一种针对硫化氢气体泄漏的简易防护面具的制备与应用

●李绍宁，王 涛

(1．天津西青区消防支队，天津 300153;2．廊坊市消防支队，河北廊坊 065000)

0 引言

近年来，随着我国经济的发展，城市建设、农业生产进步越来越快，各类井的使用范围和数量也日益增长起来，人员被困井下的事故也时有发生。对于坠入井下人员的救援，既是消防部队的职责和义务，同时也是救援工作的一个难点。由于救助人员的专业性不强及安全防范意识淡薄所造成的井下遇险事故时有发生。通过对多起深井救援事故分析［1-4］，发现深井中硫化氢等有害气体的毒害是造成人员伤亡的一大主因。

对于较为复杂的井下救援现场，建议多种设备配合使用，例如一方面利用小型坑道送风机、排烟机或者空气呼吸器气瓶向井下补充新鲜空气，另一方面救援人员使用移动供气源下井救人。但是，在实际操作过程中，经常发生由于井口口径较小造成呼吸器面罩脱落或者供气管线破损或被救人无意识情况下将供气管线拽落的情况，当硫化氢气体浓度达到750～1 000 ppm时，瞬间即可造成人员击倒性死亡，给救援人员造成生命威胁［5-6］。如2011年8月，某市1名妇女掉入一庄稼地井中，消防官兵在救援过程中由于防护不当，致使4名官兵死亡。可见井下救援是极其危险的救援行动，只有做好救援人员和被施救者的安全防护，才能真正做到“科学施救，万无一失”。

本文采用高能电子束(EB)辐照引发接枝法，在聚丙烯无纺布(PP)上接枝丙烯酸十二酯(LA)，制备了一种针对硫化氢等有害气体泄漏的简易防护面具，可附着于空气呼吸器面罩内侧，防止呼吸器面罩脱落或者供气管线破损而威胁救援作业者的自身安全。试验重点研究了不同接枝率改性聚丙烯样本对硫化氢气体吸附效果的影响［7-8］。

1 试验

1．1 试剂与仪器

本试验所用主要试剂与仪器设备如表1和表2所示。

表1 试验所用主要试剂

表2 试验仪器设备

1．2 改性聚丙烯无纺布的制备

将预处理后的聚丙烯无纺布放入苯乙烯密封袋中，加入丙烯酸十二酯、硫酸亚铁铵、异丙醇和水，溶胀24 h，通氮气10 min除去袋中的氧气。经高能辐照一段时间后，用乙醇洗涤除去未反应的单体及共聚物，在真空干燥箱中烘至恒重。采取20 KGy的电子束辐照剂量来引发接枝聚合反应，得到改性聚丙烯无纺布(PP-g-LA)。其接枝率按式(1)计算:

1．3 改性聚丙烯无纺布的结构表征

1．3．1 红外光谱的测定

用衰减全反射傅里叶红外光谱(FT-IR ATR)对接枝改性处理前后的聚丙烯样本进行分析，光谱范围为4 000～1 000cm-1。

1．3．2 扫描电镜

将接枝改性处理前后的聚丙烯样本表面喷金处理后，用扫描电镜(SEM)观察其表面形态并照相。

1．3．3 力学性能测试

在20℃室温以及65%相对湿度条件下，应用LLY-06型电子单纤维强力仪测试接枝改性处理前后的聚丙烯样本的单纤维强力，样品间的最小隔距为10 mm，测试时拉伸速度设定为20 mm·min-1。

1．3．4 比表面积与孔隙率的测定

测试过程中，样品首先在473 K条件下抽空达到10-6torr，并在真空条件下75℃加热4 h后已完全脱除样品中的水分，在液氮保护下采用BET法对纤维样品的比表面积和孔隙度进行测定。

1．3．5 吸附性能的测定

本文采用固定床吸附装置测定硫化氢气体在改性聚丙烯无纺布上的吸附情况。试验装置如图1所示。进行试验时，空气为载气，空气流分为两个分支:一个分支流入维持在20℃ 的气体发生瓶，然后进入气体缓冲瓶;另一个分支直接进入气体缓冲瓶，含有硫化氢的混合气体进入固定床吸附柱，气体经过固定床吸附流出后进入到含有吸收液的U形管中，由气相色谱仪的氢火焰离子(FID)检测器进行检测。通过测定应用改性聚丙烯无纺布样本吸附前后的硫化氢气体浓度差值计算吸附效果［9］。

图1 吸附测定流程图

2 结果与讨论

2．1 反应条件对改性聚丙烯无纺布接枝率的影响

单体浓度和异丙醇与水的比值对接枝率的影响如表3和表4所示。随着单体浓度(其范围为0．63% ～7．5%)的不断增大，聚丙烯基体表面活性自由基与丙烯酸十二酯单体碰撞的几率逐渐增大，聚丙烯无纺布的接枝率也随之上升。此外，先前的研究表明，使用适当的溶剂可以显著提高基体上的接枝率。适当的异丙醇和水的比值能够带来较高的接枝率，当异丙醇与水的配比为1∶4时接枝率达到最大，之后异丙醇的配比升高对接枝率影响较小。在本试验中，当单体浓度为7．5%，异丙醇与水的配比为1∶4时接枝率达到最大，为26．45%。

表3 单体浓度对接枝率的影响

表4 异丙醇与水的配比对接枝率的影响

2．2 聚丙烯无纺布改性处理前后的红外光谱

图2显示的是聚丙烯无纺布在接枝改性处理前后的红外光谱图。LA单体成功接枝到聚丙烯无纺布上的依据是在1 733cm-1处出现明显的脂肪酸酯的羰基伸缩振动峰，随着接枝率的增加，吸收峰的振动强度越来越大。可见，接枝改性处理后的聚丙烯无纺布其下表面、内部和上表面的谱图中均出现了明显的羰基伸缩振动峰，说明LA单体成功的接枝到了无纺布上，由于高能电子束穿透力强，能够穿透无纺布基体，达到了基体本体的接枝［10］。

图2 接枝前后聚丙烯无纺布的红外光谱图

2．3 聚丙烯无纺布改性处理前后的表面形态分析

图3显示了聚丙烯无纺布改性前后的扫描电镜图片(图中1、2为原无纺布，3、4为改性后的无纺布，1、3放大3 000倍，2、4放大10 000倍)。丙烯酸十二酯单体成功接枝到聚丙烯无纺布基体表面，这使得原来平滑的聚丙烯基体表面变得粗糙，结合改性处理前后的红外谱图，再次验证了丙烯酸十二酯单体接枝到聚丙烯无纺布基体表面。

图3 接枝前后聚丙烯无纺布的表面形态

表5给出了不同接枝率的改性聚丙烯无纺布的表面特征数据。比表面积和孔隙率随着接枝率的提高而提高。当接枝率从4．39%上升到26．45%时，孔隙率从92．81%下降到了65．34%，比表面积也从0．88%下降到了0．59%。这是由于接枝产物覆盖了聚丙烯无纺布基体表面并随接枝异构结构在聚丙烯单丝之间形成网状结构，接枝聚丙烯无纺布单丝的直径变大，这些因素共同导致了聚丙烯无纺布孔隙率和比表面积的下降。因此，经过改性处理后具备发达微孔结构的聚丙烯无纺布，能够有效将硫化氢气体吸入到改性处理后的聚丙烯无纺布基体之中，并能保证将其通过较小的孔隙率保存在微孔结构中，不能轻易从其中释放出来，有效地防止了被吸附有毒气体的解吸，极大地保障了消防灭火救援人员免受硫化氢气体的伤害［11-12］。

表5 不同接枝率的改性聚丙烯无纺布的表面特征数据

2．4 聚丙烯无纺布改性处理前后的力学性能分析

表6给出的是聚丙烯无纺布基体接枝处理前后的单丝力学性能。丙烯酸十二酯单体的接枝反应主要发生在聚丙烯纤维基体的无定形区，使得结晶区向无定形区转变。随着聚丙烯基体表面无定形区的增加，使得接枝处理后的样本基体的物理性能明显增强。这种趋势可以从以下两个方面解释:一是聚丙烯无纺布基体吸收了部分辐照光源;二是由于接枝到聚丙烯无纺布基体表面的单体聚合后，增强了聚丙烯基体的柔韧性与弹性，有效提高了其力学性能。力学性能的增加，保证了该类简易面具在火场实际使用当中，能够有效防止划破等意外事故的发生，为消防指战员的安全加上了“双保险”［5-9］。

表6 聚丙烯无纺布改性前后的力学性能

2．5 改性聚丙烯无纺布简易面具的吸附性能

图4显示的是改性聚丙烯无纺布接枝率对硫化氢气体吸附倍率的影响曲线。如图所示，丙烯酸十二酯是一种带有酯基的亲有机物单体，它和硫化氢分子之间有很强的作用力，随着接枝率的不断增大，丙烯酸十二酯单体随机接枝到聚丙烯无纺布基体表面，其对硫化氢气体吸附倍率不断增大［10-11］。随着PP-g-LA的接枝率从0增加到26．45%，它对硫化氢气体的吸附倍率达到最大值，为378．5 mg·g-1，是改性处理前聚丙烯无纺布吸附倍率的18．9倍。当泄漏硫化氢气体浓度在此浓度以下时，能够有效保护救援作业人员的安全不受侵害［12-13］。

图4 改性聚丙烯无纺布接枝率对硫化氢气体吸附倍率的影响曲线

2．6 改性聚丙烯无纺布简易面具的重复使用性能

图5显示了接枝聚丙烯无纺布简易防硫化氢面具的重复使用性能，从图中可以看出经过简单洗涤处理后的改性聚丙烯无纺布与第一次的使用效果无明显差异，都能达到第一次使用时吸附量的98%以上，说明该改性聚丙烯简易面具具有足够的稳定性，可以多次重复利用，在抢险及灭火救援现场具有一定的实用价值。

图5 改性聚丙烯无纺布简易面具的重复使用性能

3 结论

本文以聚丙烯(PP)样本为基体，高能电子束辐照引发接枝的方法，在聚丙烯无纺布基体上接枝丙烯酸十二酯单体制备一种简易硫化氢气体吸附材料PP-g-LA。在单体浓度为7．5%，异丙醇与水的比为1∶4时，PP-g-LA的接枝率为26．45%，改性聚丙烯简易面具对硫化氢气体的吸附性能达到最佳效果。此方法制备简单、成本低廉，在有毒气体泄漏应急救援行动中具有极大的应用前景。

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