微型自膨胀式可降解救生手环

梁源昌 文可 徐岩琨

摘 要：本作品自主设计了一款微型自膨胀式可降解救生手环，针对现有以传统救生衣和气囊式便携救生设备为代表的个人救生设备的弊端而提出且进行了创新性研发。与传统个人救生设备相比本产品具有以下几个突出优点：①环境友好度高;②便携、舒适、可靠性高;③搜救智能。

关键词：自膨胀式;可降解;救生;手环

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0078-03

1 项目研究背景和意义

1.1 项目研究背景和意义

本项目是基于每年制作传统救生衣消耗能源之大、年废弃救生衣的数量之大、废弃救生衣对环境污染之严重以及“东方之星号”沉船事故中442人遇难，仅12人获救，死亡率高达97.36%（据事后官方调查，死亡原因绝大多数均因为事故发生后人员在船舶倾覆之前无法穿好救生衣而落水溺水身亡，幸存人也均因为抓住了船舶上散落下的漂浮物而借此获救）而提出。意在做出一种确保人员生命安全的前提下，降低传统救生衣等个人救生设备对能源的消耗以及降低其废弃后对环境造成的严重污染，响应国家倡导的节能减排，绿色环保的精神，为人类赖以生存的环境的可持续发展做出些许贡献。

1.2 国内外研究现状

针对世界航运史上如“泰坦尼克号”的沉没、“东方之星号”的沉没等世界各国对救生设备也引起了足够的重视，虽然如今科技已经相对发达，但救生设备的发展仍然相对迟缓，现如今的救生设备在海难事故真正来临时仍然显得相形见绌。因此世界各国有关人员一直在致力于研发新型的救生设备来减少环境的污染及提高人员在事故中的存活率。

1.2.1 国内研究现状

国内个人救生设备的研制情况，除去现如今制作的新型救生衣，其功能上以及提供浮力的原理上进行了改进，但选材上仍然和传统救生衣区别不大，材料应用方面仍为高污染的氯丁橡胶、尼龙、聚乙烯等。在这里主要阐述以下几种：

（1）便携式水上救援设备：此设备包括漂浮救生绳和快速充气救生圈，还包括第一壳体、第二壳体和上盖围成的救生舱和绳索舱，救生舱和绳索舱为可拆卸式连接，漂浮绳在绳索舱中，救生圈在救生舱中，漂浮绳一端与绳索舱连接，另一端与救生圈连接。此救生设备相对于本项目所研发的救生设备相比，体积过大，你便于人们随身携带，因此达不到人员自救的目的，取用同样不够快捷，另外，此项目选材也非环保材料，在减排方面更无法与本设备相比。

（2）水上救生手环：此装置包括系带、气体发生装置、照明装置和指北针。使用方式：启动气体发生装置，给折叠气囊充气，充气气囊可将佩戴此装置者拉出水面。此装置类似于美国某团队研制出的Kingii救生手环，此类手环有一个共同的致命缺陷即安全性无法得到保障，气囊提供的浮力无法将人员长时间浮在水面上，另外气体发生装置也存在安全隐患，因此，此装置也无法满足海上自救。

1.2.2 国外研究现状

（1）2015年美国加州格里德利市一研发团队设计并研制了一款名叫Kingii的气胀式救生手环，这款救生手环整体结构包括腕带、二氧化碳气瓶以及气囊，二氧化碳气罐为高压气罐可以瞬间释放大量气体充满气囊，使气囊从气仓弹出并产生浮力将人拉出水面。但此救生装置在介绍时就说明了其用途为跳水、冲浪、游泳等娱乐活动中使用，根据其结构我们也不难看出，此装置以气囊提供浮力，这在海难事故中是无法保障人员生命安全的，另外高压的二氧化碳气罐也具有一定的危险性，因此Kingii救生设备也无法满足海上救生需求。

（2）由冰岛设计师Unnur Valdís Kristjánsdóttir设计的Float漂浮头盔，其结构由头盔和两根束带组成。漂浮头盔采用了氯丁橡胶和聚乙烯泡沫材料制成，面料使用莱卡面料（聚氨基甲酸酯纤维制成），腿部仍然使用氯丁橡胶、莱卡面料以及尼龙搭扣制成，人穿戴上可以躺在水面上。但是此装置有一个极大的问题，在上文中我们便详细的说明了氯丁橡胶、尼龙材料以及聚乙烯泡沫材料对环境有着极大的危害，传统救生衣便采用这几种材料制作，这几种材料随意丢弃对环境的污染十分严重，如果人工处理，燃烧法会排放大量的有毒有害气体、其他方法处理对能源也是一种极大的消耗，而且此类装置回收难度极大，故大部分都被随意丢弃。因此，此装置的减排效果无法和本项目制作的救生装置相提并论。

故本产品在取用便捷、舒适、有安全保障的情况下，又兼具搜救智能的優点，因此，本救生设备可以从多方位保护海难事故中人员的生命安全并且本项目又贴合节能减排科技类的理念。

2 设计方案

本设备欲达到智能救生的需求，且降低传统救生衣的能耗以及排放，需要对发泡材料模块、内部控制模块以及信息化装置模块做出合理的设计。本微型自膨胀式可降解救生手环采用手动触发方式以及海水连导的方式实现对双头磁力搅拌装置对装置左右两侧的原料进行搅拌的控制，半分钟左右之后，发泡原料进行发泡，高分子泡沫在气囊的承装下，从装置左右两侧膨胀出来，为落水人员提供浮力。通过本团队对发泡原料配方的创新，膨胀出的泡沫可以迅速固化并且有足够的强度。以下为本团队设计出的外观及内部的爆炸效果图，如图1所示。

2.1 材料方面

本设备的浮力材料选用可降解的聚氨酯发泡材料，本发泡材料经过试验测试，强度与韧性足够，本材料以聚醚多元醇和甲苯二异氰酸酯为主要原料，二丁基二月桂酸锡、DMDEE、硅油等为助剂制备而成。利用聚醚与甲苯二异氰酸酯反应放热，同时异氰酸根与水反应生成大量二氧化碳使材料发泡，同时交联，形成闭孔式泡沫（如图2）。本配方制备的泡沫材料环境友好度高，发泡简便。

2.1.1 泡沫实验部分

本小组通过多次实验研发并改良配方，得到以下实验效果（如图3、图4）：

经本小组实验检测，使用量在200g时，发泡可提供的浮力大小为32N，根据资料可知，此浮力大小足够将遇险者重要身体部位浮出水面，不存在溺水情况。

从理论上分析，聚乙烯结构单元（-CH2-CH2-）的C-C、C-H键理化性能稳定，需要较高的能量或作用力才可发生分子键断裂，疏水性强，难以与生物及化学物质接触或进入微生物体内代谢分解;而聚氨酯主链上重复的氨酯键（-HNCOO-）和肽键（-CO-NH-）结构具有较高的相似性，增加了聚合物材料的生物降解性，给生活在适宜环境中的微生物提供了可攻击的位点，并给生物酶提供了一个活性位，具有可降解性。

我们在聚氨酯材料的主链上引入天然高分子，天然高分子化合物极易被微生物分解发生聚氨酯大分子断链，使材料发生崩裂形成低分子量的碎片，同时产生更容易被微生物侵蚀的弱键、链端和羧酸等，然后在微生物的进一步作用下将低分子量的碎片逐渐转化成容易被微生物吸收的能量并产生水、二氧化碳等，直至完全降解。因此可以讲本产品环境友好度极佳，分解产物可被生态系统重复利用。

2.1.2 材料降解方式

废聚氨酯泡沫制品物理方法利用的最大缺陷是再生后的泡沫制品性能下降，只适用于低级零部件，应用面窄，而且工艺繁琐。这里不将采用此方法。

化学回收法般有四种方法热解法、水解法、醇解法与碱解法：

热解法：泡沫→气态与液态馏分的混合物;

水解法：泡沫+水→多元醇+多元胺;

醇解法：泡沫+HO-R-OH→多元醇混合物;

碱解法：泡沫+NaOH→胺+醇+Na2CO3;

以上几种方法中，本小组选用的是较为成熟的醇解法，醇解法中醇解剂多元醇又可以参与回收产物再次应用二次加工之中。其中降解成本低，回收产物可直接用于作为工业原料发泡，目前已有多家公司投产。（在PU废料中加人二元醇，使短键的醇与长键的PU发生化学反应，一般在200℃加入二元醇和添加剂，由于发生了再酯化而使PU分解。）

其次，如果本救生设备的泡沫全部废弃，土埋处理，聚氨酯在一年后质量损失大约40%;聚乙烯土壤掩埋一年质量几乎没有变化。查阅文献可知，聚乙烯掩埋在土壤中10年的降解程度为0.2%-0.5%，完全降解大约需要300年，且聚乙烯材料埋入土壤中会对土地至少造成50-100年的持续污染。

热降解中聚乙烯的热降解活化能约为235kJ/mol，聚氨酯热降解活化能约为141kJ/mol，根据Arrhenius阿伦尼乌斯方程kd=Ad·通过比例推算可得= ，由此可知在同样的自然环境下，聚氨酯的热降解速率远远大于聚乙烯。

2.2 控制模块的设计

对于控制模块，我们采用的是磁力搅拌装置对发泡原料进行充分的搅拌，此控制模块分为电机、控制回路1、控制回路2，电机采用双头磁力搅拌电机，对装置左右原料舱实现同时搅拌;此外，控制回路1属手动控制回路，采用无锁开关，避免达到发泡要求后电机不能自动停止，造成能源浪费或安全隐患;控制回路2采用感应式控制回路，通过在装置外壳开孔，通过海水导通回路（根据调查，在17℃的环境下，海水的导电率为铜的7-10倍。），此设计简洁、高效，本装置也分为水上工作型及水上娱乐型，不同的类型采取不同的控制方法.

2.3 信息发射装置及定位模块

本产品包含有现代化信息装置，主要采用AIS模块另加定位功能，AIS模块在控制回路接通后，电机启动的同时，也会将遇险者信息发射至附近救助站点。

此模块目的在于保障遇险人员可以快速的得到救助，即所谓搜救智能化。此模块包含以下四种发射频率：156.775MHz、156.825MHz、161.975MHz、162.025MHz。其将不间断的向岸基发射遇险求救信息且可为救助人员提供遇险者的位置，便于快速搜寻，最大程度上保障遇险者的生命安全。另外，本团队现正在面向此功能开发专用的数据软件，以方便接受、查找位置信息。

2.4 设备原理流程图

本装置（图5）从人员落水触发至释放约需要30-40s即可为落水人员提供固定浮力。

3 创新点

3.1 浮力材料的创新

实现材料可降解且采用新方法降低VOC物质，做到污染危害最小化。本材料无发泡剂，利用原料自身反应实现发泡。相较于使用发泡剂进行发泡制备的聚乙烯泡沫，本材料更加的简单、环保。此外，降解方式简单、快速。

3.2 控制模块的创新

本产品采用双控制回路，最大程度上防止意外发生，另外考虑到船上极端情况，如人员昏迷无法手动触发装置，此时便要使用触水感应回路，回路中以最简洁的方式导通回路对装置进行启动，可以做到快速、高效。

3.3 外观的创新

在外观上，本小组进行了优化设计，流线型外观让人更加舒适、使本装置具有亲和力，另外，我们也将根据人员性别、年龄段等因素，设计不同的外观，让人们更加喜爱（注：本产品外观已申请外观专利，详见附件3）。

3.4 搜救智能的创新

本设备加装有AIS信息发射模块及定位模块，可极大程度的缩短救援时间，提高人员存活率。目前，项目对智能搜救功能已开始进行专用数据软件开发。

4 预计应用前景

由申请表中可知，传统救生衣年制作量、使用量、废弃量巨大，本产品的问世将对传统救生衣的市场份额是一此猛烈冲击，根据SOLAS公约的规定，个人救生设备将大量存在于航运业中，此外国内外的水上乐园、海水浴场等也将是我们的推广目标。本产品初期将分为水上工作型以及水上娱乐型两种救生设备，我们将借助互联网对本项目产品进行推广，开发专门的应用软件在有需求的地方实现智能化的借还及购买。由此减少传统救生衣的制作及使用，从而高效的实现节能减排目标。

5 结论

在如今的研究基础上，本团队进行了创新性研发，设计了一款微型自膨胀式可降解救生手环，实现了智能救生的特点，采用双控制回路，实现多方位对遇险者的保护，大大缩短了救援时间，提高了遇险人员的存活率，另外可降解新材料的研发，大大的降低了传统救生衣废弃后带来的污染以及制作和回收处理所产生的能耗。对本救生设备的节能减排效益分析，对传统救生设备每年以10%的替换增幅来进行计算，每年可为社会节约经济效益329-1020万元，预计一共减少土地白色污染面积1000公顷，预计一共可减少海洋污染面积50万平方公里，且逐年递增。每年共创造直接及间接经济效益超过3亿元。本设备若得以推广，不仅节约了不可再生能源等战略物资，同时保护了土地、海洋资源，创造了巨大的社会效益。因此，本产品具有广阔的应用前景。

参考文献

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