應(yīng)用高阻燃?xì)饽z有效改善新能源機(jī)動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)防火性能的探究

于偉

摘要：隨著我國(guó)新能源戰(zhàn)略的實(shí)施和新能源汽車(chē)的發(fā)展，新能源機(jī)動(dòng)車(chē)逐漸進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，新能源機(jī)動(dòng)車(chē)引發(fā)的車(chē)輛火災(zāi)以及車(chē)輛自燃事故也日益增多。新能源機(jī)動(dòng)車(chē)一旦燃燒，短時(shí)間內(nèi)即可造成較大經(jīng)濟(jì)損失，并威脅人們的生命安全，逐漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于新能源機(jī)動(dòng)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由鋰電池組和充電機(jī)構(gòu)成，這些也是火災(zāi)發(fā)生的主要隱患，因此，結(jié)合新能源機(jī)動(dòng)車(chē)在火災(zāi)機(jī)理、火災(zāi)荷載、煙氣特性等方面的特點(diǎn)，制備高阻燃性氣凝膠材料并將其設(shè)置在新能源機(jī)動(dòng)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)部位，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，高阻燃?xì)饽z能夠有效降低放熱連鎖反應(yīng)出現(xiàn)的概率，最大限度降低該類(lèi)機(jī)車(chē)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；鋰電池；火災(zāi)隱患；氣凝膠

1 新能源機(jī)動(dòng)車(chē)火災(zāi)特點(diǎn)

近年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及新能源技術(shù)飛速發(fā)展，大量新能源機(jī)動(dòng)車(chē)逐步取代高能耗、高污染的燃油汽車(chē)大量進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，隨著新能源機(jī)動(dòng)車(chē)的普及，人們逐漸發(fā)現(xiàn)此類(lèi)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中容易引發(fā)突發(fā)性的火災(zāi)及爆燃事故，并且新能源機(jī)動(dòng)車(chē)在火災(zāi)機(jī)理、火災(zāi)荷載、煙氣特性等方面與傳統(tǒng)燃油機(jī)車(chē)存在著顯著不同。我國(guó)自2013年起結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)特征，開(kāi)始對(duì)鋰電池電動(dòng)汽車(chē)的火災(zāi)特點(diǎn)進(jìn)行逐一研判，從識(shí)別、警戒、防護(hù)、斷電、滅火及火災(zāi)后清理等方面研究了鋰電池汽車(chē)滅火救援措施[1-5]。

新能源機(jī)動(dòng)車(chē)在高溫、潮濕、浸水等環(huán)境下，容易出現(xiàn)電池組故障，發(fā)生短路或熱失控等，導(dǎo)致電池組起火，新能源汽車(chē)發(fā)生自燃。該類(lèi)機(jī)動(dòng)車(chē)一旦電池組被點(diǎn)燃，易產(chǎn)生噴出火花和噴射火焰從而導(dǎo)致整輛汽車(chē)的燃燒。由于新能源汽車(chē)中電池組是相對(duì)封閉的，普遍設(shè)置于引擎蓋或電動(dòng)車(chē)內(nèi)且電池組外部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因此，火勢(shì)處于早期發(fā)展階段時(shí)可能不會(huì)被注意到，普通滅火劑難以直接覆蓋著火處，難以實(shí)現(xiàn)快速滅火，導(dǎo)致滅火時(shí)間長(zhǎng)。與普通可燃物不同，鋰電池火災(zāi)中，火源來(lái)自其內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其在氧含量較低甚至無(wú)氧的環(huán)境中仍能夠發(fā)生火災(zāi)，因此電動(dòng)汽車(chē)的火災(zāi)事故中應(yīng)特別注意火災(zāi)復(fù)燃的風(fēng)險(xiǎn)。普通滅火措施只能撲滅明火，難以阻斷其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，明火被撲滅后，有相當(dāng)大的概率會(huì)引起火災(zāi)復(fù)燃。例如，在美國(guó)佛羅里達(dá)州一輛特斯拉ModelS因以140km/h的速度撞擊墻壁而墜毀，導(dǎo)致車(chē)輛起火。滅火后車(chē)輛從現(xiàn)場(chǎng)移開(kāi)，之后車(chē)輛發(fā)生復(fù)燃，火災(zāi)再次被撲滅后，損壞的車(chē)輛到達(dá)拖車(chē)場(chǎng)時(shí)再次復(fù)燃。

此外，一旦新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)形成密閉燃燒狀態(tài)，一線(xiàn)消防隊(duì)伍普遍配發(fā)的消防水槍射流根本無(wú)法有效直擊火點(diǎn)，滅火效果也必將大打折扣[1-2]。目前，通過(guò)對(duì)氣凝膠材料基體進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖枞几男?，使其附著于新能源汽?chē)易發(fā)生燃燒的動(dòng)力系統(tǒng)部位，逐漸成了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家針對(duì)性改善新能源汽車(chē)防火性能的重要研究方向。

由于新能源機(jī)動(dòng)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)是火災(zāi)發(fā)生的主要隱患，且鋰電池組是發(fā)生火災(zāi)及爆燃事故的主要部位，一旦以上部位發(fā)生火災(zāi)很難在短時(shí)間內(nèi)完成有效處置。因此，筆者結(jié)合新能源汽車(chē)火災(zāi)特性，制備高阻燃性氣凝膠材料并將其設(shè)置在新能源機(jī)動(dòng)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)部位，當(dāng)鋰電池溫度驟變時(shí)，氣凝膠獨(dú)特的三維納米結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制熱量的傳遞，在燃燒物表面形成高黏度的熔融玻璃質(zhì)和致密的炭化層，有效切斷燃燒過(guò)程中的熱量傳播，起到良好的阻燃效果，從火災(zāi)發(fā)生的根源上有效遏制，最大限度地降低了新能源汽車(chē)的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1? 以飽和二氧化碳水溶液為介質(zhì)的二氧化硅氣凝膠的制備方法

2.1.1? 硅酸鈉溶液的配制

向體積比為1：10的水玻璃溶液加入去蒸餾水中稀釋?zhuān)褂枚喙δ軘嚢杵髟?000r/min條件下均勻攪拌10min，制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、20%、25%、50%的硅酸鈉溶液。

2.1.2? 凝膠老化過(guò)程

濕凝膠是將稀釋后的水玻璃溶液、C1-C4低碳醇、酸和水以1：（5～8）：（0.5～1）：（1～1.5）的摩爾比混合得到后，加入摩爾比混合為10：（0.3～0.4）：（4～6）的C1-C4低碳醇、堿和水；隨后向反應(yīng)體系中加入甲酰胺和異丙醇，硅酸鈉與甲酰胺以及異丙醇的摩爾比為1：（0.8～1）：（1～2），再在高壓條件下向溶液中通入過(guò)飽和二氧化碳水溶液，使用多功能攪拌器均勻攪拌后實(shí)施老化處理。

2.1.3? 疏水改性過(guò)程

將老化處理后的濕凝膠浸泡在飽和二氧化碳水溶液中10～12h直至濕凝膠內(nèi)充滿(mǎn)碳酸溶液；應(yīng)用摩爾比為1：（0.75～1）的六甲基二硅胺烷對(duì)濕凝膠表面進(jìn)行疏水改性24～32h。

2.1.4? 置換干燥過(guò)程

利用電熱鼓風(fēng)干燥箱將二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)入經(jīng)疏水改性處理后的二氧化硅氣凝膠，干燥溫度為60～80℃，干燥時(shí)間為24～30h，制備而成二氧化硅氣凝膠。

2.2? 以飽和二氧化碳水溶液為介質(zhì)的二氧化硅氣凝膠的表征方法

將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品烘干至恒重，應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)纖維樣品置于鍺晶體上進(jìn)行分析，將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品充分干燥后與溴化鉀溶液混合均勻并壓制成型，隨后放入紅外光譜儀中進(jìn)行分析，該次測(cè)試分辨率采用4cm-1，波長(zhǎng)范圍在4000～400cm-1區(qū)間范圍內(nèi)。使用導(dǎo)電膠將制備而成的待測(cè)二氧化硅氣凝膠樣品固定在載玻片上后，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行間歇性噴金的方式完成待測(cè)試樣的表面處理，然后通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察制備而成的二氧化硅氣凝膠的表面形貌。將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品充分干燥后，利用導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)量制備而成的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，每次測(cè)試進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)取平均值。將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品充分干燥后，置于測(cè)試用鎳隔熱電偶組中心線(xiàn)處。該設(shè)備主要由48信道無(wú)紙記錄儀TS-30熱流輻射計(jì)和K鎳隔熱電偶組成。其中熱流量輻射計(jì)通過(guò)測(cè)定0.3～50μm區(qū)間內(nèi)由燃燒火焰發(fā)出的輻射熱總量進(jìn)行測(cè)定，每次測(cè)試進(jìn)行4次平行實(shí)驗(yàn)取平均值[5]。

圖1顯示的是硅酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)制備而成的二氧化硅氣凝膠導(dǎo)熱性能的影響。一種隔熱材料的絕熱性能必須在該材料體積密度相對(duì)較小且材料機(jī)體本身孔隙尺寸能夠有效防止氣態(tài)熱分子發(fā)生熱對(duì)流現(xiàn)象，并且由該材料基體本身反射或吸收的熱輻射能夠降低到最低程度。二氧化硅氣凝膠就是根據(jù)以上的原理來(lái)達(dá)到超級(jí)隔熱的效果。材料基體表面的傳熱作用主要是通過(guò)固相傳熱以及材料基體表面的孔洞之間的氣相傳熱方式予以實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，隨著硅酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，應(yīng)用二氧化碳?xì)怏w去除濕凝膠孔隙中的水分后，由于熱量無(wú)法通過(guò)固相介質(zhì)有效實(shí)施傳遞，反應(yīng)體系中隨著硅酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)愈發(fā)完善，材料基體表面與熱量間的接觸面積逐漸減小，在范德華力作用下，孔徑內(nèi)的氣體被束縛，不能產(chǎn)生自由移動(dòng)，且材料基體表面能夠有效阻擋紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)，最大限度地降低了熱量的傳遞速度，從而最大限度地降低了新能源汽車(chē)的火災(zāi)危險(xiǎn)特性。利用TC3000型導(dǎo)熱系數(shù)儀進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)硅酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，制備而出的氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.016W/（m·K）。

圖3顯示的是凝膠過(guò)程中以飽和二氧化碳水溶液為介質(zhì)制備而成的二氧化硅氣凝膠材料基體的熱輻射通量的相應(yīng)趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)4個(gè)材料樣本在燃燒試驗(yàn)處于穩(wěn)定燃燒階段的性能進(jìn)行比較，4個(gè)樣本呈現(xiàn)出相同的熱輻射通量范圍，證明應(yīng)用凝膠過(guò)程中以飽和二氧化碳水溶液為介質(zhì)制備而成的二氧化硅氣凝膠材料基體結(jié)構(gòu)較為均勻。隨著測(cè)試過(guò)程中材料的熱輻射通量范圍從0.10kW/m2逐漸上升到0.35kW/m2的過(guò)程中，材料基體的熱輻射通量相對(duì)較為穩(wěn)定，a～d樣本熱輻射通量沿著軸向從火焰的底部到頂部逐漸減小，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了制備而成的氣凝膠材料質(zhì)地均勻，隔熱性能良好。材料結(jié)構(gòu)自身除了具有良好的隔熱性能，而且對(duì)于高溫、熱量具有良好的阻隔性能，其獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效阻隔分子形態(tài)熱量的傳遞，有效降低熱量在材料基體表面的傳遞效率，當(dāng)新能源汽車(chē)電池有發(fā)生火災(zāi)或爆燃的趨勢(shì)時(shí)，能及時(shí)抑制熱量的傳遞，迅速切斷熱傳播途徑，保證機(jī)動(dòng)車(chē)的事故范圍始終控制在局部空間內(nèi)，降低對(duì)毗鄰人員、車(chē)輛的危害，有效防止事故規(guī)模的擴(kuò)大。

3 結(jié)論

本文結(jié)合新能源汽車(chē)在火災(zāi)機(jī)理、火災(zāi)荷載、煙氣特性等方面的特點(diǎn)，以硅酸鈉為硅源的二氧化硅氣凝膠的制備方法，利用高壓條件下過(guò)飽和二氧化碳水溶液替代目前常見(jiàn)的加酸凝膠法制備而成新型高阻燃性氣凝膠材料，當(dāng)新能源汽車(chē)電池有發(fā)生火災(zāi)或爆燃的趨勢(shì)時(shí)，高阻燃?xì)饽z材料能在燃燒物表面形成高黏度的熔融玻璃質(zhì)和致密的炭化層，有效切斷燃燒過(guò)程中的熱量傳播，起到良好的阻燃效果，最大限度降低新能源汽車(chē)的火災(zāi)危險(xiǎn)特性。

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An investigation on the application of high resistance gas gel to effectively improve the fire protection performance of new energy motor vehicle power systems

Yu wei

（Tianjin Fire and Rescue Brigade Jinnan District Fire and Rescue Division，Tianjin 300350）

Abstract： With the implementation of China's new energy strategy and the development of new energy vehicles， new energy motor vehicles are gradually entering thousands of households， due to the new energy motor vehicles caused by vehicle fires and vehicle combustion accidents are also increasing. Once a new energy motor vehicle burns， it can cause large economic losses in a short time and threaten people's life safety， which has gradually become a hot issue of social concern. As the power system of new energy motor vehicles is mainly composed of lithium battery packs and chargers， which are also the main hidden dangers of fire， therefore， combining the new energy motor vehicles in the fire mechanism， fire load， smoke characteristics and other aspects of the characteristics of the preparation of high flame retardant aerogel materials and set it in the power system of new energy motor vehicles，It can be seen through experiments that the high resistance gas gel can effectively reduce the appearance of exothermic chain reaction and minimize the fire hazard characteristics of this kind of locomotive.

Keywords： new energy vehicles; lithium battery; fire hazard; aerogel