基于納米復合陶瓷涂層的低溫抗結冰消防用水帶接口的設計改進

徐劍飛

（內蒙古自治區呼和浩特市消防救援支隊 后勤裝備處，內蒙古 呼和浩特 010091）

0 引言

在我國北方地區，冬季溫度低，消防作業有可能同時結冰。以銅、鋁為材質的消防用水帶接口為例，在低溫條件下，表面遇水極易結冰，導致水帶接口無法正常打開[1-2]，這種情況將對消防作業帶來的問題：（1）消防裝備供水作業時，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，取水作業時間增長，嚴重地影響現場作業的展開與快速部署；（2）在火場需臨時改變進攻路線時，打開水帶接口重新敷設水帶非常困難，有時為了應對復雜火災現場，需備用多出一般需要量若干倍的水帶，影響到消防作業的完成；（3）在作戰結束后無法打開水帶接口以分帶收卷，給撤場工作及轉移場地運輸也造成極大不便。

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

從目前國內普遍采用的鋁或銅制的兩種不同結構的消防用水帶接口結冰導致無法正常打開的誘因出發，提出兩個針對性的改進方法：一種是對材質表面進行特殊處理加工，采用航空級納米復合陶瓷噴涂材料，不僅滿足消防用水帶接口在低溫的環境下抗結冰的要求，也能滿足消防器械的機械強度、疏水性能、耐熱性等關鍵性能；另一種是針對卡式接口的內部鎖止結構進行改進，由彈簧鎖止結構改進為中空橡膠圈彈力鎖止結構，減少其內部水質的殘留，提高其抗結冰性能。

1 低溫抗結冰消防用水帶接口的關鍵設計和制備工藝

目前在國內市場普遍采用兩種結構的消防用水帶接口：內扣式消防用水帶接口、卡式消防用水帶接口[4]。

1.1 關鍵設計

內扣式消防用水帶接口：依靠兩對扣爪與內滑槽相連接的接口[5]；卡式消防用水帶接口：依靠彈簧力或其他方式推動兩個或兩個以上的滑塊使內外接口相連接的接口[6]。

為了能夠在寒冷低溫條件下，降低水帶接口的結冰程度，提高其低溫抗結冰性能，需對接頭（包含進水接頭和出水接頭）的固定部件，相對空間內壁面進行納米復合陶瓷噴涂，厚度為0.5 mm[6]。針對卡式接口的內部鎖止結構進行改進，由彈簧鎖止結構改進為中空橡膠圈彈力鎖止結構。

1.2 制備工藝

針對材質表面結冰的問題研究的納米復合陶瓷涂層材料，采用了JSYJX009特種超硬材料系列產品，在保證特種超硬材料產品良好的疏水性能以及低表面張力的情況下，進一步提高特種超硬材料產品的耐溫性能。

該納米復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，進而降低開裂閾值，在350℃以下長期使用不黃變。

特殊的結構賦予該系列產品良好的透明度以及優異的抗氧化功能，同時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]。噴涂后對比試驗：鋁，硬度由原來的100，增加到119。

針對卡式接口的結構設計（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，卡舌包括間隔設置的多個。多個卡舌外周套設彈簧圈（圖1a所示），以實現卡舌的縮放，進而實現插接和拆卸。在使用過程中由于內部結構間存在間隙，水通過空隙進入卡舌外周（圖1a和圖1b所示位置）設置彈簧圈的空間，在低溫環境下會凝固結冰，導致卡舌鎖死而無法正常工作，進而導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構替代彈簧彈力結構，即利用中空橡膠圈代替傳統的彈簧圈，使得卡舌外周設置彈簧圈的空間充滿中空橡膠圈，在提供卡舌沿對應卡槽深度方向伸縮力的同時，密封卡舌外周的活動空間，阻止水通過內部結構間隙進入卡舌外周設置彈簧圈的空間，避免殘留水分冷凍結冰。

圖1 卡式消防用水帶接口內部結構圖

2 抗低溫結冰實驗

2.1 消防用內扣式水帶接口低溫結冰實驗

實驗材料為常規消防用內扣式銅質接口，試件1連接器的固定部件表面，進行了納米復合陶瓷涂料噴涂；試件2連接器的表面未作噴涂。在試件的對比區域，均勻噴灑適量的水。同步放入高低溫箱，冷凍溫度設置-25℃，快速制冷。2 h后取出試件，在室溫25℃環境下觀察記錄解凍時間。上述實驗同等條件下進行三次，數據記錄見表1。

表1 內扣式接口解凍正常打開時間統計

實驗結果：試件1、2在低溫冷凍取出后，均發現結冰現象，但試件1的結冰程度明顯小于試件2，僅在局部有少量結冰依附，呈現了一定的防結冰性。

根據表1的實驗統計數據，試件1在恢復常溫后，平均在1.0 min內可實現正常打開，且表面結冰快速融化，水分快速脫落。試件2平均在6 min左右實現結冰溶解，正常打開，且水仍保留在試件表面，呈現較強的粘黏性。

實驗結論：在水帶接口銅質材料噴涂了納米復合陶瓷涂料后，增加了水帶接口的疏冰性和防結冰性，使該材料在低溫下，不易結冰，且結冰后，其凍黏性較弱，容易清除，該涂層也增強了水帶接口的解凍速度。

2.2 采用中空橡膠彈力鎖止結構的卡式接口低溫冷凍實驗

實驗材料為常規卡扣式水帶接口，試件3接口內部由彈簧鎖止結構替換為中空橡膠圈彈力鎖止結構；試件4接口內部依然采用彈簧鎖止結構。在試件3和4同時做浸水10 min，同步放入高低溫箱，冷凍溫度設置-25℃，快速制冷。兩小時后，取出樣品進行拍照，在室溫25℃環境下觀察和記錄解凍和打開時間。上述實驗同等條件下進行三次，數據記錄見表2。

表2 卡式消防用接口解凍正常打開時間統計

實驗結果：試件在低溫冷凍取出后，均發現結冰現象，結冰程度幾乎相同。由表2可看出，試件3在恢復常溫后，平均在6 min內解凍，并可以正常打開；試件4在5～6 min內均無法打開，平均在18 min左右結構內部解凍，接口可正常打開。

實驗結論：卡式接口由于內部結構設計的問題，在采用中空橡膠圈彈力鎖止結構后內部結構在插接過程中不存在卡舌與內壁件的間隙，減少了水的殘留，低溫環境下不易造成結冰，比傳統的彈簧鎖止結構抗結冰效果提高十分明顯。

2.3 表面進行納米復合陶瓷涂料噴涂并采用中空橡膠彈力鎖止結構的卡式接口的低溫冷凍實驗

實驗材料為常規卡式水帶接口，試件5連接器的固定部件表面，進行了納米復合陶瓷涂料噴涂，內部采用中空橡膠彈力鎖止結構；試件6連接器的表面未作噴涂，內部采用傳統的彈簧鎖止結構。在試件5和6同時做浸水10 min，同步放入高低溫箱，冷凍溫度設置-25℃，快速制冷。兩小時后，在室溫25℃環境下記錄解凍和打開時間。上述實驗同等條件下進行三次，數據記錄見表3。

表3 卡式消防用水帶接口解凍正常打開時間統計

實驗結果：試件在低溫冷凍取出后，均發現結冰現象，但試件5的結冰程度，明顯小于試件6，僅在局部有少量結冰依附，呈現了一定的抗結冰性能。

由表3可看出，試件5在恢復常溫后，平均約1 min接口可正常打開，且部分表面結冰快速脫落。試件6平均在17～18 min內部解凍，接口可正常打開，且水仍保留在試件表面，表現出較強的黏性。

實驗結論：在水帶接口鋁質材料噴涂了納米復合陶瓷涂料后，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冰性和疏冰性，使該接口在低溫下，不易結冰，且結冰后，其凍黏性較弱，容易清除，該涂層也增強了水帶接口的解凍速度，另外由于試件5內部采用中空橡膠圈彈力鎖止結構，使得試件5的打開時間明顯小于試件6，實驗結果表明卡式消防用水帶接口在材料表面噴涂了納米復合陶瓷涂料，并采用中空橡膠圈彈力鎖止結構后有效提高了接口的疏水性和低溫抗結冰性能。

3 建議

通過接口樣件抗結冰實驗，驗證了消防用水帶接口通過噴涂納米復合陶瓷涂層和內部鎖止結構的改進，在降低凍黏性、提高解凍速度和抗結冰性能方面的效果顯著。以此為契機，在北方地區進行試驗性推廣應用，有效解決了我國北方地區寒冷環境下消防用水帶接口結冰的問題，也可為后續消防裝備與器材抗結冰性能升級工作提供實用數據支撐和經驗。