安全工程材料在事故防控中的應用范文

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一、我國面臨的重大安全災害事故現狀

就世界范圍來看，我國各類災害發生數量及影響均居世界前列，而相應的災害預防和治理手段則相對缺乏，造成突發安全事故頻發、自然生態惡化、經濟損失嚴重，極大地威脅到了人民群眾的生命財產安全與社會的可持續和諧健康發展。例如，據2009年《中國環境狀況公報》顯示，2009年環境保護部共接報并妥善處置突發環境安全事件171起，比2008年增加26.7%。其中特別重大突發環境事件2起、重大突發環境事件2起、較大突發環境事件41起、一般突發環境事件126起。根據世界銀行、中科院和環保總局的測算，我國每年因生態環境災害造成的損失約占GDP的10%左右。

這意味著一邊是9％的經濟增長，一邊是11％的損失率。另據《2009年國民經濟和社會發展統計公報》，2009年全年生產安全事故死亡83196人。億元國內生產總值(GDP)生產安全事故死亡人數為0.248人;工礦商貿企業就業人員10萬人生產安全事故死亡人數為2.4人;煤礦百萬噸死亡人數為0.892人。2009年全年共發生道路交通事故23.8萬起，造成6.8萬人死亡，27.5萬人受傷，直接財產損失9.1億元;道路交通萬車死亡人數為3.6人。這些統計數據都遠遠高于世界平均水平，與國際先進水平相比，我國生產億元GDP死亡率是先進國家的10倍;工礦商貿10萬人事故死亡率是先進國家的2倍多;道路交通萬車死亡率是發達國家的3倍;煤炭百萬噸死亡率是世界平均的5倍多。

二、開發安全工程材料，解決我國災害安全難題

安全的本質含義是“沒有危險的狀態”。當安全的主體是人時，由于生命與健康的至關重要性，安全就是關系對象、生存環境等客體不構成對主體人的危害。相反，當客體對主體的危害發展到一定程度時，便形成了災害。災害是由于自然原因或人類活動對人的生命、財產以及賴以生存的資源和環境造成威脅和損害的事件，前者稱自然災害，具有不可避免性；后者稱人為災害，具有可預防性。

安全工程主要解訣的是人為災害，是研究人類生產、生活中的災害發生原因及過程，并提出相應的預防措施。人為災害包括環境災害、事故災害和社會災害，環境災害是指氣候變異、污染、荒漠化等人類生態環境發生的嚴重破壞；事故災害是指工礦爆炸事故、火災、重大交通事故、化學事故、輻射事故、塌方等給人類造成嚴重危害的突發事件；社會災害是指戰爭、恐怖襲擊、動亂、金融風暴等社會問題嚴重惡化導致的爆發事件。

安全工程材料是消除或緩解災害的專用材料。從概念上，它不同于安全材料，安全材料是指具有可靠的強度、壽命、穩定性以及有效的表面服役性能的結構材料；而安全工程材料是專門解決災害治理中存在的結構、生物、物理和化學相關問題的功能材料。安全工程材料分災前預防材料、災程控制材料和災后處理材料，安全工程材料又可分一次性消耗材料和可循環使用材料。

安全工程材料種類繁多、應用范圍廣，涉及生態環境、資源開發、工礦企業生產、道路交通等多個領域。隨著各種安全問題日益嚴峻，開發安全工程新材料，利用新材料技術解決我國面臨的災害安全難題，以形成適合我國國情的高新技術安全工程材料產業，有利于實現新材料產業的結構調整，保護生態環境安全，促進安全生產。安全工程材料的研究開發以消除災害發生、控制災害發展和降低災害后果為目標，并以環境友好性和高可靠性為前提。安全工程材料已成為解決重大事故和重大災害最有效的措施之一。

安全工程材料的作用方式有3種：災前預防、災程控制、災后修復。

1.災前預防材料

災前預防材料開發是指在對災害的發生、過程、規模和后果作出預知和判斷，并明確災害演變機制和規律的基礎上，研制抑制災害發生的新材料技術。災前預防材料主要對災害發生的主導因素進行有效地控制，消弱災害發生前期的必備條件。

在預防煤礦瓦斯災害方面，瓦斯阻爆材料的研發取得了一定進展。例如在煤層注水研究中，潤濕劑的加入能夠增強水或水溶液取代固體表面空氣的能力，加速濕潤過程、提高濕潤質量和擴大濕潤范圍，使煤的物理化學性質、力學性質及熱力學性質隨之發生很大變化。再如，瓦斯水合物含氣率高、分解時吸收大量熱量，采用中高壓注水或向水中添加表面活性劑促進水合物形成的方法，可使煤層中的大部分瓦斯以水合物形態存在，降低了煤層中瓦斯的壓力。由于瓦斯水合物分解需要吸收大量的熱量，因此當采掘工作揭露煤層時，這些水合物難以立即融化分解，從而可避免煤與瓦斯突出事故的發生。

在煤礦瓦斯抑爆材料方面，抑爆材料本身的性能及其抑爆作用機制也與抑爆效果密切相關。有的抑爆材料是用來稀釋瓦斯和氧氣濃度的，有的是可以中止瓦斯鏈反應，從而抑制瓦斯爆炸及其火焰傳播的。不同種類的抑爆材料抑爆機理和應用范圍都不同。研究較多的瓦斯抑爆材料主要有固體粉末抑爆材料、金屬多孔抑爆材料及水基抑爆材料。例如，煤礦瓦斯爆炸多數發生在煤炭開采過程中短時出現瓦斯突出或超濃度，在瓦斯達到爆炸濃度前，通過傳感技術迅速噴射瓦斯吸附材料和爆炸反應的負催化劑，使瓦斯處于非爆活性狀態，見圖1。這一材料已取得突破并在井下回風巷爆炸試驗中取得了明顯效果。

在預防煤自燃材料方面，三相泡沫阻燃材料是由固態不燃物（粉煤灰或黃泥）、惰性氣體（氮氣）和水三相防滅火介質組成。三相泡沫集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫性進行防滅火，大大提高了阻燃材料的防滅火效率。三相泡沫兼有一般注漿方法和惰氣泡沫防滅火的優點，可持久有效地阻礙煤對氧的吸附，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自燃著火，見圖2。

在預防交通事故發生方面，安全反光材料（圖3）被廣泛應用于交通標牌、標志、標線及高可視性警示服上。目前，世界各國都有法律明文規定，交通標志、標牌、標線等必需使用反光材料。根據交通安全部的統計數據表明，交通事故的發生概率夜間明顯高于白天，事故高峰集中在20:00-22:00時這一時段，道路標志及行人著裝與事故的相關概率為70%，使用反光材料設置醒目的交通標志、車輛牌照，道路交通工作人員穿戴高可視性警示服，可使交通事故率下降30%～40%。反光材料在交通標志、標牌、標線上的應用，大大促進了車與路、車與車之間的安全保障關系。以北京街名牌更新為例，北京市公安交通管理局實施街名牌改造項目，由3M公司承擔，僅此一項需投入數百萬元，由此可見反光材料的廣闊市場前景。另外，歐美各國對高可視性警示服按以上標準執行產品認證、市場準入制度，甚至將警示服的規范使用作為交通事故發生后進行保險賠償的依據之一。

電磁輻射不僅會造成電磁干擾，影響設備、傳輸信道或系統性能的下降，使自動控制系統失靈、信息傳導失誤、導彈誤發射、飛機失事等，造成不可預知的災難性后果，而且會對人類的身心健康帶來威脅。據估計，全世界電子電器設備由于電磁干擾發生故障，每年造成的經濟損失達5億美元。在預防高能輻射方面，隨著含稀土元素和金屬元素的高分子復合材料開發的不斷深入，對有效防治和屏蔽Χ、γ和中子輻射帶來了發展前景。

2.災程控制材料

災程控制材料是對災害發展過程實施有效控制的材料，使災害演變息止或損害降為最低。災害發展離不開機械、物理、生物或化學等過程，災程控制材料就是利用材料技術控制這些過程的進程和發展方向。在煤礦瓦斯災害治理方面，瓦斯抑爆過程中使用的抑爆材料，多為一些具有熄滅火焰作用的物質，通過添加一些可與燃燒反應產生的自由基進行反應的物質，阻止燃燒反應的進行。圖1中，煤礦瓦斯治理反應劑阻斷了瓦斯爆炸反應鏈的延續，在水中加入表面活性劑可使不溶或微溶于水的有機物在水中的溶解度顯著提高，這種現象被稱為表面活性劑的增溶作用。表面活性劑的膠束具有增溶作用，可作為瓦斯吸收材料用來吸收甲烷，其反應方程式為：M（反應劑）+OH（自由基）→M（OH）M（OH）+H（自由基）→M+H2O在機動車交通安全領域，保險杠兼具結構件和功能構件的雙重身份,在汽車塑料中的地位和重要性是顯而易見的。目前在世界范圍內,約有92%的保險杠是用高分子材料制成的。近年來，汽車保險杠材料采用共聚聚丙烯、苯乙烯熱塑性彈性體、聚烯烴系乙丙橡膠填料、添加劑、加工助劑等經雙螺桿熔融共混制備而成。這種新材料在遇沖擊時，材料開裂和擴展過程吸收的能量增加，使保險杠具有高彈性和高耐沖擊性以保護車內人員安全，同時，采用泡沫填充聚合物波紋管能量吸收技術也使被撞行人的傷害程度降到最低。緩沖吸能材料在機動車上具有廣泛應用見圖4。

在火安全材料領域，新型水溶膠式滅火劑在高溫火焰中失水后，可消耗大量熱量，碳化后又在被燃物體表面形成無機鹽隔離保護膜。無氨硅酸凝膠、水玻璃凝膠、復合凝膠、高分子結構膨脹型凝膠等新型化學凝膠滅火材料所含的幾種化學物質發生化學反應，很快會在著火部位形成凝膠或凍膠體，密實充填在煤層縫隙內。利用膠體的吸熱降溫、堵塞漏風和阻化等性能熄滅火災。

新型吸能材料廣泛應用于航天、航空、軍工、機械制造、個體防護等領域，見圖5，且多是結構功能一體化材料，其基體力學性能是結構屬性，而吸能性能則是其功能屬性。這類材料主要有泡沫聚合物、泡沫陶瓷、金屬基泡沫材料（主要有多孔鋁、多孔鈦、多孔鎂材料）、樹脂基纖維增強復合材料等。

新型納米吸波材料、導電高分子聚合物吸波材料、手性旋波介質復合新材料能從根本上將電磁波吸收衰減掉，能夠減少整個空間環境的電磁波能量密度，從而凈化電磁環境，防止電子儀器受到電磁干擾，保護人類的身心健康，保障信息安全，因而，在輻射防護領域具有廣泛的應用前景。

3.災后處理材料

災后處理材料是在災害發生后采用的及時、有效減輕危害的材料，從而最大程度地降低災害帶來的后果。災害發生具有突發性和大規模性，災害發生后通過應急預案實施有效補救是必需的，災后處理材料就是這一應急預案的關鍵技術儲備之一。災后處理材料的一個重要應用是生態環境災害大規模集中爆發的處置，生態災害具有重災遲滯性、重復遞增性和生態災害鏈的特征，利用新材料技術消除生態災害的影響是安全工程材料的重要方面。

在大規模江湖水體富營養化和海洋赤潮爆發后，利用改性粘土材料和其他礦物絮凝復合材料絮凝藻類生物的表面架橋網捕作用和高吸附活性表面靜電作用，使赤潮得到了有效控制。而利用自然界中微生物對污染物的生物代謝作用，應用原位技術以及向水體投加有效微生物群，培養經過遺傳工程改造的新型微生物材料，則是治理赤潮和富營養化的的新方向。例如新近發現并培育的一種能夠清除赤潮靈菌紅素的微生物，采用10-9濃度的該生物材料在1h后就能將導致赤潮的浮游生物大部分殺死。

在工業含油廢水和海洋石油泄漏事故發生后，利用吸油材料的表面、間隙和空腔毛細作用能有效吸附浮油，見圖6。膨潤土、粉煤灰經過季銨鹽表面改性后可大大提高其吸油能力。丙烯酸酯類、烯烴類、橡膠、聚氨酯類高吸油性樹脂是當今吸油材料發展的主要方向。熔噴聚丙烯非織造布是近年來發展起來的一種新型吸油材料，其具有質量輕、吸油不吸水、吸油前后能長期浮于水面且不變形、吸油后可將油擠壓掉后再重復使用、耐酸堿、耐高溫、易于儲存、抗拉強度高、耐折性能好等優良特性，是處理海上漏油的理想材料，目前已受到工業發達國家的廣泛重視和開發應用。美國最新開發出一種通過納米微粒與自組織單層材料結合獲得全新納米結構的耦合材料，該材料能夠吸附大于它本身質量40倍的原油。

三、我國應重視安全工程材料的開發和應用

安全是危害系統的平衡狀態，災害是危害系統發展到一定程度的特殊表象，要對這一自發的演變進程實施有效控制，必須輸入物質和能量。安全工程材料是解決環境災害和事故災害的最有效技術手段之一，是安全科學技術領域的一個重要分支。

有關預測表明，“十二五”期間，我國的安全工程材料產業將保持20%左右的增長速度。但是，同西方發達國家相比，我國的安全工程材料也存在不小的差距和問題，突出表現為以下幾點:

①民眾防災和安全防護意識有待提高。我國目前正處在經濟快速發展階段，對自然資源、能源的需求度高，在高額利潤的驅使下，一部分民眾往往忽視或不重視防災治災，安全意識薄弱。例如在工礦企業生產中，往往忽視安全紅線，急功近利、頂風作業，造成重大生產事故，或者違背人與自然和諧發展的規律，忽視生態安全，造成重大生態災害，其結果往往都是得不償失。

②基礎研究與應用研究薄弱，制約安全工程材料產業的長遠發展。目前，我國的安全工程材料技術開發體系尚不完備，研究開發的經費主要由國家投入，并且投入總量不足，科研開發力量薄弱，技術進展緩慢，自主知識產權開發能力弱，跟蹤仿制多，獨立創新少。并且國家總體上的規劃和導向調控作用不夠，基礎研究、技術攻關、中試和工業化生產及大規模推廣應用之間缺乏聯系，制約了我國安全工程材料產業的長遠發展。

③企業自主創新能力不強，市場創新的主體地位缺失。同發達國家相比，我國新材料企業作為安全工程材料技術創新的主體，企業從業人員整體素質較低、人員結構不合理、技術自主創新能力不強、對新技術的需求不夠迫切、對新技術的發展不夠清楚、對新技術的投入不夠積極，而且對新技術的產業化也不夠重視，擁有完整研發與生產過程的單位不多，急功近利、急于求成的思想比較嚴重，導致企業整體創新能力低，整個產業發展水平受到限制。這其中有機制的原因，有政策的原因，也有觀念理念的原因。

④產業化程度低，難以形成集群效應。從目前來看，國內新材料產業的發展壯大大都依靠集聚效應，依托新材料基地發展壯大新材料產業。而現階段我國的安全工程材料產業聚集度非常低，從事安全工程材料研發的企業數量不多且布局分散，規模化企業少，缺乏具有工程孵化特征的專業研發基地，沒有形成地區集群優勢，限制了安全工程材料產業的產業整合和調整，制約了產業的健康發展。

⑤產、學、研、用一體化機制不健全，跨行業的上下游聯系不夠緊密。科研院所與企業單位的結合不夠，必須要以政府為主導，高校和研究單位為技術依托，以企業為主體進行產業化項目的開發，充分調動各方的積極性，加強產、學、研、用的有機結合，逐步完善安全工程材料產業發展機制，加快新材料科技成果轉化步伐。

加快我國安全工程材料發展，筆者認為應該從以下幾個方面著手：

①完善安全法制法規建設，健全安全監管機制。各行業管理部門和負有安全生產監管職責的有關部門要根據行業技術進步和產業升級的要求，加快制定或修訂生產、安全技術標準，把符合安全生產標準作為高危行業企業準入的前置條件，實行嚴格的安全標準核準制度，健全安全監管機制，實行更嚴格的安全目標考核，建立事故查處督辦制度，依法嚴格事故查處，實行更嚴格的責任追究制度和懲罰制度。

②加強政策引導，構建多元發展機制。政府應該在安全工程材料產業項目組織、實施、政策和資金扶持中起到主導作用，制定促進安全工程材料發展的產業政策，鼓勵和引導企業研發，采用先進適用的安全技術產品，鼓勵安全生產適用技術和新材料、新標準的推廣應用。進一步落實《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006－2020年）》，加大對高危行業安全技術、裝備、工藝和產品研發的支持力度，組織實施提升我國重點行業領域安全生產保障能力的關鍵技術和裝備項目。加大安全專項投入，提供政策基金支持，淘汰落后產能，逐步優化產業發展環境，協調各環節、各部門的工作與重大資源配置，實現產、學、研、用的體制創新和活化，推動產業結構的調整和產業資源的優化整合，促進業界間的技術合作與信息交流，引導、支持、鼓勵新材料研究和生產企業按照市場認同的原則，增強產業化發展水平，增強企業的科技自主創新能力和競爭意識。

③加強技術研發能力建設，提升產業化水平。圍繞我國存在的重大安全災害問題及環保、交通、石化、煤炭、機械等行業需求，開展國家“863”計劃“、973”計劃、科技攻關計劃等基礎研究，加大安全工程材料的研究開發力度，提升產品質量，完善并健全行業標準。建立健全產、學、研、用一體化模式，加快成果轉化和產業化進程，開展產業化示范生產和建設安全工程材料應用示范基地，加強安全工程材料產業規模化建設，扶植重點企業，引導、培養和發展一批技術先進、特色鮮明、自主創新能力強、有一定產業規模和產品競爭力的高新安全工程材料技術企業，形成集群優勢。

④優化安全工程材料產業的外部環境。安全工程材料產業的發展壯大必須采取多元化的突圍模式，加強法規建設，完善優惠政策，普及科技知識，深入宣傳安全理念，提高社會大眾的安全意識，活化產業體制，加強與其他產業的聯系，努力發展下游產業，提高產業服務質量和水平，形成跨所有制、跨行業、跨地區的多元投資主體參與的產業局面。