一種針對硫化氫氣體泄漏的簡易防護面具的制備與應用

●李紹寧，王 濤

(1．天津西青區消防支隊，天津 300153;2．廊坊市消防支隊，河北廊坊 065000)

0 引言

近年來，隨著我國經濟的發展，城市建設、農業生產進步越來越快，各類井的使用范圍和數量也日益增長起來，人員被困井下的事故也時有發生。對于墜入井下人員的救援，既是消防部隊的職責和義務，同時也是救援工作的一個難點。由于救助人員的專業性不強及安全防范意識淡薄所造成的井下遇險事故時有發生。通過對多起深井救援事故分析［1-4］，發現深井中硫化氫等有害氣體的毒害是造成人員傷亡的一大主因。

對于較為復雜的井下救援現場，建議多種設備配合使用，例如一方面利用小型坑道送風機、排煙機或者空氣呼吸器氣瓶向井下補充新鮮空氣，另一方面救援人員使用移動供氣源下井救人。但是，在實際操作過程中，經常發生由于井口口徑較小造成呼吸器面罩脫落或者供氣管線破損或被救人無意識情況下將供氣管線拽落的情況，當硫化氫氣體濃度達到750～1 000 ppm時，瞬間即可造成人員擊倒性死亡，給救援人員造成生命威脅［5-6］。如2011年8月，某市1名婦女掉入一莊稼地井中，消防官兵在救援過程中由于防護不當，致使4名官兵死亡。可見井下救援是極其危險的救援行動，只有做好救援人員和被施救者的安全防護，才能真正做到“科學施救，萬無一失”。

本文采用高能電子束(EB)輻照引發接枝法，在聚丙烯無紡布(PP)上接枝丙烯酸十二酯(LA)，制備了一種針對硫化氫等有害氣體泄漏的簡易防護面具，可附著于空氣呼吸器面罩內側，防止呼吸器面罩脫落或者供氣管線破損而威脅救援作業者的自身安全。試驗重點研究了不同接枝率改性聚丙烯樣本對硫化氫氣體吸附效果的影響［7-8］。

1 試驗

1．1 試劑與儀器

本試驗所用主要試劑與儀器設備如表1和表2所示。

表1 試驗所用主要試劑

表2 試驗儀器設備

1．2 改性聚丙烯無紡布的制備

將預處理后的聚丙烯無紡布放入苯乙烯密封袋中，加入丙烯酸十二酯、硫酸亞鐵銨、異丙醇和水，溶脹24 h，通氮氣10 min除去袋中的氧氣。經高能輻照一段時間后，用乙醇洗滌除去未反應的單體及共聚物，在真空干燥箱中烘至恒重。采取20 KGy的電子束輻照劑量來引發接枝聚合反應，得到改性聚丙烯無紡布(PP-g-LA)。其接枝率按式(1)計算:

1．3 改性聚丙烯無紡布的結構表征

1．3．1 紅外光譜的測定

用衰減全反射傅里葉紅外光譜(FT-IR ATR)對接枝改性處理前后的聚丙烯樣本進行分析，光譜范圍為4 000～1 000cm-1。

1．3．2 掃描電鏡

將接枝改性處理前后的聚丙烯樣本表面噴金處理后，用掃描電鏡(SEM)觀察其表面形態并照相。

1．3．3 力學性能測試

在20℃室溫以及65%相對濕度條件下，應用LLY-06型電子單纖維強力儀測試接枝改性處理前后的聚丙烯樣本的單纖維強力，樣品間的最小隔距為10 mm，測試時拉伸速度設定為20 mm·min-1。

1．3．4 比表面積與孔隙率的測定

測試過程中，樣品首先在473 K條件下抽空達到10-6torr，并在真空條件下75℃加熱4 h后已完全脫除樣品中的水分，在液氮保護下采用BET法對纖維樣品的比表面積和孔隙度進行測定。

1．3．5 吸附性能的測定

本文采用固定床吸附裝置測定硫化氫氣體在改性聚丙烯無紡布上的吸附情況。試驗裝置如圖1所示。進行試驗時，空氣為載氣，空氣流分為兩個分支:一個分支流入維持在20℃ 的氣體發生瓶，然后進入氣體緩沖瓶;另一個分支直接進入氣體緩沖瓶，含有硫化氫的混合氣體進入固定床吸附柱，氣體經過固定床吸附流出后進入到含有吸收液的U形管中，由氣相色譜儀的氫火焰離子(FID)檢測器進行檢測。通過測定應用改性聚丙烯無紡布樣本吸附前后的硫化氫氣體濃度差值計算吸附效果［9］。

圖1 吸附測定流程圖

2 結果與討論

2．1 反應條件對改性聚丙烯無紡布接枝率的影響

單體濃度和異丙醇與水的比值對接枝率的影響如表3和表4所示。隨著單體濃度(其范圍為0．63% ～7．5%)的不斷增大，聚丙烯基體表面活性自由基與丙烯酸十二酯單體碰撞的幾率逐漸增大，聚丙烯無紡布的接枝率也隨之上升。此外，先前的研究表明，使用適當的溶劑可以顯著提高基體上的接枝率。適當的異丙醇和水的比值能夠帶來較高的接枝率，當異丙醇與水的配比為1∶4時接枝率達到最大，之后異丙醇的配比升高對接枝率影響較小。在本試驗中，當單體濃度為7．5%，異丙醇與水的配比為1∶4時接枝率達到最大，為26．45%。

表3 單體濃度對接枝率的影響

表4 異丙醇與水的配比對接枝率的影響

2．2 聚丙烯無紡布改性處理前后的紅外光譜

圖2顯示的是聚丙烯無紡布在接枝改性處理前后的紅外光譜圖。LA單體成功接枝到聚丙烯無紡布上的依據是在1 733cm-1處出現明顯的脂肪酸酯的羰基伸縮振動峰，隨著接枝率的增加，吸收峰的振動強度越來越大。可見，接枝改性處理后的聚丙烯無紡布其下表面、內部和上表面的譜圖中均出現了明顯的羰基伸縮振動峰，說明LA單體成功的接枝到了無紡布上，由于高能電子束穿透力強，能夠穿透無紡布基體，達到了基體本體的接枝［10］。

圖2 接枝前后聚丙烯無紡布的紅外光譜圖

2．3 聚丙烯無紡布改性處理前后的表面形態分析

圖3顯示了聚丙烯無紡布改性前后的掃描電鏡圖片(圖中1、2為原無紡布，3、4為改性后的無紡布，1、3放大3 000倍，2、4放大10 000倍)。丙烯酸十二酯單體成功接枝到聚丙烯無紡布基體表面，這使得原來平滑的聚丙烯基體表面變得粗糙，結合改性處理前后的紅外譜圖，再次驗證了丙烯酸十二酯單體接枝到聚丙烯無紡布基體表面。

圖3 接枝前后聚丙烯無紡布的表面形態

表5給出了不同接枝率的改性聚丙烯無紡布的表面特征數據。比表面積和孔隙率隨著接枝率的提高而提高。當接枝率從4．39%上升到26．45%時，孔隙率從92．81%下降到了65．34%，比表面積也從0．88%下降到了0．59%。這是由于接枝產物覆蓋了聚丙烯無紡布基體表面并隨接枝異構結構在聚丙烯單絲之間形成網狀結構，接枝聚丙烯無紡布單絲的直徑變大，這些因素共同導致了聚丙烯無紡布孔隙率和比表面積的下降。因此，經過改性處理后具備發達微孔結構的聚丙烯無紡布，能夠有效將硫化氫氣體吸入到改性處理后的聚丙烯無紡布基體之中，并能保證將其通過較小的孔隙率保存在微孔結構中，不能輕易從其中釋放出來，有效地防止了被吸附有毒氣體的解吸，極大地保障了消防滅火救援人員免受硫化氫氣體的傷害［11-12］。

表5 不同接枝率的改性聚丙烯無紡布的表面特征數據

2．4 聚丙烯無紡布改性處理前后的力學性能分析

表6給出的是聚丙烯無紡布基體接枝處理前后的單絲力學性能。丙烯酸十二酯單體的接枝反應主要發生在聚丙烯纖維基體的無定形區，使得結晶區向無定形區轉變。隨著聚丙烯基體表面無定形區的增加，使得接枝處理后的樣本基體的物理性能明顯增強。這種趨勢可以從以下兩個方面解釋:一是聚丙烯無紡布基體吸收了部分輻照光源;二是由于接枝到聚丙烯無紡布基體表面的單體聚合后，增強了聚丙烯基體的柔韌性與彈性，有效提高了其力學性能。力學性能的增加，保證了該類簡易面具在火場實際使用當中，能夠有效防止劃破等意外事故的發生，為消防指戰員的安全加上了“雙保險”［5-9］。

表6 聚丙烯無紡布改性前后的力學性能

2．5 改性聚丙烯無紡布簡易面具的吸附性能

圖4顯示的是改性聚丙烯無紡布接枝率對硫化氫氣體吸附倍率的影響曲線。如圖所示，丙烯酸十二酯是一種帶有酯基的親有機物單體，它和硫化氫分子之間有很強的作用力，隨著接枝率的不斷增大，丙烯酸十二酯單體隨機接枝到聚丙烯無紡布基體表面，其對硫化氫氣體吸附倍率不斷增大［10-11］。隨著PP-g-LA的接枝率從0增加到26．45%，它對硫化氫氣體的吸附倍率達到最大值，為378．5 mg·g-1，是改性處理前聚丙烯無紡布吸附倍率的18．9倍。當泄漏硫化氫氣體濃度在此濃度以下時，能夠有效保護救援作業人員的安全不受侵害［12-13］。

圖4 改性聚丙烯無紡布接枝率對硫化氫氣體吸附倍率的影響曲線

2．6 改性聚丙烯無紡布簡易面具的重復使用性能

圖5顯示了接枝聚丙烯無紡布簡易防硫化氫面具的重復使用性能，從圖中可以看出經過簡單洗滌處理后的改性聚丙烯無紡布與第一次的使用效果無明顯差異，都能達到第一次使用時吸附量的98%以上，說明該改性聚丙烯簡易面具具有足夠的穩定性，可以多次重復利用，在搶險及滅火救援現場具有一定的實用價值。

圖5 改性聚丙烯無紡布簡易面具的重復使用性能

3 結論

本文以聚丙烯(PP)樣本為基體，高能電子束輻照引發接枝的方法，在聚丙烯無紡布基體上接枝丙烯酸十二酯單體制備一種簡易硫化氫氣體吸附材料PP-g-LA。在單體濃度為7．5%，異丙醇與水的比為1∶4時，PP-g-LA的接枝率為26．45%，改性聚丙烯簡易面具對硫化氫氣體的吸附性能達到最佳效果。此方法制備簡單、成本低廉，在有毒氣體泄漏應急救援行動中具有極大的應用前景。

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