НЕТКАНЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ОГНЕСТОЙКИЙ ДУГОСТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ
NON-WOVEN HEAT-INSULATING FIRE-RESISTANT ARC-RESISTANT MATERIAL

Заявленное решение может быть использовано при теплоизоляции изделий, объектов, зданий, сооружений, конструкций, композиционных изделий для защиты от воздействия повышенных и пониженных температур, а также термических рисков электрической дуги. Из уровня техники известны нетканые огнестойкие материалы (патент RU 34549 U1, RU 182411 U1, RU 182396 U1), включающие различные огнестойкие полимерные волокна, отличающиеся меньшими показателями огнестойкости, теплоизоляции и отсутствием свойства дугостойкости.
Недостатком материала по RU 34549 U1 является недостаточная огнестойкость из-за низкого содержания огнестойких волокон, согласно ГОСТ ISO 14116 индекс ограниченного распространения пламени у данного материала не превышает 1. Недостатком материала по RU 182411 U1, структура которого выполнена в виде трех слоёв: верхнего, внешнего и внутреннего, где верхний и нижний слои имеют более высокую прочность, чем внутренний слой, является неоднородность физико-механических свойств по всему объему полотна. Недостатком материала RU 182396 U1 является низкая огнестойкость с потерей массы при открытом воздействии пламени, которая превышает 60 %.
Задачей, реализуемой при создании заявленного решения, является повышение универсальности и многофункциональности получаемых нетканых материалов, при этом технический результат, достигаемый при решении такой задачи, состоит в повышении огнестойкости материала (при воздействии открытого пламени) и дугостойкости материала (защита от термических рисков электрической дуги), повышение функций теплоизоляции.
Для достижения поставленного результата предлагается нетканый теплоизоляционный огнестойкий дугостойкий материал, выполненный в виде изотропной структуры – сплошной пористой среды, сформированной из смеси волокон-1  и волокон-2, содержание которых  удовлетворяет одному из следующих условий, в %: волокна-1 -  от 5 до 69, волокна-2  - от 95 до 31 или волокна-1 - от 81 до 95, волокна-2 - от 19 до 5;
при этом:
волокна-1 являются окисленными полиакрилонитрильными (ПАН) волокнами, изготовленными из прекурсоров для углеволокна;
волокна-2 являются волокнами, выбранными из группы, включающей легкоплавкие, полиэфирные, полиамидные, полипропиленовые, полиолефиновые,  огнестойкие вискозные, модакриловые, метаарамидные, параарамидные, меламиновые, полиоксадиазольные волокна, волокна на основе полиакрилатов, или смесь из, по меньше мере, двух типов волокон, выбранных из указанной группы;
значение линейной плотности волокон-1 находится в пределах от 0,01 текс до 0,16 текс или от 0,18 текс до 200 текс;
значение линейной плотности волокон-2 находится в пределах от 0,01 текс до 0,21 текс или от 0,23 текс до 200 текс;
волокна-2 удовлетворяют одному из следующих условий (a)÷(e):
а) волокна-2 являются волокнами типа «ядро – оболочка», обеспечивающие значение  разрывной нагрузки полотна по длине, Н, от 3,0 до 11,0, разрывной нагрузки полотна по ширине, Н, от 3,0 до 9,5, удлинение при разрыве по длине полотна, %, от 50,0 до 55,0, удлинение при разрыве по ширине полотна, %, от 40,0 до 46,0;
b) волокна-2 являются эксцентрическими волокнами типа «смещенное ядро», обеспечивающие значение разрывной нагрузки полотна по длине, Н, от 11,0 до 16,0, разрывной нагрузки по ширине полотна, Н, от 9,5 до 15,0, удлинение при разрыве полотна по длине, %, от 49,0 до 51,0, удлинение при разрыве по ширине полотна, %, от 37,0 до 49,0;
c) волокна-2 являются волокнами с сегментной структурой типа «дольки апельсина», обеспечивающие значение разрывной нагрузки полотна по длине, Н, от 16,0 до 18,0, разрывной нагрузки по ширине полотна, Н, от 15,0 до 17,0, удлинение при разрыве по длине полотна, %, от 20,0 до 30,0, удлинение при разрыве по ширине полотна, %, от 19,0 до 26,0;
d) волокна-2 являются волокнами с матрично-фибриллярной структурой типа «острова в море», обеспечивающие значение   разрывной нагрузки по длине полотна, Н, от 17,0 до 19,0, разрывной нагрузки по ширине полотна, Н, от 16,5 до 18,5, удлинение при разрыве по длине полотна, %, от 15,0 до 17,0, удлинение при разрыве по ширине полотна, %, от 13,0 до 16,0;
e) волокна-2 являются волокнами типа «бок-о-бок», обеспечивающие значение разрывной нагрузки по длине полотна, Н, от 20,0 до 35,0, разрывной нагрузки по ширине полотна, Н, от 20,0 до 34,0, удлинение при разрыве по длине полотна, %, от 6,0 до 10,0, удлинение при разрыве по ширине полотна, %, от 6,0 до 9,5.
По существу, материал может быть сформирован из ватки прочеса аэродинамическим и/или горизонтальным, и/или хаотическим способом с получением изотропной структуры нетканого материала путем сплошной или локальной термической обработки волокнистого холста из штапельных или непрерывных (фильерных) волокон, содержащих легкоплавкие, волокна. В частности, материал может быть сформирован в виде высокообъемной изотропной структуры в разнонаправленных циркулирующих потоках горячего воздуха в температурном диапазоне от 100°С до 220°С  с применением дополнительных видов отделки или без них, таких, как каландрирование или ламинирование методом термического скрепления волокнистого состава в температурном диапазоне от 100°С до 400°С.
Существо заявленного решения поясняется фиг. 1 – диаграммой влияния содержания окисленных ПАН волокон, изготовленных из прекурсоров для углеволокна, на уровень защиты от термических рисков электрической дуги.
В общем виде заявленный нетканый материал представляет из себя сплошную пористую среду с однородными физико-механическими свойствами по всему объему, например, в виде полотна,  с теплоизоляционными, огнестойкими и дугостойкими свойствами, препятствует распространению избыточного тепла (включая воздействие открытого пламени, электрической дуги), а также пониженной температуры, представляющих угрозы для жизни и здоровья человека, разрушения и воспламенения объектов, зданий, сооружений, конструкций за счет создаваемого препятствия в виде нетканой волокнистой структуры для высокотемпературных и низкотемпературных воздушных масс. Материал позволяет повысить огнестойкость, где потеря массы при открытом воздействии пламени не превышает 9 %, а индекс ограниченного распространения пламени - 3.
Формирование волокнистой смеси с включением окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна осуществляется путем добавления одного или нескольких из вышеперечисленных компонентов.
Добавление таких волокон позволяет:
2
изготавливать термостойкую спецодежду с уровнями защиты от 1 до 8 по ГОСТ Р 12.4.234, в частности, для защиты от термического воздействия электрической дуги в диапазоне падающей энергии 5÷100 кал/см;
снизить степень повреждения по длине нетканого материала, что позволяет создавать изделия для защиты от воздействия открытого пламени на протяжении не менее 10 минут, с последующей возможностью их многократного использования после воздействия открытых источников пламени и сохранением основных теплоизоляционных и эксплуатационных свойств.
Результаты проведенных испытаний на горючесть в соответствии с ГОСТ 20489, ГОСТ 12023, ГОСТ 15902.2, ГОСТ 15902.3, ГОСТ Р ИСО 6330, ГОСТ ISO 14116, ГОСТ ISO 15025, ГОСТ Р 12.4.234, ГОСТ 30244, ГОСТ 30402, ГОСТ 12.1.044, ГОСТ Р 51032,  в частности, при воздействии открытого источника пламени газовой горелки в камере сжигания с четырьмя отдельными сегментами и продолжительностью воздействия 10 минут показали, что  потеря массы заявленным нетканым материалом, имеющим в своем составе окисленные ПАН, изготовленные из прекурсоров для углеволокна, составляет не более 9 % в отличие от материалов, получаемых без введения окисленных ПАН, в которых, в свою очередь, потеря массы превышает 60 %. Заявленное решение позволяет не менее чем в 3 раза снизить температуру дымовых газов при воздействии открытого пламени на объемные нетканые термоскрепленные материалы с включением окисленных ПАН. Кроме того, заявленное решение позволяет снизить объемную массу нетканого материала на 47-59 % за счет снижения толщины нетканого полотна при сохранении теплоизоляционных свойств, позволяя уменьшить толщину одежды и повысить эргономичность готовых изделий - см. таблицу 1 «Сопоставление свойств нетканых материалов».
Таблица 1.
Индустриальная апробация заявленного решения - теплоизоляционных огнестойких дугостойких нетканых термоскрепленных материалов с включением, окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна, была произведена в изделиях для нефтегазового, энергетического, металлургического, машиностроительного и аэрокосмического секторов промышленности.
Динамика изменений защитных свойств от термических рисков электрической дуги со ссылкой на фиг. 1 представлена на примере апробированных вариантов, изготовленных согласно данному решению:
2
с увеличением содержания окисленных ПАН волокон, изготовленных из прекурсоров для углеволокна, уровень защиты от термических рисков электрической дуги возрастает. Примером результата апробации является нетканый теплоизоляционный огнестойкий дугостойкий материал, выполненный в виде изотропной структуры – сплошной пористой среды, сформированной из смеси 50 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,78 текс, 31 % легкоплавких волокон типа «острова в море» линейной плотностью 0,67 текс, 10 % огнестойких вискозных волокон линейной плотностью 0,33 текс, 9 % метаарамидных волокон линейной плотностью 0,21 текс, без каландрирования, поверхностной плотностью 250 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 160°С; обладающий уровнем защиты не менее 5 (фиг.1); либо в соответствии с другими вариантами, представленными ниже в примерах 1-15.
Ниже следуют примеры конкретной реализации нетканых теплоизоляционных огнестойких дугостойких материалов в заявленных пределах количественно-качественных значений компонентов (волокон).
2
Пример 1. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 7 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,16 текс, 18 % легкоплавких волокон типа «бок-о-бок» линейной плотностью 0,44 текс, 75 % огнестойких вискозных волокон линейной плотностью 0,33 текс, без каландрирования, поверхностной плотностью 300 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 170°С.
2
Пример 2. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 69 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,33 текс, 31 % легкоплавких волокон типа «ядро-оболочка» линейной плотностью 0,21 текс, с двухсторонним каландрирования, поверхностной плотностью 200 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 235°С.
2
Пример 3. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 81 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,18 текс, 15 % легкоплавких волокон типа «смещенное ядро» линейной плотностью 0,23 текс, 4 % метаарамидных волокон линейной плотностью 0,21 текс, без каландрирования, поверхностной плотностью 70 г/м, произведенный горизонтальным способом формирования холста при температуре 150°С.
2
Пример 4. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 81 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,22 текс, 19 % легкоплавких волокон типа «ядро-оболочка» линейной плотностью 0,67 текс, с односторонним каландрированием, поверхностной плотностью 100 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 238°С.
2
Пример 5. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 60 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,56 текс, 31 % легкоплавких волокон типа «бок-о-бок» линейной плотностью 0,44 текс, 9 % полиакрилатных волокон линейной плотностью 0,33 текс, без каландрирования, поверхностной плотностью 180 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста с хаотическим расположением волокон при температуре 200°С.
2
Пример 6. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 50 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,78 текс, 31 % легкоплавких волокон типа «острова в море» линейной плотностью 0,67 текс, 10 % огнестойких вискозных волокон линейной плотностью 0,33 текс, 9 % метаарамидных волокон линейной плотностью 0,21 текс, без каландрирования, поверхностной плотностью 250 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 160°С.
2
Пример 7. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 11 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,10 текс, 19 % легкоплавких волокон типа «дольки апельсина» линейной плотностью 0,15 текс, 70 % полиакрилатных волокон линейной плотностью 0,33 текс, с двухсторонним каландрированием, поверхностной плотностью 150 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 235°С.
2
Пример 8. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 68 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 1,67 текс, 15 % легкоплавких волокон типа «бок-о-бок» линейной плотностью 0,44 текс, 10 % модакриловых волокон линейной плотностью 0,33 текс, 7 % полиэфирных волокон линейной плотностью 0,07 текс, с двухсторонним каландрированием, поверхностной плотностью 300 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 240°С.
2
Пример 9. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 31 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,15 текс, 19 % легкоплавких волокон типа «смещенное ядро» линейной плотностью 0,44 текс, 15 % огнестойких вискозных волокон линейной плотностью 0,23 текс, 35 % полиакрилатных волокон линейной плотностью 0,21 текс без каландрирования, поверхностной плотностью 150 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 150°С.
2
Пример 10. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 69 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,01 текс, 31 % легкоплавких волокон типа «ядро-оболочка» линейной плотностью 0,01 текс, с показателем разрывной нагрузки полотна по длине 3,0 Н, по ширине 3,0 Н, удлинение при разрыве по длине 50,0 %, по ширине 40,0 %, без каландрирования, поверхностной плотностью 30 г/м, произведенный горизонтальным способом формирования холста при температуре 120°С.
2
Пример 11. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 45 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,10 текс, 20% полиакрилатных волокон линейной плотностью 0,11 текс, 35% легкоплавких волокон линейной плотностью 0,21 текс типа «смещенное ядро», с показателем разрывной нагрузки полотна по длине 13,5 Н, по ширине 12,3 Н, удлинение при разрыве по длине 50,0 %, по ширине 43,0 %, с каландрированием, поверхностной плотностью 70 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 220°С.
2
Пример 12. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 5 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 200 текс, 76 % метаарамидных волокон линейной плотностью 200 текс, 19 % легкоплавких волокон линейной плотностью 1,67 текс типа «дольки апельсина», с показателем разрывной нагрузки полотна по длине 18,0 Н, по ширине 17,0 Н, удлинение при разрыве по длине 30,0 %, по ширине 26,0 %, без каландрирования, поверхностной плотностью 2000 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста при температуре 180°С.
2
Пример 13. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 81 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,18 текс, 2  % полиоксадиазольных волокон линейной плотностью 0,23 текс, 17 % легкоплавких волокон линейной плотностью 0,44 текс типа «острова в море», с показателем разрывной нагрузки полотна по длине 17,0 Н, по ширине 16,5 Н, удлинение при разрыве по длине 15,0 %, по ширине 13,0 %, с каландрированием, поверхностной плотностью 400 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста с хаотическим расположением волокон при температуре 230°С.
2
Пример 14. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 95 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 0,16 текс, 5 % легкоплавких волокон линейной плотностью 0,17 текс типа «бок-о-бок», с показателем разрывной нагрузки полотна по длине 27,5 Н, по ширине 27,0 Н, удлинение при разрыве по длине 8,0 %, по ширине 7,8 %, с каландрированием, поверхностной плотностью 250 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста с хаотическим расположением волокон при температуре 230°С.
2
Пример 15. Нетканый материал в виде полотна из волокнистой смеси 85 % окисленных ПАН, изготовленных из прекурсоров для углеволокна линейной плотностью 100 текс, 2 % меламиновых волокон линейной плотностью 100 текс, 13 % легкоплавких волокон линейной плотностью 2,78 текс типа «ядро-оболочка», с показателем разрывной нагрузки полотна по длине 11,0 Н, по ширине 9,5 Н, удлинение при разрыве по длине 55,0 %, по ширине 46,0 %, без каландрирования, поверхностной плотностью 1000 г/м, произведенный аэродинамическим способом формирования холста с хаотическим расположением волокон при температуре 190°С.
В таблице 2 представлено соответствие выборочных примеров требованиям ГОСТ по теплоизоляционным, огнестойким и дугостойким свойствам нетканых материалов.
Таблица 2. Теплоизоляционные, огнестойкие и дугостойкие свойства нетканых материалов по результатам апробации