安全工程材料在事故防控中的应用

安全工程材料在事故防控中的应用

一、我国面临的重大安全灾害事故现状

就世界范围来看，我国各类灾害发生数量及影响均居世界前列，而相应的灾害预防和治理手段则相对缺乏，造成突发安全事故频发、自然生态恶化、经济损失严重，极大地威胁到了人民群众的生命财产安全与社会的可持续和谐健康发展。例如，据2009年《中国环境状况公报》显示，2009年环境保护部共接报并妥善处置突发环境安全事件171起，比2008年增加%。其中特别重大突发环境事件2起、重大突发环境事件2起、较大突发环境事件41起、一般突发环境事件126起。根据世界银行、中科院和环保总局的测算，我国每年因生态环境灾害造成的损失约占GDP的10%左右。

这意味着一边是9％的经济增长，一边是11％的损失率。另据《2009年国民经济和社会发展统计公报》，2009年全年生产安全事故死亡83196人。亿元国内生产总值生产安全事故死亡人数为人;工矿商贸企业就业人员10万人生产安全事故死亡人数为人;煤矿百万吨死亡人数为人。2009年全年共发生道路交通事故万起，造成万人死亡，万人受伤，直接财产损失亿元;道路交通万车死亡人数为人。这些统计数据都远远高于世界平均水平，与国际先进水平相比，我国生产亿元GDP死亡率是先进国家的10倍;工矿商贸10万人事故死亡率是先进国家的2倍多;道路交通万车死亡率是发达国家的3倍;煤炭百万吨死亡率是世界平均的5倍多。

二、开发安全工程材料，解决我国灾害安全难题

安全的本质含义是“没有危险的状态”。当安全的主体是人时，由于生命与健康的至关重要性，安全就是关系对象、生存环境等客体不构成对主体人的危害。相反，当客体对主体的危害发展到一定程度时，便形成了灾害。灾害是由于自然原因或人类活动对人的生命、财产以及赖以生存的资源和环境造成威胁和损害的事件，前者称自然灾害，具有不可避免性；后者称人为灾害，具有可预防性。

安全工程主要解诀的是人为灾害，是研究人类生产、生活中的灾害发生原因及过程，并提出相应的预防措施。人为灾害包括环境灾害、事故灾害和社会灾害，环境灾害是指气候变异、污染、荒漠化等人类生态环境发生的严重破坏；事故灾害是指工矿爆炸事故、火灾、重大交通事故、化学事故、辐射事故、塌方等给人类造成严重危害的突发事件；社会灾害是指战争、恐怖袭击、动乱、金融风暴等社会问题严重恶化导致的爆发事件。

安全工程材料是消除或缓解灾害的专用材料。从概念上，它不同于安全材料，安全材料是指具有可靠的强度、寿命、稳定性以及有效的表面服役性能的结构材料；而安全工程材料是专门解决灾害治理中存在的结构、生物、物理和化学相关问题的功能材料。安全工程材料分灾前预防材料、灾程控制材料和灾后处理材料，安全工程材料又可分一次性消耗材料和可循环使用材料。

安全工程材料种类繁多、应用范围广，涉及生态环境、资源开发、工矿企业生产、道路交通等多个领域。随着各种安全问题日益严峻，开发安全工程新材料，利用新材料技术解决我国面临的灾害安全难题，以形成适合我国国情的高新技术安全工程材料产业，有利于实现新材料产业的结构调整，保护生态环境安全，促进安全生产。安全工程材料的研究开发以消除灾害发生、控制灾害发展和降低灾害后果为目标，并以环境友好性和高可靠性为前提。安全工程材料已成为解决重大事故和重大灾害最有效的措施之一。

安全工程材料的作用方式有3种：灾前预防、灾程控制、灾后修复。

1.灾前预防材料

灾前预防材料开发是指在对灾害的发生、过程、规模和后果作出预知和判断，并明确灾害演变机制和规律的基础上，研制抑制灾害发生的新材料技术。灾前预防材料主要对灾害发生的主导因素进行有效地控制，消弱灾害发生前期的必备条件。

在预防煤矿瓦斯灾害方面，瓦斯阻爆材料的研发取得了一定进展。例如在煤层注水研究中，润湿剂的加入能够增强水或水溶液取代固体表面空气的能力，加速湿润过程、提高湿润质量和扩大湿润范围，使煤的物理化学性质、力学性质及热力学性质随之发生很大变化。再如，瓦斯水合物含气率高、分解时吸收大量热量，采用中高压注水或向水中添加表面活性剂促进水合物形成的方法，可使煤层中的大部分瓦斯以水合物形态存在，降低了煤层中瓦斯的压力。由于瓦斯水合物分解需要吸收大量的热量，因此当采掘工作揭露煤层时，这些水合物难以立即融化分解，从而可避免煤与瓦斯突出事故的发生。

在煤矿瓦斯抑爆材料方面，抑爆材料本身的性能及其抑爆作用机制也与抑爆效果密切相关。有的抑爆材料是用来稀释瓦斯和氧气浓度的，有的是可以中止瓦斯链反应，从而抑制瓦斯爆炸及其火焰传播的。不同种类的抑爆材料抑爆机理和应用范围都不同。研究较多的瓦斯抑爆材料主要有固体粉末抑爆材料、金属多孔抑爆材料及水基抑爆材料。例如，煤矿瓦斯爆炸多数发生在煤炭开采过程中短时出现瓦斯突出或超浓度，在瓦斯达到爆炸浓度前，通过传感技术迅速喷射瓦斯吸附材料和爆炸反应的负催化剂，使瓦斯处于非爆活性状态，见图1。这一材料已取得突破并在井下回风巷爆炸试验中取得了明显效果。

在预防煤自燃材料方面，三相泡沫阻燃材料是由固态不燃物、惰性气体和水三相防灭火介质组成。三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火，大大提高了阻燃材料的防灭火效率。三相泡沫兼有一般注浆方法和惰气泡沫防灭火的优点，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化，从而有效地防治煤炭自燃着火，见图2。

在预防交通事故发生方面，安全反光材料被广泛应用于交通标牌、标志、标线及高可视性警示服上。目前，世界各国都有法律明文规定，交通标志、标牌、标线等必需使用反光材料。根据交通安全部的统计数据表明，交通事故的发生概率夜间明显高于白天，事故高峰集中在20:00-22:00时这一时段，道路标志及行人着装与事故的相关概率为70%，使用反光材料设置醒目的交通标志、车辆牌照，道路交通工作人员穿戴高可视性警示服，可使交通事故率下降30%～40%。反光材料在交通标志、标牌、标线上的应用，大大促进了车与路、车与车之间的安全保障关系。以北京街名牌更新为例，北京市公安交通管理局实施街名牌改造项目，由3M公司承担，仅此一项需投入数百万元，由此可见反光材料的广阔市场前景。另外，欧美各国对高可视性警示服按以上标准执行产品认证、市场准入制度，甚至将警示服的规范使用作为交通事故发生后进行保险赔偿的依据之一。

电磁辐射不仅会造成电磁干扰，影响设备、传输信道或系统性能的下降，使自动控制系统失灵、信息传导失误、导弹误发射、飞机失事等，造成不可预知的灾难性后果，而且会对人类的身心健康带来威胁。据估计，全世界电子电器设备由于电磁干扰发生故障，每年造成的经济损失达5亿美元。在预防高能辐射方面，随着含稀土元素和金属元素的高分子复合材料开发的不断深入，对有效防治和屏蔽Χ、γ和中子辐射带来了发展前景。

2.灾程控制材料

灾程控制材料是对灾害发展过程实施有效控制的材料，使灾害演变息止或损害降为最低。灾害发展离不开机械、物理、生物或化学等过程，灾程控制材料就是利用材料技术控制这些过程的进程和发展方向。在煤矿瓦斯灾害治理方面，瓦斯抑爆过程中使用的抑爆材料，多为一些具有熄灭火焰作用的物质，通过添加一些可与燃烧反应产生的自由基进行反应的物质，阻止燃烧反应的进行。图1中，煤矿瓦斯治理反应剂阻断了瓦斯爆炸反应链的延续，在水中加入表面活性剂可使不溶或微溶于水的有机物在水中的溶解度显著提高，这种现象被称为表面活性剂的增溶作用。表面活性剂的胶束具有增溶作用，可作为瓦斯吸收材料用来吸收甲烷，其反应方程式为：M+OH→MM+H→M+H2O在机动车交通安全领域，保险杠兼具结构件和功能构件的双重身份,在汽车塑料中的地位和重要性是显而易见的。目前在世界范围内,约有92%的保险杠是用高分子材料制成的。近年来，汽车保险杠材料采用共聚聚丙烯、苯乙烯热塑性弹性体、聚烯烃系乙丙橡胶填料、添加剂、加工助剂等经双螺杆熔融共混制备而成。这种新材料在遇冲击时，材料开裂和扩展过程吸收的能量增加，使保险杠具有高弹性和高耐冲击性以保护车内人员安全，同时，采用泡沫填充聚合物波纹管能量吸收技术也使被撞行人的伤害程度降到最低。缓冲吸能材料在机动车上具有广泛应用见图4。

在火安全材料领域，新型水溶胶式灭火剂在高温火焰中失水后，可消耗大量热量，碳化后又在被燃物体表面形成无机盐隔离保护膜。无氨硅酸凝胶、水玻璃凝胶、复合凝胶、高分子结构膨胀型凝胶等新型化学凝胶灭火材料所含的几种化学物质发生化学反应，很快会在着火部位形成凝胶或冻胶体，密实充填在煤层缝隙内。利用胶体的吸热降温、堵塞漏风和阻化等性能熄灭火灾。

新型吸能材料广泛应用于航天、航空、军工、机械制造、个体防护等领域，见图5，且多是结构功能一体化材料，其基体力学性能是结构属性，而吸能性能则是其功能属性。这类材料主要有泡沫聚合物、泡沫陶瓷、金属基泡沫材料、树脂基纤维增强复合材料等。

新型纳米吸波材料、导电高分子聚合物吸波材料、手性旋波介质复合新材料能从根本上将电磁波吸收衰减掉，能够减少整个空间环境的电磁波能量密度，从而净化电磁环境，防止电子仪器受到电磁干扰，保护人类的身心健康，保障信息安全，因而，在辐射防护领域具有广泛的应用前景。

3.灾后处理材料

灾后处理材料是在灾害发生后采用的及时、有效减轻危害的材料，从而最大程度地降低灾害带来的后果。灾害发生具有突发性和大规模性，灾害发生后通过应急预案实施有效补救是必需的，灾后处理材料就是这一应急预案的关键技术储备之一。灾后处理材料的一个重要应用是生态环境灾害大规模集中爆发的处置，生态灾害具有重灾迟滞性、重复递增性和生态灾害链的特征，利用新材料技术消除生态灾害的影响是安全工程材料的重要方面。

在大规模江湖水体富营养化和海洋赤潮爆发后，利用改性粘土材料和其他矿物絮凝复合材料絮凝藻类生物的表面架桥网捕作用和高吸附活性表面静电作用，使赤潮得到了有效控制。而利用自然界中微生物对污染物的生物代谢作用，应用原位技术以及向水体投加有效微生物群，培养经过遗传工程改造的新型微生物材料，则是治理赤潮和富营养化的的新方向。例如新近发现并培育的一种能够清除赤潮灵菌红素的微生物，采用10-9浓度的该生物材料在1h后就能将导致赤潮的浮游生物大部分杀死。

在工业含油废水和海洋石油泄漏事故发生后，利用吸油材料的表面、间隙和空腔毛细作用能有效吸附浮油，见图6。膨润土、粉煤灰经过季铵盐表面改性后可大大提高其吸油能力。丙烯酸酯类、烯烃类、橡胶、聚氨酯类高吸油性树脂是当今吸油材料发展的主要方向。熔喷聚丙烯非织造布是近年来发展起来的一种新型吸油材料，其具有质量轻、吸油不吸水、吸油前后能长期浮于水面且不变形、吸油后可将油挤压掉后再重复使用、耐酸碱、耐高温、易于储存、抗拉强度高、耐折性能好等优良特性，是处理海上漏油的理想材料，目前已受到工业发达国家的广泛重视和开发应用。美国最新开发出一种通过纳米微粒与自组织单层材料结合获得全新纳米结构的耦合材料，该材料能够吸附大于它本身质量40倍的原油。

三、我国应重视安全工程材料的开发和应用

安全是危害系统的平衡状态，灾害是危害系统发展到一定程度的特殊表象，要对这一自发的演变进程实施有效控制，必须输入物质和能量。安全工程材料是解决环境灾害和事故灾害的最有效技术手段之一，是安全科学技术领域的一个重要分支。

有关预测表明，“十二五”期间，我国的安全工程材料产业将保持20%左右的增长速度。但是，同西方发达国家相比，我国的安全工程材料也存在不小的差距和问题，突出表现为以下几点:

①民众防灾和安全防护意识有待提高。我国目前正处在经济快速发展阶段，对自然资源、能源的需求度高，在高额利润的驱使下，一部分民众往往忽视或不重视防灾治灾，安全意识薄弱。例如在工矿企业生产中，往往忽视安全红线，急功近利、顶风作业，造成重大生产事故，或者违背人与自然和谐发展的规律，忽视生态安全，造成重大生态灾害，其结果往往都是得不偿失。

②基础研究与应用研究薄弱，制约安全工程材料产业的长远发展。目前，我国的安全工程材料技术开发体系尚不完备，研究开发的经费主要由国家投入，并且投入总量不足，科研开发力量薄弱，技术进展缓慢，自主知识产权开发能力弱，跟踪仿制多，独立创新少。并且国家总体上的规划和导向调控作用不够，基础研究、技术攻关、中试和工业化生产及大规模推广应用之间缺乏联系，制约了我国安全工程材料产业的长远发展。

③企业自主创新能力不强，市场创新的主体地位缺失。同发达国家相比，我国新材料企业作为安全工程材料技术创新的主体，企业从业人员整体素质较低、人员结构不合理、技术自主创新能力不强、对新技术的需求不够迫切、对新技术的发展不够清楚、对新技术的投入不够积极，而且对新技术的产业化也不够重视，拥有完整研发与生产过程的单位不多，急功近利、急于求成的思想比较严重，导致企业整体创新能力低，整个产业发展水平受到限制。这其中有机制的原因，有政策的原因，也有观念理念的原因。

④产业化程度低，难以形成集群效应。从目前来看，国内新材料产业的发展壮大大都依靠集聚效应，依托新材料基地发展壮大新材料产业。而现阶段我国的安全工程材料产业聚集度非常低，从事安全工程材料研发的企业数量不多且布局分散，规模化企业少，缺乏具有工程孵化特征的专业研发基地，没有形成地区集群优势，限制了安全工程材料产业的产业整合和调整，制约了产业的健康发展。

⑤产、学、研、用一体化机制不健全，跨行业的上下游联系不够紧密。科研院所与企业单位的结合不够，必须要以政府为主导，高校和研究单位为技术依托，以企业为主体进行产业化项目的开发，充分调动各方的积极性，加强产、学、研、用的有机结合，逐步完善安全工程材料产业发展机制，加快新材料科技成果转化步伐。

加快我国安全工程材料发展，笔者认为应该从以下几个方面着手：

①完善安全法制法规建设，健全安全监管机制。各行业管理部门和负有安全生产监管职责的有关部门要根据行业技术进步和产业升级的要求，加快制定或修订生产、安全技术标准，把符合安全生产标准作为高危行业企业准入的前置条件，实行严格的安全标准核准制度，健全安全监管机制，实行更严格的安全目标考核，建立事故查处督办制度，依法严格事故查处，实行更严格的责任追究制度和惩罚制度。

②加强政策引导，构建多元发展机制。政府应该在安全工程材料产业项目组织、实施、政策和资金扶持中起到主导作用，制定促进安全工程材料发展的产业政策，鼓励和引导企业研发，采用先进适用的安全技术产品，鼓励安全生产适用技术和新材料、新标准的推广应用。进一步落实《国家中长期科学和