ОГНЕСТОЙКИЙ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
FIREPROOF HEAT-PROTECTIVE MATERIAL

Изобретение относится к области производства защитных материалов изолирующего типа, обладающих огнестойкостью и теплозащитными свойствами, предназначенных для изготовления защитной одежды пожарных, электро- и газосварщиков, работников металлургической, нефтегазовой и химической промышленности, работающих в условиях воздействия интенсивного теплового излучения и открытого пламени, при тушении пожаров и проведении различных аварийно-спасательных работ.
Высокими огнезащитными и теплозащитными свойствами характеризуются материалы на основе полисилоксановых каучуков.
Известен многослойный защитный материал, предназначенный для пошива специальной огнезащитной одежды с высокими физико-механическими показателями, выполненный в виде пакета и содержащий наружный слой из термостойких волокон, промежуточный теплоизоляционный слой, внутренний слой из хлопчато-бумажной ткани и расположенный между промежуточным и наружным слоем гидроизоляционный слой из силоксановой композиции, которая совместно с наружным слоем составляет 0,02-0,05 мм толщины промежуточного слоя. Согласно изобретению, силоксановая композиция гидроизоляционного слоя включает синтетический низкомолекулярный каучук СКТН, в качестве наполнителя которого использован аэросил марки А-300 или А-380 в количестве 3,5-30 мас.ч. на 100 мас.ч. СКТН, а в качестве отвердителя применен отвердитель К-10С типа метилтриацетоксил в количестве 3,5-5,0 мас.ч. на 100 мас.ч. полимерной смеси (патент RU 2164930, опубликовано 10.04.2001). Композицию готовят в мешалке, добавляя аэросил к СКТН, перемешивают в течение 1 часа, затем смесь сливают и оставляют на 24 часа. Отбирают часть смеси в емкость, добавляют отвердитель метилтриацетоксил и тщательно перемешивают в течение 2-3 минут. Жизнеспособность состава - 1 час. Состав наносят на внутреннюю поверхность слоя из термостойких волокон, который служит наружным слоем пакета многослойного защитного материала, а затем нанесенный слой вулканизуют в камере при температуре (150±20)°С.
Многослойный огнезащитный материал обладает высокой изгибоустойчивостью и износоустойчивостью. Гидроизоляционный слой, нанесенный на внутреннюю поверхность слоя из термостойких волокон, обеспечивает защиту теплоизоляционного и внутреннего слоя от проникания воды. Многослойный материал характеризуется невысокими огнезащитными свойствами: огнестойкость термостойких волокон, которые служат наружным слоем пакета материалов, составляет 10 секунд.
Недостаток известной защитной одежды, изготовленной из многослойного материала, заключается в его значительной массе, низкой отражающей способности наружного слоя материала, вероятности перегрева человека, одетого в такую одежду, из-за накопления тепловой энергии в подкостюмном пространстве.
2
Известен огнестойкий текстильный материал, состоящий из тканевой основы и нанесенного на основу огнезащитного полимерного покрытия толщиной 0,05-0,25 мм на основе низкомолекулярного силоксанового каучука (патент RU 2203993, опубликовано 10.05.2003). В качестве тканевой основы материал содержит капроновую ткань с поверхностной плотностью 130-170 г/м. В качестве низкомолекулярного силоксанового каучука используют любой низкомолекулярный силоксановый каучук СКТН марок А, Б, В и F с молекулярной массой от 20000 до 100000. В качестве отвердителя низкомолекулярного силоксанового каучука используют тетраэтоксисилан или этилсиликат-40 (от 12 до 15 мас.ч.); в качестве катализатора-ускорителя отверждения используют, например, октоат олова или катализатор 18 (от 2 до 8 мас.ч.); в качестве целевых добавок используют резорцин-уротропиновый модификатор РУ (15 мас.ч.) для достижения лучшей адгезии покрытий к капроновым тканям и эмульсионный поливинилхлорид (15 мас.ч.) для достижения матовости покрытий. При составлении колера используют различные пигменты. Композицию готовят путем смешения компонентов в смесителе до образования гомогенной массы. Композицию наносят на капроновую ткань на шпрединг-агрегате ножевой раклей двумя штрихами с последующей термообработкой в течение 10 мин при 125°С. Толщина силоксанового покрытия составляет 0,1-0,2 мм. Огнестойкость материала при выдержке в открытом пламени составляет 15-25 секунд.
Известна композиция на основе жидкого силоксанового каучука для получения огнестойкого материала, включающая низкомолекулярный силоксановый каучук (100 мас.ч.), этилсиликат-40 (10-20 мас.ч.) в качестве отвердителя, олеиновую кислоту (7-9 мас.ч.) и окта(п-бромфенил)тетрааза-порфиринато-кобальт (0,5-1 мас.ч.) в качестве катализатора (патент RU 2393184, опубликовано 27.06.2010). Композицию готовят путем смешения компонентов в смесителе до образования гомогенной массы, затем наносят на капроновую ткань ножевой раклей с последующей термообработкой при температуре 160-165°C в течение 2-3 минут. Стабильность композиции при хранении при комнатной температуре составляет от 14 до 17 суток, огнестойкость материала - от 52 до 65 секунд. Огнестойкий материал, содержащий капроновую ткань, на которую нанесена композиция на основе жидкого силоксанового каучука, имеет существенный недостаток - при воздействии открытого пламени нарушается целостность материала (прогар).
Материалы на основе высокомолекулярных силоксановых каучуков имеют целый ряд преимуществ: обладают высокой стойкостью к атмосферным воздействиям, кислороду, озону, повышенной влажности и солнечной радиации, характеризуются повышенной термостабильностью и морозостойкостью.
Резиновые смеси на основе высокомолекулярного метилвинилсилоксанового каучука с добавлением низкомолекулярного метилвинилсилоксанового каучука используются преимущественно для изоляционных оболочек электрических кабелей и проводов, обладающих огнестойкостью, маслобензостойкостью, морозостойкостью (патент RU 2224774, опубликовано 27.02.2004; патент RU 2249869, опубликовано 10.04.2005; патент RU 2285306, опубликовано 10.10.2006).
Огнестойкие теплозащитные материалы, полученные на основе высокомолекулярных силоксановых каучуков и предназначенные для изготовления защитной одежды персонала, работающего в условиях воздействия интенсивного теплового излучения и открытого пламени, неизвестны.
3
2
m
3
2
п
Наиболее близким к заявленному изобретению является композиционный материал для изготовления резинотехнических изделий (патент RU 2285703, опубликовано 20.10.2006), выполненный из резиновой смеси, содержащей высокомолекулярный метилвинилсилоксановый каучук, аэросил, пылевидный кварц, органическую перекись, антиструктурирующий агент α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксан, низкомолекулярный метилвинилсилоксановый каучук с молекулярной массой 20-70 тыс.ед. общей формулы HO[(CH)SiO](CH)(CH CH)SiO] H, где m, n - мольное содержание звеньев, причем m+n=100 (мол.%), m=98,5-99,85 (мол.%), п=0,15-1,5 (мол.%), дополнительно содержит гидрофобизатор - кремнийорганическую жидкость и при необходимости стеариновую кислоту, дегидратирующий агент (оксид кальция, или магния, или бария, или алюминия), огнезащитный наполнитель - гидроксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
высокомолекулярный метилвинилсилоксановый каучук
70-80
низкомолекулярный метилвинилсилоксановый каучук
20-30
пылевидный кварц
170-200
аэросил
40-50
антиструктурирующий агент
α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксан
8-10
кремнийорганическая гидрофобизирующая жидкость
1,8-8
стеариновая кислота
от 0 до 0,8-1,5
дегидратирующий агент от
0 до 1,0-3,0
огнезащитный наполнитель
от 0 до 20-30
органическая перекись
1,5-2,0
Компоненты - силоксановые каучуки, аэросил с антиструктурирующим агентом, пылевидный кварц, возможно дегидратирующий агент - оксид кальция и огнезащитный наполнитель - гидроксид алюминия перемешивают в охлаждаемом водой смесителе до достижения однородности массы, затем прогревают смесь при температуре 170°C в течение 30-50 минут. Резиновую смесь охлаждают до комнатной температуры. В охлажденную смесь на вальцах вводят кремнийорганическую гидрофобизирующую жидкость и органическую перекись, затем проводят вулканизацию в гидравлическом прессе. Резинотехнические изделия, изготовленные по известному изобретению, используют для изоляционных оболочек электрических кабелей и проводов.
Задачей изобретения является создание защитного материала изолирующего типа, обладающего огнестойкостью и теплозащитными свойствами.
2
Предложенный материал отличается от известного тем, что содержит текстильную армирующую основу, выбранную из ряда термостойких тканей - арамидных, или кремнеземных, или стеклотканей, на наружную сторону которой нанесен слой резинового покрытия в количестве 180-200 г/м, включающего высокомолекулярный метилфенилвинилсилоксановый каучук, гидроксид алюминия модифицированный винилсиланом и кварцит М600; в состав резинового покрытия входит также аэросил марки А-300 или А-380 и антиструктурирующий агент α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксан при следующем соотношении компонентов, мас.ч:
высокомолекулярный метилфенилвинилсилоксановый каучук
марки СКТФВ-803
100
гидроксид алюминия модифицированный винилсиланом
80-120
кварцит М600
5-15
аэросил марки А-300 или А-380
20-50
антиструктурирующий агент
α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксан
4-8
Высокомолекулярный метилфенилвинилсилоксановый каучук марки СКТФВ-803 по ТУ38.103371-77 - сополимерный каучук, содержащий диметил-, метилфенил- и метилвинилсилоксановые звенья, молекулярная масса в пределах 430-680 тыс.ед. Введение фенильных групп в структуру метилвинилсилоксанового каучука значительно повышает термическую стабильность полимера и резинового покрытия на его основе.
3
Гидроксид алюминия модифицированный винилсиланом - порошкообразный наполнитель со средним размером частиц от 2 до 50 мкм и содержанием Аl(ОН) не менее 99,5% является термостабилизатором резиновой смеси на основе высокомолекулярного метилфенилвинилсилоксанового каучука, ингредиентом, повышающим огнестойкость материала: при действии открытого пламени гидроксид алюминия модифицированный винилсиланом образует защитный слой водяного пара, препятствующий распространению горения материала.
Кварцит М600 - инертный порошкообразный наполнитель на основе измельченного природного кварцита со средним размером сферических частиц от 5 до 150 мкм и содержанием диоксида кремния не менее 99,0%. Введение кварцита М600 в состав резинового покрытия повышает устойчивость к воздействию органических растворителей, масел, топлив.
Аэросил марки А-300 или А-380 по ТУ 24.1-31695418-002-2003 - высокодисперсный, высокоактивный аморфный диоксид кремния, наполнитель резиновой смеси, усиливающий физико-механические свойства. Высокая активность аэросила приводит к преждевременному структурированию резины.
Введение в состав резиновой смеси антиструктурирующего агента α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксана позволяет задержать структурирование каучука в процессе изготовления и хранения резиновой смеси. Сочетание аэросила с кварцитом М600 улучшает эксплуатационные свойства материала.
Антиструктурирующий агент α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксан (продукт НД-8 по ТУ38.103648-88) является стабилизатором и пластификатором резиновой смеси на основе высокомолекулярного метилфенилвинилсилоксанового каучука.
В качестве растворителя резиновой смеси используют бензин марки С50/170 по ГОСТ 8505-80 или бензин марки С280/120 по ТУ 38.401-67-108-92.
Выявленные отличительные признаки в совокупности с другими известными отличительными признаками дают возможность получить огнестойкий теплозащитный материал, устойчивый к агрессивным средам, растворителям и маслам, обеспечивающий защиту при воздействии газообразных токсичных химических веществ - хлора и аммиака.
Огнестойкий теплозащитный материал получают путем нанесения раствора резиновой смеси в бензине, на наружную сторону текстильной армирующей основы с последующей сушкой и вулканизацией.
Пример приготовления раствора резиновой смеси в бензине.
В резиносмеситель двухвальный СМ-50 загружают высокомолекулярный метилфенилвинилсилоксановый каучук марки СКТФВ-803, затем при перемешивании вводят порциями аэросил марки А-300 или А-380 вместе с антиструктурирующим агентом α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксаном, кварцит М-600 и гидроксид алюминия модифицированный винилсиланом. Резиновую смесь перемешивают при температуре 70°C в течение 10-15 минут. Затем смесь выгружают и вальцуют в течение 2-3 минут. По окончании вальцевания резиновую смесь снимают с вальцов, охлаждают до комнатной температуры, загружают в клеемешалку, добавляют органический растворитель - бензин марки С50/170 или марки С280/120 и перемешивают до полного растворения резиновой смеси и образования гомогенной дисперсии.
Раствор резиновой смеси в бензине наносят на наружную сторону текстильной армирующей основы, выбранной из ряда термостойких тканей - арамидных, или кремнеземных, или стеклотканей, несколькими штрихами (слоями) на линии покрытия ткани резиной, производства фирмы «Siltex s.r.l» (Италия). После нанесения каждого слоя раствора резиновой смеси в бензине материал проходит через сушильную камеру, где бензин испаряется и на поверхности ткани образуется тонкая пленка резинового покрытия. Суммарное количество резинового покрытия, нанесенного на текстильную армирующую основу, составляет 180-200 г/м. Затем материал направляют на радиационную вулканизацию с дозой облучения 15 Мрад (источник γ-излучения кобальтовая пушка). При облучении лучами высокой энергии в полимерной цепи образуются радикалы, которые вследствие взаимного насыщения вызывают появление сшивок С-С, что обеспечивает термостойкость вулканизованного материала. Для сшивания высокомолекулярного метилфенилвинилсилоксанового каучука методом облучения не требуется применения вулканизующих агентов. Наиболее существенным преимуществом высокомолекулярного метилфенилвинилсилоксанового каучука, вулканизованного методом облучения, является его высокая стойкость к гидролитической деполимеризации.
В таблице 1 приведены примеры (варианты) состава резиновой смеси.
Таблица 1
Ингредиенты резиновой смеси
Содержание ингредиентов в резиновой смеси, мас.ч., в примерах №
1
2
3
Высокомолекулярный метилфенилвинилсилоксановый каучук марки СКТФВ-803
100
100
100
Аэросил марки А-300 или А-380
20
35
50
Антиструктурирующий агент α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксан
4
6
8
Кварцит М600
5
10
15
Гидроксид алюминия модифицированный винилсиланом
80
100
120
Заявленные пределы дозировок обусловлены тем, что введение аэросила марки А-300 или А-380 в резиносмеситель в количестве большем 50 мас.ч. на 100 мас.ч. высокомолекулярного метилфенилвинилсилоксанового каучука марки СКТФВ-803 затрудняет смешивание компонентов и получение гомогенной смеси, уменьшение этого усиливающего наполнителя в составе резиновой смеси не обеспечивает необходимый уровень физико-механических показателей. При увеличении содержания кварцита М600 в резиновой смеси уменьшается скорость вулканизации, прочность и эластичность резинового покрытия, уменьшение содержания кварцита М600 в резиновой смеси снижает устойчивость резинового покрытия к органическим растворителям и маслам. Увеличение содержания гидроксида алюминия модифицированного винилсиланом в резиновой смеси негативно сказывается на прочности резинового покрытия, уменьшение его содержания в резиновой смеси снижает огнестойкость материала.
Образцы огнестойкого теплозащитного материала, полученного с использованием арамидной ткани в качестве текстильной армирующей основы, испытаны по огнестойкости, теплозащитным свойствам, сопротивлению разрыву при растяжении, устойчивости к агрессивным средам (серной и соляной кислоте, щелочи), маслостойкости, защитным свойствам при воздействии токсичных газообразных веществ - хлора и аммиака.
Определение стойкости к воздействию открытого пламени проводилось по ГОСТ Р 12.4.200-99 при вертикальном расположении образца и горизонтальном расположении горелки.
Определение устойчивости к воздействию теплового потока проводилось по ГОСТ Р 53264, п.7.15.
Определение сопротивления разрыву при растяжении проводилось по ГОСТ 30303-95 на испытательной машине «Schopper» зав. №5549.
Определение устойчивости к воздействию агрессивных сред проводилось по ГОСТ 12.4.220-2002. Материал считается устойчивым к воздействию агрессивных сред при сохранении прочности после воздействия агрессивного вещества не менее 90%.
Определение защитных свойств проводилось по «Методикам определения времени защитного действия средств индивидуальной защиты при воздействии паров химически опасных агрессивных веществ» ОАО «КазХимНИИ».
Качественные показатели огнестойкого теплозащитного материала, полученного с использованием арамидной ткани в качестве текстильной армирующей основы при различных соотношениях компонентов, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование показателя
Примеры
1
2
3
Содержание резинового покрытия на текстильной армирующей основе, г/м<sup>2</sup>
180
190
200
Огнестойкость, с
Более 120
Более 120
Более 120
*Устойчивость к воздействию теплового потока 18 кВт/м<sup>2</sup>, с
207
224
246
Сопротивление разрыву при растяжении, Н
3850
3900
3800
Устойчивость к агрессивным средам:
- 20% серной кислоты
98
97
98
- 10% соляной кислоты
97
98
98
- 40% раствора едкого натра
92
92
92
- масла СЖР-3
99
99
99
Время защитного действия, мин при воздействии газообразного вещества:
- хлора, концентрация(2890±40) мг/л
40
45
50
- аммиака, концентрация (710±30) мг/л
40
40
45
Примечание: * Устойчивость к воздействию теплового потока оценивают по времени достижения на внутренней стороне пакета материалов температуры 50°C. Состав пакета материалов: верхний слой - заявляемый огнестойкий теплозащитный материал; промежуточный слой - полотно теплоизоляционное иглопробивное; нижний (внутренний) слой - ткань хлопчато-бумажная бязь.
Данные таблицы с очевидностью свидетельствуют 6 высоких качественных показателях заявленного огнестойкого теплозащитного материала. Огнестойкий теплозащитный материал не воспламеняется, не горит, на поверхности материала отсутствуют следы копоти даже после длительного воздействия открытого пламени; текстильная армирующая основа не повреждается и не деформируется. Резиновое покрытие огнестойкого теплозащитного материала обеспечивает высокие теплозащитные свойства благодаря низкому коэффициенту теплопроводности высокомолекулярного метилфенилвинилсилоксанового каучука марки СКТФВ-803. Огнестойкий теплозащитный материал устойчив к агрессивным средам, обеспечивает защиту от таких высокотоксичных газообразных веществ, как хлор и аммиак.