基于納米復(fù)合陶瓷涂層的低溫抗結(jié)冰消防用水帶接口的設(shè)計(jì)改進(jìn)

徐劍飛

（內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市消防救援支隊(duì) 后勤裝備處，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010091）

0 引言

在我國北方地區(qū)，冬季溫度低，消防作業(yè)有可能同時(shí)結(jié)冰。以銅、鋁為材質(zhì)的消防用水帶接口為例，在低溫條件下，表面遇水極易結(jié)冰，導(dǎo)致水帶接口無法正常打開[1-2]，這種情況將對(duì)消防作業(yè)帶來的問題：（1）消防裝備供水作業(yè)時(shí)，因冰凍消防車輛的汲水裝置不能快速地接駁到消防栓或消防水車上，取水作業(yè)時(shí)間增長，嚴(yán)重地影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的展開與快速部署；（2）在火場(chǎng)需臨時(shí)改變進(jìn)攻路線時(shí)，打開水帶接口重新敷設(shè)水帶非常困難，有時(shí)為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，需備用多出一般需要量若干倍的水帶，影響到消防作業(yè)的完成；（3）在作戰(zhàn)結(jié)束后無法打開水帶接口以分帶收卷，給撤場(chǎng)工作及轉(zhuǎn)移場(chǎng)地運(yùn)輸也造成極大不便。

因此，如何在冬季寒冷低溫下，降低鋁或銅制水帶接口的結(jié)冰程度，提高其低溫抗結(jié)冰性能，是目前亟待研究的問題[3]。

從目前國內(nèi)普遍采用的鋁或銅制的兩種不同結(jié)構(gòu)的消防用水帶接口結(jié)冰導(dǎo)致無法正常打開的誘因出發(fā)，提出兩個(gè)針對(duì)性的改進(jìn)方法：一種是對(duì)材質(zhì)表面進(jìn)行特殊處理加工，采用航空級(jí)納米復(fù)合陶瓷噴涂材料，不僅滿足消防用水帶接口在低溫的環(huán)境下抗結(jié)冰的要求，也能滿足消防器械的機(jī)械強(qiáng)度、疏水性能、耐熱性等關(guān)鍵性能；另一種是針對(duì)卡式接口的內(nèi)部鎖止結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，由彈簧鎖止結(jié)構(gòu)改進(jìn)為中空橡膠圈彈力鎖止結(jié)構(gòu)，減少其內(nèi)部水質(zhì)的殘留，提高其抗結(jié)冰性能。

1 低溫抗結(jié)冰消防用水帶接口的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和制備工藝

目前在國內(nèi)市場(chǎng)普遍采用兩種結(jié)構(gòu)的消防用水帶接口：內(nèi)扣式消防用水帶接口、卡式消防用水帶接口[4]。

1.1 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

內(nèi)扣式消防用水帶接口：依靠兩對(duì)扣爪與內(nèi)滑槽相連接的接口[5]；卡式消防用水帶接口：依靠彈簧力或其他方式推動(dòng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的滑塊使內(nèi)外接口相連接的接口[6]。

為了能夠在寒冷低溫條件下，降低水帶接口的結(jié)冰程度，提高其低溫抗結(jié)冰性能，需對(duì)接頭（包含進(jìn)水接頭和出水接頭）的固定部件，相對(duì)空間內(nèi)壁面進(jìn)行納米復(fù)合陶瓷噴涂，厚度為0.5 mm[6]。針對(duì)卡式接口的內(nèi)部鎖止結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，由彈簧鎖止結(jié)構(gòu)改進(jìn)為中空橡膠圈彈力鎖止結(jié)構(gòu)。

1.2 制備工藝

針對(duì)材質(zhì)表面結(jié)冰的問題研究的納米復(fù)合陶瓷涂層材料，采用了JSYJX009特種超硬材料系列產(chǎn)品，在保證特種超硬材料產(chǎn)品良好的疏水性能以及低表面張力的情況下，進(jìn)一步提高特種超硬材料產(chǎn)品的耐溫性能。

該納米復(fù)合陶瓷材料可有效降低在高溫條件下聚合物的熱線性收縮問題，降低熱線性收縮系數(shù)，進(jìn)而降低開裂閾值，在350℃以下長期使用不黃變。

特殊的結(jié)構(gòu)賦予該系列產(chǎn)品良好的透明度以及優(yōu)異的抗氧化功能，同時(shí)可以有效提升涂層的疏水及抗涂鴉（疏油）等性能，提高其在金屬基材的長效清潔度[6]。噴涂后對(duì)比試驗(yàn)：鋁，硬度由原來的100，增加到119。

針對(duì)卡式接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1），其為插入式接扣，包括母扣、與母扣插接并通過卡舌定位的公扣，卡舌包括間隔設(shè)置的多個(gè)。多個(gè)卡舌外周套設(shè)彈簧圈（圖1a所示），以實(shí)現(xiàn)卡舌的縮放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)插接和拆卸。在使用過程中由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)間存在間隙，水通過空隙進(jìn)入卡舌外周（圖1a和圖1b所示位置）設(shè)置彈簧圈的空間，在低溫環(huán)境下會(huì)凝固結(jié)冰，導(dǎo)致卡舌鎖死而無法正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致水帶接口無法正常打開，需要用開水澆、常溫融化或敲擊等辦法方能打開，使用非常不便。采用中空橡膠彈力鎖止結(jié)構(gòu)替代彈簧彈力結(jié)構(gòu)，即利用中空橡膠圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈簧圈，使得卡舌外周設(shè)置彈簧圈的空間充滿中空橡膠圈，在提供卡舌沿對(duì)應(yīng)卡槽深度方向伸縮力的同時(shí)，密封卡舌外周的活動(dòng)空間，阻止水通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隙進(jìn)入卡舌外周設(shè)置彈簧圈的空間，避免殘留水分冷凍結(jié)冰。

圖1 卡式消防用水帶接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 抗低溫結(jié)冰實(shí)驗(yàn)

2.1 消防用內(nèi)扣式水帶接口低溫結(jié)冰實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為常規(guī)消防用內(nèi)扣式銅質(zhì)接口，試件1連接器的固定部件表面，進(jìn)行了納米復(fù)合陶瓷涂料噴涂；試件2連接器的表面未作噴涂。在試件的對(duì)比區(qū)域，均勻噴灑適量的水。同步放入高低溫箱，冷凍溫度設(shè)置-25℃，快速制冷。2 h后取出試件，在室溫25℃環(huán)境下觀察記錄解凍時(shí)間。上述實(shí)驗(yàn)同等條件下進(jìn)行三次，數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 內(nèi)扣式接口解凍正常打開時(shí)間統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：試件1、2在低溫冷凍取出后，均發(fā)現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，但試件1的結(jié)冰程度明顯小于試件2，僅在局部有少量結(jié)冰依附，呈現(xiàn)了一定的防結(jié)冰性。

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，試件1在恢復(fù)常溫后，平均在1.0 min內(nèi)可實(shí)現(xiàn)正常打開，且表面結(jié)冰快速融化，水分快速脫落。試件2平均在6 min左右實(shí)現(xiàn)結(jié)冰溶解，正常打開，且水仍保留在試件表面，呈現(xiàn)較強(qiáng)的粘黏性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在水帶接口銅質(zhì)材料噴涂了納米復(fù)合陶瓷涂料后，增加了水帶接口的疏冰性和防結(jié)冰性，使該材料在低溫下，不易結(jié)冰，且結(jié)冰后，其凍黏性較弱，容易清除，該涂層也增強(qiáng)了水帶接口的解凍速度。

2.2 采用中空橡膠彈力鎖止結(jié)構(gòu)的卡式接口低溫冷凍實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為常規(guī)卡扣式水帶接口，試件3接口內(nèi)部由彈簧鎖止結(jié)構(gòu)替換為中空橡膠圈彈力鎖止結(jié)構(gòu)；試件4接口內(nèi)部依然采用彈簧鎖止結(jié)構(gòu)。在試件3和4同時(shí)做浸水10 min，同步放入高低溫箱，冷凍溫度設(shè)置-25℃，快速制冷。兩小時(shí)后，取出樣品進(jìn)行拍照，在室溫25℃環(huán)境下觀察和記錄解凍和打開時(shí)間。上述實(shí)驗(yàn)同等條件下進(jìn)行三次，數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2 卡式消防用接口解凍正常打開時(shí)間統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：試件在低溫冷凍取出后，均發(fā)現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰程度幾乎相同。由表2可看出，試件3在恢復(fù)常溫后，平均在6 min內(nèi)解凍，并可以正常打開；試件4在5～6 min內(nèi)均無法打開，平均在18 min左右結(jié)構(gòu)內(nèi)部解凍，接口可正常打開。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：卡式接口由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題，在采用中空橡膠圈彈力鎖止結(jié)構(gòu)后內(nèi)部結(jié)構(gòu)在插接過程中不存在卡舌與內(nèi)壁件的間隙，減少了水的殘留，低溫環(huán)境下不易造成結(jié)冰，比傳統(tǒng)的彈簧鎖止結(jié)構(gòu)抗結(jié)冰效果提高十分明顯。

2.3 表面進(jìn)行納米復(fù)合陶瓷涂料噴涂并采用中空橡膠彈力鎖止結(jié)構(gòu)的卡式接口的低溫冷凍實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為常規(guī)卡式水帶接口，試件5連接器的固定部件表面，進(jìn)行了納米復(fù)合陶瓷涂料噴涂，內(nèi)部采用中空橡膠彈力鎖止結(jié)構(gòu)；試件6連接器的表面未作噴涂，內(nèi)部采用傳統(tǒng)的彈簧鎖止結(jié)構(gòu)。在試件5和6同時(shí)做浸水10 min，同步放入高低溫箱，冷凍溫度設(shè)置-25℃，快速制冷。兩小時(shí)后，在室溫25℃環(huán)境下記錄解凍和打開時(shí)間。上述實(shí)驗(yàn)同等條件下進(jìn)行三次，數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 卡式消防用水帶接口解凍正常打開時(shí)間統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：試件在低溫冷凍取出后，均發(fā)現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，但試件5的結(jié)冰程度，明顯小于試件6，僅在局部有少量結(jié)冰依附，呈現(xiàn)了一定的抗結(jié)冰性能。

由表3可看出，試件5在恢復(fù)常溫后，平均約1 min接口可正常打開，且部分表面結(jié)冰快速脫落。試件6平均在17～18 min內(nèi)部解凍，接口可正常打開，且水仍保留在試件表面，表現(xiàn)出較強(qiáng)的黏性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在水帶接口鋁質(zhì)材料噴涂了納米復(fù)合陶瓷涂料后，試件5的表面光潔度明顯高于試件6，增加了水帶接口的防結(jié)冰性和疏冰性，使該接口在低溫下，不易結(jié)冰，且結(jié)冰后，其凍黏性較弱，容易清除，該涂層也增強(qiáng)了水帶接口的解凍速度，另外由于試件5內(nèi)部采用中空橡膠圈彈力鎖止結(jié)構(gòu)，使得試件5的打開時(shí)間明顯小于試件6，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明卡式消防用水帶接口在材料表面噴涂了納米復(fù)合陶瓷涂料，并采用中空橡膠圈彈力鎖止結(jié)構(gòu)后有效提高了接口的疏水性和低溫抗結(jié)冰性能。

3 建議

通過接口樣件抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了消防用水帶接口通過噴涂納米復(fù)合陶瓷涂層和內(nèi)部鎖止結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，在降低凍黏性、提高解凍速度和抗結(jié)冰性能方面的效果顯著。以此為契機(jī)，在北方地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)性推廣應(yīng)用，有效解決了我國北方地區(qū)寒冷環(huán)境下消防用水帶接口結(jié)冰的問題，也可為后續(xù)消防裝備與器材抗結(jié)冰性能升級(jí)工作提供實(shí)用數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)。