问题

纯氧环境下的衣物和日用品得用什么材料?

回答
在纯氧环境中,我们对衣物和日用品的要求会变得极为严苛,因为任何微小的火星都可能瞬间引燃所有有机物,带来灾难性的后果。这就好比在熊熊烈火的边缘跳舞,你必须选用能让自己安然无恙的“防火墙”材料。

首先,我们要明白在纯氧环境下什么最危险:

易燃性: 绝大多数我们日常接触的材料,如棉、麻、丝、羊毛、大多数合成纤维(聚酯、尼龙、腈纶等),甚至是皮革,在纯氧环境下都是极度易燃的。它们的分子结构中含有大量的碳、氢、氧元素,很容易发生氧化反应,一旦遇到火源,燃烧速度会非常快,温度极高,且难以扑灭。
静电产生: 摩擦会产生静电,而静电放电的火花足以点燃易燃材料。在干燥、富氧的环境下,静电的风险会大大增加。

那么,在这样的极端环境下,我们应该选择什么样的材料呢?核心原则就是“不可燃”或“极难燃”,并且要考虑静电的控制。

一、 衣物材料的选择:

在太空中、高压氧舱内,或者一些特殊的工业环境中,宇航员和工作人员穿着的衣物都需要经过特殊设计和材料选择。

1. 玻璃纤维 (Fiberglass) / 碳纤维 (Carbon Fiber) 织物:
原理: 这些是无机材料,它们的分子结构与有机物完全不同,不含易于氧化的碳氢化合物。因此,它们本身是不可燃的。
特性: 玻璃纤维织物通常呈白色或米白色,质地相对较硬,不如棉麻柔软。它可以被编织成布料,虽然触感可能略显粗糙,但具有优异的耐高温和化学稳定性。碳纤维则更轻更坚固,但成本较高。
应用: 宇航服的内层(贴身层可能还需要其他处理)或一些防护性外层会使用这些材料。它们能够有效地隔绝外部氧气,同时自身不参与燃烧。
注意事项: 虽然材料本身不可燃,但如果衣物上有有机涂层、染料或接缝的线头是普通材质,仍然可能存在隐患。因此,整个衣物的生产过程都要严格控制。

2. 芳纶纤维 (Aramid Fibers) 如 Nomex®、Kevlar®:
原理: 芳纶纤维是一类阻燃合成纤维。它们在高温下不易熔化或滴落,而是会碳化,形成一层保护层,阻止火焰蔓延。它们在极度高温下也会分解,但燃烧速度极慢,且不易释放可燃气体。
特性: Nomex® 的手感相对柔软,可以制成类似棉的织物,穿着舒适度较高,常用于消防员服装、赛车服等。Kevlar® 则更坚韧,常用于防弹衣,但用作服装时,其柔软度和透气性可能不如 Nomex®。
应用: 它们可以作为宇航服的内层或中间层,提供额外的防火保护。通过特殊的编织工艺,可以进一步提升其在纯氧环境下的安全性。
注意事项: 尽管阻燃性极佳,但严格来说它们并非绝对不可燃。在极端纯氧环境下,仍需谨慎评估。

3. 聚四氟乙烯 (PTFE) / 特氟龙 (Teflon®):
原理: PTFE 是一种含氟聚合物,具有极高的化学稳定性和热稳定性,本身是不可燃的。
特性: PTFE 质地光滑,具有优异的防粘性和耐腐蚀性。它可以被制成薄膜或纤维。
应用: 虽然直接用 PTFE 制成大面积的衣物可能不太实际(比如透气性、柔软度问题),但它可以作为衣物的涂层、衬里,或者用于制造一些特殊的防护配件。例如,防护手套的内层或外套层可能采用含 PTFE 涂层的材料。

4. 特殊处理的天然纤维或再生纤维:
原理: 对于某些需要较高舒适度和透气性的场合,可能会对棉、麻等天然纤维进行化学处理,使其具有阻燃性能。常见的阻燃处理包括磷系阻燃剂等。
特性: 处理后的纤维在保留一定舒适度的同时,能够显著降低其在纯氧环境下的易燃性。
应用: 可能会作为宇航服的内衬或某些特殊工装的材料,但其阻燃性能需要经过严格的测试和认证。
注意事项: 处理的化学药剂是否会在纯氧环境下挥发或分解产生危险物质也需要考虑。

在衣物设计上,还需要注意:

接缝和线头: 所有缝合线也必须是不可燃或阻燃材料,并且要尽量减少线头外露。
拉链和纽扣: 金属拉链或纽扣比塑料更安全,但金属在某些情况下也可能产生静电。可能需要使用特殊的防静电金属或非金属材料。
静电控制: 衣服的编织方式、纤维的种类以及是否带有导电纤维(如碳纤维或特殊处理的金属丝)都会影响静电的产生和耗散。整体穿着系统可能需要接地或使用防静电剂。

二、 日用品材料的选择:

日用品的选择更为复杂,因为它们涵盖了从清洁用品到个人护理,再到各类工具和容器。

1. 金属类(特别是铝、不锈钢):
原理: 大多数金属在纯氧环境下是稳定的,不会燃烧。
特性: 坚固、耐用、易于清洁。铝轻便,不锈钢强度和耐腐蚀性更好。
应用: 制作容器(水杯、食物盒)、工具(餐具、扳手)、灯具外壳等。宇航员的饮水瓶、食品包装等都需要选用这类材料。
注意事项: 部分金属粉末或细小的金属颗粒在纯氧中可能更容易被点燃,所以使用时要避免产生大量金属屑。

2. 无机玻璃/石英玻璃:
原理: 玻璃的主要成分是二氧化硅,本身是不可燃的。石英玻璃具有更好的耐高温性能。
特性: 透明、化学稳定性好、易于清洁。
应用: 制作观察窗、照明设备的外壳,甚至一些特殊的容器。
注意事项: 玻璃易碎,需要考虑其机械强度。

3. 陶瓷:
原理: 陶瓷是无机非金属材料,经过高温烧结而成,本身是不可燃的。
特性: 硬度高、耐高温、耐腐蚀、绝缘性好。
应用: 制作绝缘件、密封件、耐磨损部件、甚至一些餐具或工具的握柄。

4. 纯硅胶 (Silicone Rubber) 的特殊处理:
原理: 纯硅胶本身具有一定的阻燃性,但具体性能取决于其配方和纯度。在纯氧环境下,可能需要使用专门配方的、阻燃性能经过强化的硅胶。
特性: 柔软、有弹性、耐温、密封性好。
应用: 用于制作密封圈、管道连接件、柔性容器的内衬或外套。例如,宇航服上的连接件或氧气管路可能会用到经过特殊处理的硅胶。
注意事项: 普通硅胶可能依然存在风险,必须选用符合纯氧环境标准的特殊配方。

5. 氟聚合物 (Fluoropolymers) 如 PTFE (Teflon®)、PFA、FEP:
原理: 与衣物中提到的 PTFE 类似,这些含氟聚合物是不可燃的,并且化学惰性极高。
特性: 优异的耐化学腐蚀性、耐高温、低摩擦系数、绝缘性。
应用: 制作管道、容器的内衬、密封件、电线电缆的绝缘层等。在纯氧系统中,任何可能与氧气接触的软管或密封件都需要使用这类材料。

6. 特定配方的工程塑料:
原理: 绝大多数通用塑料(如聚乙烯、聚丙烯、ABS)在纯氧中都极其危险。但一些特殊的工程塑料,例如聚醚醚酮 (PEEK) 或 聚苯硫醚 (PPS),通过其分子结构的特殊设计,可以表现出优异的阻燃性甚至不可燃性。
特性: PEEK 具有极高的强度、耐温性和耐化学性,同时阻燃性能优异。PPS 也具有良好的耐热性和阻燃性。
应用: 制作需要高强度和耐化学性的零部件,如泵的部件、连接器、工具外壳等。
注意事项: 即使是这些工程塑料,也必须是专门为纯氧环境开发的、经过严格测试和认证的牌号。

在日用品选择上,还需要考虑:

润滑剂: 任何润滑剂在纯氧中都可能成为火种。如果必须使用,必须选用真空兼容、低挥发性、且专门为富氧环境设计的阻燃型润滑剂。通常会避免使用有机润滑剂。
清洁剂: 有机溶剂(如酒精、丙酮)在纯氧中是绝对禁止使用的。只能使用纯净水或专门的、不含易燃成分的清洁剂。
电池: 电池中的电解液和电化学反应在短路或损坏时可能产生火花或热量,因此在纯氧环境中要格外小心。可能会使用特殊的电池化学体系,或者将电池封装在防火外壳中。

总结来说,在纯氧环境下,我们选择的材料核心就是“从源头杜绝火源的可能”。这需要我们摒弃几乎所有常见的有机材料,转向无机材料、特种合成纤维以及经过特殊配方和处理的聚合物。每一个环节,从材料的选择、生产工艺到最终的使用,都必须以“防火”为最高优先级,并辅以严格的静电控制措施。这不仅仅是材料的选择,更是一种严谨到极致的系统工程。

网友意见

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一般青年:

柔性氧化铝纤维,不可燃、可以做成柔软的防火布。其主要成分是三氧化二铝细丝,还含有一定的二氧化硅、氧化硼、氧化铁、氧化锆、氧化镁等。月球本身含有大量的三氧化二铝、氧化铁、二氧化硅。

硅酸铝纤维、多叶型聚酰亚胺纤维之类你也可以自己看一看。间位芳纶与阻燃粘胶纤维的混合物覆盖无机纤维织物,即可在接触大部分普通人的皮肤时不造成刺激。

聚苯并咪唑(PBI)纤维,耐火、自熄灭、耐辐射、耐沸水、耐溶剂、耐化学药品,由美国赛拉尼斯公司为阿波罗计划研究,是美国月球基地的正统纤维。考虑每个舱室的纯氧量有限,耐火纤维在一定程度上仍可限制火灾。

三聚氰胺树脂纤维、芳族聚酰胺纤维、改性聚丙烯酸纤维的混合物,耐火、高强度、易加工、可直接接触人体,比 PBI 便宜得多。

建筑材料可以取自月壤和月岩。防火的问题没有想象的那么大,建筑群可设置大量与月球环境相连的防火隔离带,让火焰跟高真空去玩吧。

在你送上去的人数多到需要考虑几立方千米那么大的空间之前,根本不需要给熔岩管整体充气。将高度气密性的、容积与人数相适应(一个人其实只需要几十立方米空间)的建筑物盖在熔岩管里面就是了。此时熔岩管提供的是辐射屏蔽和相当大面积的天然墙壁(以节约建筑材料)。显然,如果你处于“送 100 万吨氮气很贵”的阶段,你绝不可能有任何必要送超过 110 个人上月球。

整个月球的全部土壤中的氦-3 加起来估计有 71.5 万吨,不是“闲着没事干、钱多了难受”的话不用考虑开采它。从月球土壤中每提取一吨氦-3,可同时得到 6300 吨氢、70 吨氮、1600 吨碳,也没有多值得期待。

人不宜长期呼吸纯氧。


文艺青年:

博人传就是为这个目的创作的。


二X青年:

显然是美元。

送 100 万吨氮气的唯一障碍就是国会不肯批准那么多预算。

美国的印钞机的运转速度远远超过支持这点钱所需。

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