǒng)材料測(cè)試條件很難與現(xiàn)場(chǎng)條件相對(duì)應(yīng)，因此，材料測(cè)試結(jié)果誤差較大，不能滿足材料的測(cè)試需求，需要開發(fā)更加接近現(xiàn)場(chǎng)條件的材料測(cè)試技術(shù)或測(cè)試方法，提升材料測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。