微型自膨脹式可降解救生手環(huán)

梁源昌 文可 徐巖琨

摘 要：本作品自主設(shè)計(jì)了一款微型自膨脹式可降解救生手環(huán)，針對(duì)現(xiàn)有以傳統(tǒng)救生衣和氣囊式便攜救生設(shè)備為代表的個(gè)人救生設(shè)備的弊端而提出且進(jìn)行了創(chuàng)新性研發(fā)。與傳統(tǒng)個(gè)人救生設(shè)備相比本產(chǎn)品具有以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：①環(huán)境友好度高;②便攜、舒適、可靠性高;③搜救智能。

關(guān)鍵詞：自膨脹式;可降解;救生;手環(huán)

中圖分類號(hào)：TB34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0078-03

1 項(xiàng)目研究背景和意義

1.1 項(xiàng)目研究背景和意義

本項(xiàng)目是基于每年制作傳統(tǒng)救生衣消耗能源之大、年廢棄救生衣的數(shù)量之大、廢棄救生衣對(duì)環(huán)境污染之嚴(yán)重以及“東方之星號(hào)”沉船事故中442人遇難，僅12人獲救，死亡率高達(dá)97.36%（據(jù)事后官方調(diào)查，死亡原因絕大多數(shù)均因?yàn)槭鹿拾l(fā)生后人員在船舶傾覆之前無法穿好救生衣而落水溺水身亡，幸存人也均因?yàn)樽プ×舜吧仙⒙湎碌钠∥锒璐双@救）而提出。意在做出一種確保人員生命安全的前提下，降低傳統(tǒng)救生衣等個(gè)人救生設(shè)備對(duì)能源的消耗以及降低其廢棄后對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染，響應(yīng)國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排，綠色環(huán)保的精神，為人類賴以生存的環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做出些許貢獻(xiàn)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對(duì)世界航運(yùn)史上如“泰坦尼克號(hào)”的沉沒、“東方之星號(hào)”的沉沒等世界各國(guó)對(duì)救生設(shè)備也引起了足夠的重視，雖然如今科技已經(jīng)相對(duì)發(fā)達(dá)，但救生設(shè)備的發(fā)展仍然相對(duì)遲緩，現(xiàn)如今的救生設(shè)備在海難事故真正來臨時(shí)仍然顯得相形見絀。因此世界各國(guó)有關(guān)人員一直在致力于研發(fā)新型的救生設(shè)備來減少環(huán)境的污染及提高人員在事故中的存活率。

1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)個(gè)人救生設(shè)備的研制情況，除去現(xiàn)如今制作的新型救生衣，其功能上以及提供浮力的原理上進(jìn)行了改進(jìn)，但選材上仍然和傳統(tǒng)救生衣區(qū)別不大，材料應(yīng)用方面仍為高污染的氯丁橡膠、尼龍、聚乙烯等。在這里主要闡述以下幾種：

（1）便攜式水上救援設(shè)備：此設(shè)備包括漂浮救生繩和快速充氣救生圈，還包括第一殼體、第二殼體和上蓋圍成的救生艙和繩索艙，救生艙和繩索艙為可拆卸式連接，漂浮繩在繩索艙中，救生圈在救生艙中，漂浮繩一端與繩索艙連接，另一端與救生圈連接。此救生設(shè)備相對(duì)于本項(xiàng)目所研發(fā)的救生設(shè)備相比，體積過大，你便于人們隨身攜帶，因此達(dá)不到人員自救的目的，取用同樣不夠快捷，另外，此項(xiàng)目選材也非環(huán)保材料，在減排方面更無法與本設(shè)備相比。

（2）水上救生手環(huán)：此裝置包括系帶、氣體發(fā)生裝置、照明裝置和指北針。使用方式：?jiǎn)?dòng)氣體發(fā)生裝置，給折疊氣囊充氣，充氣氣囊可將佩戴此裝置者拉出水面。此裝置類似于美國(guó)某團(tuán)隊(duì)研制出的Kingii救生手環(huán)，此類手環(huán)有一個(gè)共同的致命缺陷即安全性無法得到保障，氣囊提供的浮力無法將人員長(zhǎng)時(shí)間浮在水面上，另外氣體發(fā)生裝置也存在安全隱患，因此，此裝置也無法滿足海上自救。

1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

（1）2015年美國(guó)加州格里德利市一研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研制了一款名叫Kingii的氣脹式救生手環(huán)，這款救生手環(huán)整體結(jié)構(gòu)包括腕帶、二氧化碳?xì)馄恳约皻饽?，二氧化碳?xì)夤逓楦邏簹夤蘅梢运查g釋放大量氣體充滿氣囊，使氣囊從氣倉彈出并產(chǎn)生浮力將人拉出水面。但此救生裝置在介紹時(shí)就說明了其用途為跳水、沖浪、游泳等娛樂活動(dòng)中使用，根據(jù)其結(jié)構(gòu)我們也不難看出，此裝置以氣囊提供浮力，這在海難事故中是無法保障人員生命安全的，另外高壓的二氧化碳?xì)夤抟簿哂幸欢ǖ奈ｋU(xiǎn)性，因此Kingii救生設(shè)備也無法滿足海上救生需求。

（2）由冰島設(shè)計(jì)師Unnur Valdís Kristjánsdóttir設(shè)計(jì)的Float漂浮頭盔，其結(jié)構(gòu)由頭盔和兩根束帶組成。漂浮頭盔采用了氯丁橡膠和聚乙烯泡沫材料制成，面料使用萊卡面料（聚氨基甲酸酯纖維制成），腿部仍然使用氯丁橡膠、萊卡面料以及尼龍搭扣制成，人穿戴上可以躺在水面上。但是此裝置有一個(gè)極大的問題，在上文中我們便詳細(xì)的說明了氯丁橡膠、尼龍材料以及聚乙烯泡沫材料對(duì)環(huán)境有著極大的危害，傳統(tǒng)救生衣便采用這幾種材料制作，這幾種材料隨意丟棄對(duì)環(huán)境的污染十分嚴(yán)重，如果人工處理，燃燒法會(huì)排放大量的有毒有害氣體、其他方法處理對(duì)能源也是一種極大的消耗，而且此類裝置回收難度極大，故大部分都被隨意丟棄。因此，此裝置的減排效果無法和本項(xiàng)目制作的救生裝置相提并論。

故本產(chǎn)品在取用便捷、舒適、有安全保障的情況下，又兼具搜救智能的優(yōu)點(diǎn)，因此，本救生設(shè)備可以從多方位保護(hù)海難事故中人員的生命安全并且本項(xiàng)目又貼合節(jié)能減排科技類的理念。

2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)備欲達(dá)到智能救生的需求，且降低傳統(tǒng)救生衣的能耗以及排放，需要對(duì)發(fā)泡材料模塊、內(nèi)部控制模塊以及信息化裝置模塊做出合理的設(shè)計(jì)。本微型自膨脹式可降解救生手環(huán)采用手動(dòng)觸發(fā)方式以及海水連導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頭磁力攪拌裝置對(duì)裝置左右兩側(cè)的原料進(jìn)行攪拌的控制，半分鐘左右之后，發(fā)泡原料進(jìn)行發(fā)泡，高分子泡沫在氣囊的承裝下，從裝置左右兩側(cè)膨脹出來，為落水人員提供浮力。通過本團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)泡原料配方的創(chuàng)新，膨脹出的泡沫可以迅速固化并且有足夠的強(qiáng)度。以下為本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的外觀及內(nèi)部的爆炸效果圖，如圖1所示。

2.1 材料方面

本設(shè)備的浮力材料選用可降解的聚氨酯發(fā)泡材料，本發(fā)泡材料經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，強(qiáng)度與韌性足夠，本材料以聚醚多元醇和甲苯二異氰酸酯為主要原料，二丁基二月桂酸錫、DMDEE、硅油等為助劑制備而成。利用聚醚與甲苯二異氰酸酯反應(yīng)放熱，同時(shí)異氰酸根與水反應(yīng)生成大量二氧化碳使材料發(fā)泡，同時(shí)交聯(lián)，形成閉孔式泡沫（如圖2）。本配方制備的泡沫材料環(huán)境友好度高，發(fā)泡簡(jiǎn)便。

2.1.1 泡沫實(shí)驗(yàn)部分

本小組通過多次實(shí)驗(yàn)研發(fā)并改良配方，得到以下實(shí)驗(yàn)效果（如圖3、圖4）：

經(jīng)本小組實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，使用量在200g時(shí)，發(fā)泡可提供的浮力大小為32N，根據(jù)資料可知，此浮力大小足夠?qū)⒂鲭U(xiǎn)者重要身體部位浮出水面，不存在溺水情況。

從理論上分析，聚乙烯結(jié)構(gòu)單元（-CH2-CH2-）的C-C、C-H鍵理化性能穩(wěn)定，需要較高的能量或作用力才可發(fā)生分子鍵斷裂，疏水性強(qiáng)，難以與生物及化學(xué)物質(zhì)接觸或進(jìn)入微生物體內(nèi)代謝分解;而聚氨酯主鏈上重復(fù)的氨酯鍵（-HNCOO-）和肽鍵（-CO-NH-）結(jié)構(gòu)具有較高的相似性，增加了聚合物材料的生物降解性，給生活在適宜環(huán)境中的微生物提供了可攻擊的位點(diǎn)，并給生物酶提供了一個(gè)活性位，具有可降解性。

我們?cè)诰郯滨ゲ牧系闹麈溕弦胩烊桓叻肿樱烊桓叻肿踊衔飿O易被微生物分解發(fā)生聚氨酯大分子斷鏈，使材料發(fā)生崩裂形成低分子量的碎片，同時(shí)產(chǎn)生更容易被微生物侵蝕的弱鍵、鏈端和羧酸等，然后在微生物的進(jìn)一步作用下將低分子量的碎片逐漸轉(zhuǎn)化成容易被微生物吸收的能量并產(chǎn)生水、二氧化碳等，直至完全降解。因此可以講本產(chǎn)品環(huán)境友好度極佳，分解產(chǎn)物可被生態(tài)系統(tǒng)重復(fù)利用。

2.1.2 材料降解方式

廢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，只適用于低級(jí)零部件，應(yīng)用面窄，而且工藝繁瑣。這里不將采用此方法。

化學(xué)回收法般有四種方法熱解法、水解法、醇解法與堿解法：

熱解法：泡沫→氣態(tài)與液態(tài)餾分的混合物;

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;

堿解法：泡沫+NaOH→胺+醇+Na2CO3;

以上幾種方法中，本小組選用的是較為成熟的醇解法，醇解法中醇解劑多元醇又可以參與回收產(chǎn)物再次應(yīng)用二次加工之中。其中降解成本低，回收產(chǎn)物可直接用于作為工業(yè)原料發(fā)泡，目前已有多家公司投產(chǎn)。（在PU廢料中加人二元醇，使短鍵的醇與長(zhǎng)鍵的PU發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一般在200℃加入二元醇和添加劑，由于發(fā)生了再酯化而使PU分解。）

其次，如果本救生設(shè)備的泡沫全部廢棄，土埋處理，聚氨酯在一年后質(zhì)量損失大約40%;聚乙烯土壤掩埋一年質(zhì)量幾乎沒有變化。查閱文獻(xiàn)可知，聚乙烯掩埋在土壤中10年的降解程度為0.2%-0.5%，完全降解大約需要300年，且聚乙烯材料埋入土壤中會(huì)對(duì)土地至少造成50-100年的持續(xù)污染。

熱降解中聚乙烯的熱降解活化能約為235kJ/mol，聚氨酯熱降解活化能約為141kJ/mol，根據(jù)Arrhenius阿倫尼烏斯方程kd=Ad·通過比例推算可得= ，由此可知在同樣的自然環(huán)境下，聚氨酯的熱降解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚乙烯。

2.2 控制模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)于控制模塊，我們采用的是磁力攪拌裝置對(duì)發(fā)泡原料進(jìn)行充分的攪拌，此控制模塊分為電機(jī)、控制回路1、控制回路2，電機(jī)采用雙頭磁力攪拌電機(jī)，對(duì)裝置左右原料艙實(shí)現(xiàn)同時(shí)攪拌;此外，控制回路1屬手動(dòng)控制回路，采用無鎖開關(guān)，避免達(dá)到發(fā)泡要求后電機(jī)不能自動(dòng)停止，造成能源浪費(fèi)或安全隱患;控制回路2采用感應(yīng)式控制回路，通過在裝置外殼開孔，通過海水導(dǎo)通回路（根據(jù)調(diào)查，在17℃的環(huán)境下，海水的導(dǎo)電率為銅的7-10倍。），此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、高效，本裝置也分為水上工作型及水上娛樂型，不同的類型采取不同的控制方法.

2.3 信息發(fā)射裝置及定位模塊

本產(chǎn)品包含有現(xiàn)代化信息裝置，主要采用AIS模塊另加定位功能，AIS模塊在控制回路接通后，電機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)將遇險(xiǎn)者信息發(fā)射至附近救助站點(diǎn)。

此模塊目的在于保障遇險(xiǎn)人員可以快速的得到救助，即所謂搜救智能化。此模塊包含以下四種發(fā)射頻率：156.775MHz、156.825MHz、161.975MHz、162.025MHz。其將不間斷的向岸基發(fā)射遇險(xiǎn)求救信息且可為救助人員提供遇險(xiǎn)者的位置，便于快速搜尋，最大程度上保障遇險(xiǎn)者的生命安全。另外，本團(tuán)隊(duì)現(xiàn)正在面向此功能開發(fā)專用的數(shù)據(jù)軟件，以方便接受、查找位置信息。

2.4 設(shè)備原理流程圖

本裝置（圖5）從人員落水觸發(fā)至釋放約需要30-40s即可為落水人員提供固定浮力。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 浮力材料的創(chuàng)新

實(shí)現(xiàn)材料可降解且采用新方法降低VOC物質(zhì)，做到污染危害最小化。本材料無發(fā)泡劑，利用原料自身反應(yīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)泡。相較于使用發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡制備的聚乙烯泡沫，本材料更加的簡(jiǎn)單、環(huán)保。此外，降解方式簡(jiǎn)單、快速。

3.2 控制模塊的創(chuàng)新

本產(chǎn)品采用雙控制回路，最大程度上防止意外發(fā)生，另外考慮到船上極端情況，如人員昏迷無法手動(dòng)觸發(fā)裝置，此時(shí)便要使用觸水感應(yīng)回路，回路中以最簡(jiǎn)潔的方式導(dǎo)通回路對(duì)裝置進(jìn)行啟動(dòng)，可以做到快速、高效。

3.3 外觀的創(chuàng)新

在外觀上，本小組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，流線型外觀讓人更加舒適、使本裝置具有親和力，另外，我們也將根據(jù)人員性別、年齡段等因素，設(shè)計(jì)不同的外觀，讓人們更加喜愛（注：本產(chǎn)品外觀已申請(qǐng)外觀專利，詳見附件3）。

3.4 搜救智能的創(chuàng)新

本設(shè)備加裝有AIS信息發(fā)射模塊及定位模塊，可極大程度的縮短救援時(shí)間，提高人員存活率。目前，項(xiàng)目對(duì)智能搜救功能已開始進(jìn)行專用數(shù)據(jù)軟件開發(fā)。

4 預(yù)計(jì)應(yīng)用前景

由申請(qǐng)表中可知，傳統(tǒng)救生衣年制作量、使用量、廢棄量巨大，本產(chǎn)品的問世將對(duì)傳統(tǒng)救生衣的市場(chǎng)份額是一此猛烈沖擊，根據(jù)SOLAS公約的規(guī)定，個(gè)人救生設(shè)備將大量存在于航運(yùn)業(yè)中，此外國(guó)內(nèi)外的水上樂園、海水浴場(chǎng)等也將是我們的推廣目標(biāo)。本產(chǎn)品初期將分為水上工作型以及水上娛樂型兩種救生設(shè)備，我們將借助互聯(lián)網(wǎng)對(duì)本項(xiàng)目產(chǎn)品進(jìn)行推廣，開發(fā)專門的應(yīng)用軟件在有需求的地方實(shí)現(xiàn)智能化的借還及購買。由此減少傳統(tǒng)救生衣的制作及使用，從而高效的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

5 結(jié)論

在如今的研究基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了創(chuàng)新性研發(fā)，設(shè)計(jì)了一款微型自膨脹式可降解救生手環(huán)，實(shí)現(xiàn)了智能救生的特點(diǎn)，采用雙控制回路，實(shí)現(xiàn)多方位對(duì)遇險(xiǎn)者的保護(hù)，大大縮短了救援時(shí)間，提高了遇險(xiǎn)人員的存活率，另外可降解新材料的研發(fā)，大大的降低了傳統(tǒng)救生衣廢棄后帶來的污染以及制作和回收處理所產(chǎn)生的能耗。對(duì)本救生設(shè)備的節(jié)能減排效益分析，對(duì)傳統(tǒng)救生設(shè)備每年以10%的替換增幅來進(jìn)行計(jì)算，每年可為社會(huì)節(jié)約經(jīng)濟(jì)效益329-1020萬元，預(yù)計(jì)一共減少土地白色污染面積1000公頃，預(yù)計(jì)一共可減少海洋污染面積50萬平方公里，且逐年遞增。每年共創(chuàng)造直接及間接經(jīng)濟(jì)效益超過3億元。本設(shè)備若得以推廣，不僅節(jié)約了不可再生能源等戰(zhàn)略物資，同時(shí)保護(hù)了土地、海洋資源，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)效益。因此，本產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景。

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