深海水上救護材料的研究與應(yīng)用

中國有一條漫長的海岸，豐富的海洋資源。隨著海洋開發(fā)科學(xué)的興起,利用載人或無人潛器在深海中直接進行觀察、測量、取樣以至設(shè)置必要的儀器設(shè)施、水下作業(yè)等深潛技術(shù)是必不可少的。由此,低密度、高強度的固體浮力材料在這一領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。水上救生裝備更是保證在水域活動者或落水者安全的一種水上防護用品,廣泛用于漁業(yè)、水上作業(yè)、水上運動等活動及海關(guān)緝私軍隊等特殊行業(yè)和部門。英、美等國一直致力于水上救生材料的研究和開發(fā),并在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。1水上急救材料的發(fā)展美、日、俄等國從20世紀60年代末開始研究高強度浮力材料,以用于大洋深海海底的開發(fā)事業(yè)。目前已研制出可用于6000m的載人潛器,日本已開始研制1萬m深的水下機器人。我國對浮力材料的研究起步較晚,青島海洋化工研究院研制的固體浮力材料可用于1000m的水深,對于6000m水深的浮力材料研究正在探索實驗階段。水上救生材料的研發(fā)歷史長、進展慢,直到二戰(zhàn)中,海上死亡人數(shù)驚人,才引起了各國對水上救生材料的重視。20世紀50年代,英國首先研制出了充氣式救生衣,與此同時,美國也開始研究木棉、泡沫塑料、玻璃纖維等固體浮力救生衣并比較其優(yōu)缺點,也研制出了充氣救生衣,之后又在結(jié)構(gòu)設(shè)計,材料開發(fā)方面做了大量研究,取得顯著進展。浮力材料實際使用時需浸泡在水中,要求耐水、耐壓、耐腐蝕和抗沖擊。在救生浮力材料的各種性能中還要考慮材料在水中的浮力大小及浮力損失率。目前浮力材料在軍用和民用上有廣泛的應(yīng)用,如漂浮于水面或懸浮于水中的浮纜、浮標、海底埋纜機械、海床基、救生衣,救生筏、游樂浮萍等。使用環(huán)境不同,對其性能要求也不一樣。隨著海洋技術(shù)的開發(fā),浮力材料的應(yīng)用前景廣闊。2復(fù)配材料的性能作為水上救生器具,無論由何種浮力材料制成,都應(yīng)具有以下4種基本性能:(1)安全漂浮性能浮力材料應(yīng)提供足夠的浮力,救生器具應(yīng)有合理的浮力分布,以保證落水者可保持安全的漂浮姿勢,口鼻高出水面而不影響呼吸。(2)營救性能救生器具應(yīng)配備可營救信號,如示位燈、哨笛等聲光示位裝置,顏色為國際通用186橙黃色;可對付水中危險的物品,如驅(qū)鯊劑;可供撈救的吊帶等。(3)保暖性能對于寒冷水域,救生器具應(yīng)具有一定的保暖功能,避免落水者因在水中熱量迅速喪失而導(dǎo)致體溫下降過快而引起死亡。(4)適體性能救生器具要有一定的適體性,攜帶方便,一定時間使用無不舒適感,并且不妨礙使用者的其他活動。在以上4種性能中,除營救性能外,其他3種性能是浮力材料本身所應(yīng)具有的,表2列示了目前市場上出現(xiàn)的幾種浮力材料。在上述幾種浮力材料中,木棉是唯一的天然纖維,纖維內(nèi)部中空,中空度高達80%～90%,因而體積密度小,浮力大,在注重綠色環(huán)保的今天無疑有著較大優(yōu)勢,但由于其韌性差,無彈性,目前多作為填充物使用,如何改善其性能,拓展其應(yīng)用形式是今后的研究方向;泡沫塑料經(jīng)過了PVC、PE、EVA及橡塑共混等幾代產(chǎn)品,性能日趨完善,廣泛應(yīng)用于各種救生器具上,目前最新的低密度Flotex聚乙烯泡沫塑料300g就可以產(chǎn)生130kg的浮力,保暖性能好,且柔軟性好,改變了塑料在人們心中僵硬不合體的印象;合成纖維的發(fā)展拓展了浮力材料的可選范圍,中空纖維的存在,為合成纖維制成內(nèi)含一定量空氣的材料,提高浮力奠定了基礎(chǔ),合纖的彈性改善了纖維集合體的回彈性,但市場上的合成纖維中空度普遍不高,局限了其作為浮力材料的發(fā)展。新近問世的Eliotex纖維有著極佳的浮力性能與保暖性能,用這種纖維制成的浮力游泳衣250g就能讓130kg體重的人在水面上漂浮,而其優(yōu)異的保暖性能已使其成為冬奧會上美國、加拿大運動員服裝的首選材料。3國外浮游生物結(jié)構(gòu)研究救生浮力材料種類繁多,性能也各有千秋,作為個體救生最常用的就是救生衣,下面就救生衣的結(jié)構(gòu)作簡單論述:3.1制品的救生品浮力材料作為填充料,外層包覆抗浸水材料制成的救生器具主要有救生漂浮墊、救生衣等。所使用的浮力材料主要有木棉纖維、木棉纖維與新合纖如中空滌綸、中空丙綸的纖維集合體或絮片以及泡沫塑料等(如圖1g)。3.2gore-tex織物圖2所示為Eliotex(又稱Insultex)織物結(jié)構(gòu),外層為防水織物,中間為Eliotex薄膜結(jié)構(gòu)。其特點是富含微小氣囊,輕薄、保暖,一層Eliotex織物就可讓穿用者抵御-25℃的寒冷氣候,1yd2Eliotex織物厚度僅0.533mm、重量僅為11.91g,且其浮力很大,用于制成浮力游泳衣和保暖服。圖3所示為北京澤泰科技有限公司生產(chǎn)的GORE-TEX織物,該織物由外層織物、GORE-TEX薄膜、底層織物三層復(fù)合而成,織物結(jié)構(gòu)為95/5Nomex-Kevlar/GORE-TEX膜/100%Nomex。其特點為阻燃防水,能夠為穿用者在7.2℃條件下提供2h防護,用于空軍和海岸警備救生。3.3漂浮織物的設(shè)計如夾層漂浮織物,將聚苯乙烯珠?；虿晃呙芊舛鹊陌l(fā)泡聚乙烯薄片置于兩層織物之間,用針刺或縫合的方法將其與兩層織物結(jié)合在一起,則制成柔軟透氣的漂浮織物?？捎糜谥谱髌|等。法國Noveltex公司開發(fā)了針刺、縫合立體織物的工藝技術(shù),大大降低了立體織物的成本,拓展了立體織物的應(yīng)用范圍。3.4立體織物的結(jié)構(gòu)形式三維織物最初是為替代昂貴的耐高溫金屬合金而開始研究的,用于航空航天領(lǐng)域(圖4為由超輕量纖維三維結(jié)構(gòu)織物制成的飛艇)。三維織物較之二維織物具有不分層、質(zhì)量輕、比強度高、抗沖擊、耐腐蝕等特點,廣泛用于航空、航海、汽車、建筑及消費工業(yè)領(lǐng)域。立體織物的成型方法有多種,包括編織、機織、穿刺、針織和無紡等。三維機織物的主要結(jié)構(gòu)形式可分為正交結(jié)構(gòu)、角連鎖結(jié)構(gòu)和三明治夾心結(jié)構(gòu)。立體織物的纖維多數(shù)采用不加捻的長絲,為獲得高強度、高摸量、耐高溫、耐腐蝕等特殊性能的高級復(fù)合材料,要求采用伸長率低、耐高溫、高強度的碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、硼纖維等。用于浮力材料的纖維多為碳纖維和玻璃纖維,可制成救生艇。4紡織預(yù)應(yīng)力材料的性能和結(jié)構(gòu)從從事海洋開發(fā)和水上救生開始,人們就沒停止過對浮力材料的研究,已從最早的只注重浮力大小到重視各方面的綜合指標,如浮力損失、保暖性、適體性、安全分布等等。在眾多的浮力材料中,質(zhì)輕疏水的紡織浮力材料具有柔軟貼體的特征,是其它浮力材料無法替代的,人們一直在對它的性能和結(jié)構(gòu)進行開發(fā)和研究,在合成纖維世界里,新型浮力材