НЕТКАНЫЙ ОГНЕСТОЙКИЙ ИГЛОПРОБИВНОЙ МАТЕРИАЛ

Полезная модель относится к текстильной промышленности, в частности к нетканому волокнистому иглопробивному материалу, который может использоваться в качестве средств индивидуальной защиты для работ, связанных с повышенными термическими рисками электрической дуги, а также тепла и пламени, в частности для боевой одежды пожарного (БОП).
Из уровня техники известен нетканый огнестойкий иглопробивной материал, при этом в качестве материала использованы 100% по массе предварительно окисленные полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, что придает материалу высокую огнестойкость, малый вес и технически выгодное соотношение толщины и плотности (см. US 6696374, 24.02.2004 - выбран за прототип).
Недостатком известного из прототипа материала является отсутствие данных о его физических свойствах, в частности величины суммарного теплового сопротивления. Не указана степень влияния конкретных соотношений толщины и плотности материала на воздухопроницаемость и суммарное тепловое сопротивление. Отсутствие этих данных не позволяет судить о технической эффективности применения данного материала в конкретных условиях, в сравнении с аналогичными материалами. В прототипе только указано, что толщина материала может подбираться для обеспечения требуемой теплостойкости. Однако такой параметр материала, как толщина, не представляется возможным регулировать для обеспечения необходимой теплостойкости, поскольку при увеличении толщины материала изменяются и другие его параметры - например такие, как воздухопроницаемость, жесткость, что сказывается на удобстве работ, вплоть до невозможности применения такого утолщенного материала для одежды.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков, а именно поиск таких характеристик материала, при осуществлении которых материал будет обладать высоким суммарным тепловым сопротивлением при неизменных толщине, структуре, составе, при сохранении высокой огнестойкости.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении суммарного теплового сопротивления нетканого огнестойкого иглопробивного материала, при сохранении его огнестойкости (т.е. с сохранением показателя индекса ограниченного распространения пламени - 3 по ГОСТ ISO 14116).
Заявляемый нетканый огнестойкий иглопробивной материал для одежды содержит по массе 100% предварительно окисленных полиакрилонитрильных волокон.
2
2
Согласно полезной модели, материал выполнен с линейной плотностью 0,17-0,19 текс, поверхностной плотностью от 60 до 300 г/м и толщиной от 2 мм до 8 мм, при этом иглопрокалывание материала выполнено с одной стороны сверху с глубиной прокалывания по всей толщине материала, причем плотность иглопрокалывания составляет 200-250 точек скрепления на см с регулярным распределением в материале точек скрепления относительно друг друга.
На фиг. 1 показано схематичное расположение регулярного распределения точек скрепления в материале относительно друг друга, с равным шагом точек скрепления в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Заявляемый нетканый утеплительный огнестойкий материал для одежды включает смесь 100% по массе предварительно окисленных полиакрилонитрильных (далее - ПАН) волокон, объединенных в полотно иглопрокалыванием. В качестве неограничивающего примера, в заявляемом материале волокна представляют собой штапельные волокна длиной 51 мм. В качестве еще одного неограничивающего примера, могут использоваться волокна длиной 5-70 мм. Скрепление волокон в холсте (полотне) идет за счет иглопробивания материала.
ГОСТ ISO 14116-2016 «Система стандартов безопасности труда. Одежда и материалы для защиты от тепла и пламени. Ограниченное распространение пламени. Требования к огнестойкости» устанавливает требования и методы оценки свойств материалов, пакетов материалов, одежды специальной защитной (спецодежды) в части ограничения распространения пламени. Спецодежда, изготовленная в соответствии с настоящим стандартом, предназначена для защиты работающих от случайного кратковременного контакта с небольшим пламенем при отсутствии существенного риска от тепла другой природы. Система классификации приведена для материалов, пакетов материалов и спецодежды, испытанных в соответствии с ISO 15025, метод А. Указанный стандарт устанавливает технические требования к спецодежде и материалам для ее изготовления при проектировании, постановке на производство и подтверждении соответствия. Под отверстием в указанном стандарте понимается разрушение размером не менее 5×5 мм, вызванное плавлением, нагреванием или горением испытуемого образца. Под индексом ограниченного распространения пламени в указанном стандарте понимается цифра, указывающая, что материал имеет свойства ограничивать распространение пламени в соответствии с установленным уровнем. Требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 1: при распространении пламени ни на одном из образцов граница пламени или отверстия не должны достигать верхней или любой из вертикальных кромок; ни один из образцов не должен выделять горящих остатков; остаточное тление не должно превышать 2 с (≤2 с); тление не должно распространяться с обугленной поверхности на неповрежденную область после воздействия пламени на поверхность пробы по ISO 15025. Требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 2: при распространении пламени ни на одном из образцов граница пламени не должна достигать верхней или любой из вертикальных кромок; ни один из образцов не должен выделять горящих остатков; остаточное тление не должно превышать 2 с (≤2 с); тление не должно распространяться с обугленной поверхности на неповрежденную область после воздействия пламени на поверхность пробы по ISO 15025; ни один из образцов не должен иметь отверстий (сквозных) размером более 5 мм в любом направлении материала, используемого для защиты от пламени. Требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 3: при распространении пламени ни на одном из образцов граница пламени не должна достигать верхней или любой из вертикальных кромок; ни один из образцов не должен выделять горящих остатков; остаточное тление не должно превышать 2 с (≤2 с); тление не должно распространяться с обугленной части на неповрежденную область после воздействия пламени на поверхность пробы по ISO 15025; ни один из образцов не должен иметь отверстий размером более 5 мм в любом направлении материала, используемого для защиты от пламени; время остаточного горения каждого из образцов не должно превышать 2 с (≤2 с). То есть требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 3, являются самыми жесткими.
Было выявлено, что 100% по массе предварительно окисленные ПАН-волокна имеют высокую огнестойкость, максимальную защиту от термических рисков электрической дуги, а также от огня и пламени, что соответствует индексу ограниченного распространения пламени 3 по ГОСТ ISO 14116-2016. При изменении состава материала (при добавлении других волокон в смесь ПАН-волокон) огнестойкие свойства такого материала могут не сохраниться. Для скрепления 100% по массе предварительно окисленных ПАН-волокон применяется метод иглопрокалывания (иглопробива).
Материал из предварительно окисленных ПАН-волокон (оксипан) представляет собой иглопробивное термостойкое полотно, выпускаемое в рулонах. Материал обладает высоким влагопоглощением - до 700%, способен впитывать и удерживать в порах влагу при непосредственном соприкосновении с различными жидкостями (вода, нефтепродукты, масла), при отжиге собранной влаги, восстанавливает исходные свойства влагопоглощения. Кроме того, материал обладает следующими особенностями: не растворяется в воде; обладает биохимической стойкостью; устойчив к действию кислот, щелочей и органических растворителей; термостабилен при температуре до 300°С; может эксплуатироваться на воздухе при температуре не выше 450°С.
2
Для поиска оптимального режима (плотности) иглопрокалывания, показывающего высокие значения суммарного теплового сопротивления материала, был выбран материал со 100% по массе предварительно окисленными ПАН-волокнами с линейной плотностью 0,17-0,19 текс, поверхностной плотностью от 60 до 300 г/м и толщиной от 2 до 8 мм. Такие параметры обеспечивают материалу применяемость для одежды, т.е. оптимальный относительно легкий вес, оптимальную жесткость, прочность, воздухопроницаемость. Тонина волокна не более 0,19 текс была выбрана исходя из того, что чем меньше тонина волокна, тем их больше на единицу объема продукции, значит, количество воздушных ячеек будет больше, и, следовательно, теплозащита такого материала будет выше. Тонина волокна менее 0,17 текс не обеспечит образование достаточных по объему воздушных ячеек, поэтому с другой стороны теплозащита такого материала будет хуже.
Заявляемый огнестойкий нетканый иглопробивной материал выполняют следующим способом: из чесальной машины многослойный холст подается в иглопробивную машину, где пробивается иглами сверху на глубину прокалывания по всей толщине материала с определенной частотой прокалывания. Далее готовый материал подается в участок резки и намотки, где обрезается до нужной ширины и длины и наматывается в рулон.
2
2
В ходе многочисленных экспериментов с образцами материалов со 100% по массе предварительно окисленными ПАН-волокнами с линейной плотностью от 0,17 до 0,19 текс, поверхностной плотностью от 60 до 300 г/м и толщиной от 2 мм до 8 мм (граничные значения входят в указанные интервалы), нами было неожиданно выявлено, что при определенной плотности иглопрокалывания и при определенном его нанесении на материал достигается наибольшее значение показателя суммарного теплового сопротивления материала. Такой «золотой серединой» оказалась плотность иглопрокалывания 200-250 точек скрепления на см (граничные значения входят в указанный интервал) с регулярным распределением в материале точек скрепления относительно друг друга, при этом иглопрокалывание материала выполнено, с одной стороны, сверху с глубиной прокалывания по всей толщине материала.
2
Эксперименты проводились на иглопробивной машине с иглами «60*75*222-8000 шт», при этом скорость подачи материала была неизменной, а менялось количество ударов, наносимых иглами в минуту. В ходе экспериментов был выявлен оптимальный режим иглопробивания заявляемого материала, равный приблизительно 250 ударам в минуту, что при заданной скорости в пересчете на материал при определенной расстановке игл без повторных ударов по одним и тем же лункам составило 200-250 точек скрепления на см с регулярным (т.е. равномерным) распределением в материале точек скрепления относительно друг друга (см. пример такой схемы на фиг. 1, соответствующей такому распределению, при этом предпочтительно с одним шагом в двух перпендикулярных направлениях, на фиг. 1). Такое распределение было выбрано из соображений равномерного иглопрокалывания для обеспечения равномерного распределения тепловых свойств материала по его площади поверхности. Такое распределение означает то, что точки скрепления встречаются примерно через равные промежутки, т.е. находятся друг от друга примерно на одном и том же расстоянии. При этом в качестве неограничивающего примера расстояние между проколами в случае такого распределения может составлять 0,3-1 мм. Предпочтительно, регулярное распределение может быть выполнено с одним равным шагом точек скрепления в каждом из двух взаимно перпендикулярных направлений.
2
2
2
Наиболее значимые результаты экспериментов представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что максимальное тепловое сопротивление, равное 0,36 м°С/Вт, достигается при обеспечении плотности одностороннего (сверху) иглопрокалывания 225 ударов (точек скрепления) на см с линейной плотностью волокон (тониной волокон) 0,17 текс, с поверхностной плотностью 200 г/м и толщиной 6 мм, при этом расстояние между проколами в двух взаимно перпендикулярных направлениях составило 0,67 мм.
2
В случае выпуска материала с увеличенной плотностью иглопрокалывания более 250 точек скрепления на см суммарное тепловое сопротивление (теплозащита) будет ниже, что отрицательно скажется на качестве и эргономичности материала.
2
В случае выпуска материала с уменьшенной плотностью иглопрокалывания менее 200 точек скрепления на см, снизится прочность материала, расстояние между точками скрепления будет больше, точек скрепления будет меньше, следовательно, в результате эксплуатации материала незакрепленные волокна будут мигрировать и не сохранять тепло, что так же отрицательно скажется на качестве материала.
При проведении двухстороннего иглопрокалывания (что также можно видеть из результатов таблицы 1) значительно теряется толщина материала, появляется неравномерность распределения точек из-за неконтролируемого возможного дублирования ударов иглопрокола по одной точке, и, следовательно, не обеспечивается необходимая теплозащита изделия.
Следует учитывать, что данные таблицы 1 использованы только в качестве примера для подтверждения технического результата, и что были исследованы все значения параметров материала из указанных диапазонов, заявленных в формуле полезной модели, и подтверждены с достижением технического результата, указанного в описании.
Таким образом, предложенный нетканый огнестойкий иглопробивной материал обеспечивает повышение его суммарного теплового сопротивления, при сохранении его огнестойкости (т.е. с сохранением показателя индекса ограниченного распространения пламени - 3 по ГОСТ ISO 14116).
сум
2
Теплозащитные (теплоизоляционные) свойства материала определялись на приборе МТ-380 с помощью методики определения суммарного теплового сопротивления в соответствии с ГОСТ 20489-75, которая заключается в измерении времени остывания пластины прибора в заданном интервале перепадов температур между поверхностью пластины, изолированным материалом и окружающим воздухом. Установленный размер для испытуемых образцов 360×500 мм. Испытания одного образца проводят на двух пробах, которые выдерживаются в атмосферных условиях при температуре 20(±2)°С и относительной влажности воздуха 60(±2)%. Испытания начинают с определения толщины нетканого материала толщиномером при давлении 0,2 КПа в 10 точках, далее вычисляют среднее арифметическое значение результатов измерений. Образец заправляют лицевой стороной к воздушному потоку натяжением, достаточным для фиксации образца. Вводят фактические значения поверхностной плотности и толщины испытуемого образца. Прибор автоматически выдает показатель. Значение показателя суммарного теплового сопротивления R измеряется в м°С/Вт.