Композитный сорбционно-защитный материал на эластичной матрице для средств индивидуальной защиты органов дыхания

Полезная модель относится к защитным материалам сорбционно-фильтрующего типа, используемым в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) человека для очистки вдыхаемого воздуха от паров и газов вредных веществ, а также аэрозолей различной природы и фазовых состояний.
Для защиты органов дыхания человека от твердых и жидких аэрозолей, а также для снижения воздействия паров и газов вредных веществ, в настоящее время широко используют более комфортные в отличие от противогазоаэрозольных СИЗОД с изолирующей лицевой частью противоаэрозольные фильтрующие полумаски с дополнительной защитой от паров и газов [ГОСТ Р 59959-2021 «Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Полумаски фильтрующие для защиты от аэрозолей с дополнительной защитой от паров и газов. Общие технические требования Методы испытаний. Маркировка»], такие полумаски, предназначены для защиты от паров и газов вредных веществ, содержание которых в воздухе рабочей зоны не превышает трех значений предельно допустимой концентрации (3 ПДК).
Анализ существующего уровня техники в указанной области показал, что защитные материалы сорбционно-фильтрующего типа для этих СИЗОД в основном представлены многослойными неткаными волокнистыми материалами, имеющими в своем составе угольные адсорбенты.
Наиболее близкими по техническим решениям к предлагаемой полезной модели являются различные (многослойные, композиционные) сорбционно-фильтрующие защитные материалы [патенты RU 2281798 С2, RU 2379089 C1, RU 2339429 C1 и др.], которые отличаются составом фильтрующих и фильтрующе-сорбционных слоев нетканых материалов образованных ультратонкими волокнами, из расплавов или растворов различных полимеров с введенными в их объем или закрепленный на их поверхности твердых сорбирующих наполнителей.
Основными недостатками этих материалов являются: высокий коэффициент проницаемости тонкодисперсных аэрозолей с размерами частиц 0,3 мкм и ниже (стандартный масляный туман), при этом коэффициент проницаемости его достигает величин от 0,1 до 20%, что делает невозможным использование данного материала в средствах защиты органов дыхания, обеспечивающих уровень противоаэрозольной защиты FFP2, FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015 [патенты RU 2281798 С2, RU 2379089 С1];
недостаточная, согласно ГОСТ Р 59959-2021, эффективность защиты от паров и газов вредных веществ;
с введением в объем волокон активного мелкодисперсного наполнителя от 40 до 100 мкм свыше 45 мас.% снижаются механические характеристики материала, а при уменьшении массовой доли угля происходит снижение его адсорбционных свойств [патенты RU 2281798 С2, RU 2379089 C1, RU 2339429 С1].
Наиболее близким по достигаемому техническому результату и имеющим назначение, совпадающее с назначением заявляемой полезной модели (прототипом), является «Многослойный фильтровально-сорбционный нетканый материал» [патент RU 2607585 С1], состоящий из фильтрующей части, сорбционной части и наружного армирующего слоя из тканого или нетканого материала, размещенного с одной или двух сторон. Фильтрующая часть материала содержит от 1 до 3 слоев нетканого волокнистого материала, полученного аэродинамическим формованием из расплава полимера и содержащего смесь волокон диаметром от 0,5 до 2,0 мкм и от 2,0 до 4,0 мкм. Сорбционная часть представляет собой от 2 до 5 слоев нетканого волокнистого материала, полученного аэродинамическим формованием из смеси растворов полиуретана и полиакрилонитрила, наполненного частицами активного твердого наполнителя с размером от 10 до 80 мкм.
3
2
В зависимости от вида изделия (респираторы, маски, защитная фильтрующая одежда) используемые фильтрующие слои отличаются различной проницаемостью, которая в допустимых пределах регулируется за счет изменения толщины каждого слоя вследствие регулирования степени склеивания между волокнами в процессе формования, а также путем варьирования количеством слоев от 1 до 3. Тем самым изменяется длина и площадь боковой поверхности поровых каналов для сорбции стандартного масляного тумана в фильтрующей части многослойного фильтровально-сорбционного нетканого материала. Причем отношение суммарной толщины слоев фильтрующей части к среднему диаметру волокон в фильтрующих слоях находится в пределах от 40 до 700. При отношении меньше 40 фильтрующие слои обладают повышенным диаметром пор свыше 50 мкм, высокой склеенностью между волокнами, что приводит к уменьшению драпируемости меньше допустимой и увеличивает показатель проницаемости стандартного масляного тумана выше допустимого верхнего предела в 20% [ГОСТ 12.4.294-2015], не позволяющего использовать фильтровальную часть многослойных нетканых материалов для таких целей. При отношении более 700 снижается воздухопроницаемость меньше допустимого нижнего предела в 100 дм/(м⋅с), характерного для СИЗОД, и уменьшается драпируемость фильтровальных слоев, имеющих суммарную повышенную толщину.
В процессе аэродинамического формования и вытягивания крупнодисперсный наполнитель с диапазоном от 40 до 80 мкм при формовании сорбционно-упрочненных слоев выдавливается из середины волокон и остается закрепленным на их поверхности. Мелкодисперсный наполнитель с диапазоном от 10 до 40 мкм остается внутри волокна сорбционно-активного слоя.
Изобретение иллюстрируется несколькими примерами с различным числом расположенных в разной последовательности сорбционно-упрочненных и сорбционно-активных слоев количеством от 2 до 5, составляющих сорбирующую часть таких материалов.
Многослойный фильтровально-сорбционный материал, предлагаемый для изготовления СИЗОД, показан в примере 3 данного патента, и состоит из трех фильтрующих, двух сорбционных слоев и армирующего слоя, расположенного с двух наружных сторон относительно фильтрующих и сорбирующих слоев.
Фильтрующая часть представляет собой три фильтрующих слоя из полипропиленовых нетканых холстов, полученных аэродинамическим расплавным формованием. Каждый слой включает ультратонкие волокна диаметром от 0,5 до 2,0 мкм и от 2,0 до 4,0 мкм с отношением числовой доли первых ко вторым 1,2. Общая толщина трех фильтрующих слоев составляет 0,58 мм.
Сорбционная часть включает два слоя, первый из которых является сорбционно-упрочненным и представляет собой наполненный нетканый материал, содержащий крупнодисперсный наполнитель (от 40 до 80 мкм), полученный растворным аэродинамическим формованием из смеси дисперсных растворов полиакрилонитрила и полиуретана с преобладающим содержанием полиуретана. Второй слой представляет собой сорбционно-активный слой с мелкодисперсным наполнителем (от 10 до 40 мкм), полученный растворным аэродинамическим формованием из смеси дисперсных растворов полимеров полиакрилонитрила и полиуретана с преобладающим содержанием полиакрилонитрила.
Сорбционно-упрочненный и сорбционно-активный слои нетканого материала наполнены активированным углем СКТ-7. Общее содержание угля в сорбционной части достигает 60%. Суммарная толщина сорбирующих слоев составляет 2,6 мм.
Динамическая сорбционная активность по циклогексану составляет от 180 до 185 мг/г. Коэффициент проникновения масляного тумана составляет от 6,7 до 8,3%, обеспечивая противоаэрозольную защиту по I классу, соответствуя FFP1 по ГОСТР 12.4.294-2015.
3
2
Готовый многослойный фильтровально-сорбционный материал обладает воздухопроницаемостью от 150 до 160 дм/мс.
Однако, не смотря на все достоинства многослойного фильтровально-сорбционного материала, он обладает следующими недостатками:
1. Соответствие степени противоаэрозольной защиты (FFP1 по ГОСТ 12.4.294-2015), заявленной в примере материала, достигается только при наличии в его фильтрующей части не менее трех фильтрующих слоев.
2. Не смотря на высокие значения динамической сорбционной активности многослойных фильтровально-сорбционных материалов по тест-веществам (циклогексан, аммиак, диоксид серы), в указанном патенте отсутствуют данные о динамической сорбционной активности используемых сорбентов до их введения в состав материала. Очевидно, что имеет место снижение динамической активности мелкодисперсного сорбента (от 10 до 40 мкм), введенного в объем волокна сорбционно-активного слоя, а также закрепленного на поверхности волокна сорбционно-упрочненного слоя и имеющего адгезионный контакт с ним. Волокна, изготовленные на основе химически стойких полимеров (полиуретан, полиакрилонитрил), не способны абсорбировать большую часть токсичных химикатов. В патенте указано, что подвод молекул токсичного вещества к пористой поверхности сорбента, находящегося в объеме волокна, происходит по макропорам этого волокна, однако сорбция в данном случае происходит при относительно малой толщине слоя адсорбента и достаточно высокой скорости движения паро (газо)- воздушной смеси, что обуславливает минимальное время контакта паров химиката с ним. Очевидно, что закрытая поверхность сорбента снижает его динамическую сорбционную активность.
3. При приложении механической нагрузки имеет место осыпание крупнодисперсного угольного наполнителя (от 40 до 80 мкм) с поверхности сорбционно-упрочненного слоя, где он закреплен на поверхности волокон, и локальное его перераспределение между слоями, что в конечном итоге снижает защитные характеристики материала.
Целью настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков и увеличение защитных характеристик сорбционно-фильтрующего материала (в том числе уровня противоаэрозольной и противогазовой защиты в отношении широкого спектра токсичных химикатов), с сохранением необходимых механических характеристик.
При использовании полезной модели достигается следующий технический результат: повышение защитных свойств композитного сорбционно-защитного материала.
Сущность полезной модели заключается в том, что конструктивно композитный сорбционно-защитный материал состоит из внешнего фильтрующего (противоаэрозольного), сорбционно-фильтрующего и внутреннего каркасного слоев, скрепленных в единый композит. При этом внешний фильтрующий (противоаэрозольный) слой выполнен из нетканого материала на основе ультратонких (диаметр волокна 0,8-1,5 мкм) полимерных волокон с высокой степенью фильтрации различных агрегатных состояний аэрозоля, и прочно закреплен на внешней стороне промежуточного слоя, сорбционно-фильтрующий промежуточный слой выполнен в виде полимерной эластичной сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника, заполненными сорбентом с открытой поверхностью в количестве до 80% масс. от общей массы промежуточного слоя, каркасный внутренний слой выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону сорбционно-фильтрующего слоя.
Патентуемое техническое решение поясняется чертежами, представленными на Фиг. 1-5.
На Фиг. 1 изображена схема конструкции композитного сорбционно-защитного материала.
На Фиг. 2 изображена полимерная эластичная матрица в виде сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника.
На Фиг. 3 изображены ячейки полимерной эластичной сотовой структуры в форме правильного шестигранника, заполненные зернами сорбента.
На Фиг. 4 изображены различные формы ячеек сотовых структур.
На Фиг. 5 изображены основные геометрические размеры ячейки структуры в форме правильного шестигранника.
Патентуемое техническое решение по сравнению с известными техническими решениями аналогов и прототипа представляет собой конструкцию, которой присущи следующие существенные отличительные признаки:
1. конструктивно материал состоит из внешнего фильтрующего (противоаэрозольного), промежуточного сорбционно-фильтрующего и внутреннего каркасного слоев, скрепленных в единый композит;
2. сорбционно-фильтрующий (промежуточный) слой ((2) на Фиг. 1) выполнен в виде полимерной эластичной сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника (Фиг. 2), заполненными сорбентом с открытой поверхностью в количестве до 80% масс.от общей массы промежуточного слоя (Фиг. 3);
3. фильтрующий противоаэрозольный (внешний) слой ((1) на Фиг. 1) нетканого материала на основе ультратонких (диаметр волокна 0,8-1,5 мкм) полимерных волокон прочно закреплен на внешней стороне полимерной матрицы промежуточного слоя, дополнительно выполняя функцию ее каркасного слоя с целью надежного удержания сорбента в ее ячейках;
4. каркасный (внутренний) слой ((3) на Фиг. 1) выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы промежуточного слоя.
Повышение защитных и достижение необходимых механических свойств заявленной полезной модели обеспечивается отличительными признаками материала и достигается за счет того, что зернистый сорбент, размещенный в ячейках в виде правильного шестигранника полимерной матрицы сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя, имеет открытую внешнюю поверхность, обеспечивая тем самым его максимально возможную адсорбционную активность.
a
b
l
Форма ячеек в виде правильного шестигранника имеет в сравнении с другими известными формами ячеек (прямоугольная ((1) на Фиг 4), флексорная ((2) на Фиг 4), шестигранная смещенная ((3) на Фиг 4), гибкая (флексорная) ((4) на Фиг 4) и т.п.) наибольшую площадь, используемую для заполнения сорбентом. Выбор оптимальных геометрических размеров ячейки (размер грани (), толщина стенок () на Фиг. 5) позволяет минимизировать количество материала полимерной матрицы, повышая массовую долю активного сорбента в сорбционно-фильтрующем слое, которая, в свою очередь, может достигать 80 мас.% от общей массы промежуточного слоя в зависимости от марки и типа сорбента (в частности, для синтетического углеродного сорбента марки ФАД - 72 мас.%). Длина сорбирующего слоя ( на Фиг. 5) определяется глубиной ячейки и влияет непосредственно на объем размещаемого в ней сорбента, поэтому подбирается в зависимости от назначения, необходимой степени защиты готового материала, и может составлять от 1,0 до 5,0 мм для СИЗОД фильтрующего типа (ФТ).
Зерна (гранулы) сорбента, размещенные в ячейках полимерной матрицы на основе термопластичного полиуретана (ТГГУ) надежно удерживаются стенками ячеек (граничащие со стенкой ТПУ зерна вдавлены в нее), так как ТПУ обладает высокой эластичностью и низкой уязвимостью к пластической деформации (модуль упругости на изгиб - 68 МПа, модуль упругости на сжатие - 44 МПа, максимальная нагрузка на растяжение - 662 Н, коэффициент удлинения - 617%), то есть хорошо сохраняет форму при продолжительной и многократной деформации, поэтому проникновение токсичного вещества вдоль стенок ячейки минимизировано, причем данное свойство сохраняется при механических деформациях материала, в том числе при изгибе.
Полимерная матрица данной сотовой структуры, обеспечивая необходимую механическую устойчивость всех слоев материала за счет перераспределения механической нагрузки между слоями, позволяет сохранять заданное расстояния между внутренней и внешней поверхностью по всей площади композитного материала, исключая локальное уменьшение длины фильтрующего слоя или его уплотнение, тем самым предотвращает возрастание сопротивления воздушному потоку или проскок токсичного химиката в этих локальных областях.
Прочно закрепленный на внешней стороне полимерной матрицы с помощью эластичного адгезива нетканый материала на основе ультратонких (диаметр волокна 0,8-1,5 мкм) полимерных волокон характеризуется низким сопротивлением воздушному потоку (при 1 см/с - 1,5 мм вод.ст.) и коэффициентом проникания стандартного масляного тумана со средним радиусом частиц от 0,15 до 0,17 мкм при скорости воздушного потока 1,5 см/с не более 0,01%, что позволяет повысить уровень противоаэрозольной защиты композитного материала до степени FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015, одновременно выполняя функцию ее каркасного слоя с целью надежного удержания сорбента в ячейках.
Прочно закрепленная способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы синтетическая гигиеническая ткань с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием имеет размер межниточного пространства не более 50 мкм, что позволяет надежно удерживать зерна сорбента в ячейках матрицы и предотвращать их высыпание. При этом она обладает необходимой воздухопроницаемостью (при 1 см/с - не более 1,0 мм вод.ст.).
Полезная модель иллюстрируется двумя примерами, защитные свойства которых по парам и аэрозолям определялись по утвержденными методиками, соответствующим ГОСТ 12.4.159-90, механические характеристики - по ГОСТ 56785-2015.
Пример 1.
Композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал состоит из фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя, сорбционно-фильтрующего слоя (промежуточного) и каркасного слоя (внутреннего), скрепленных в единый композитный материал.
В качестве фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя использован материал марки ФПП 15 - 1,5 на основе ультратонких (диаметр волокна 1,5 мкм) волокон из перхлорвиниловой смолы, полученных методом электропрядения. Нетканое полотно прочно закреплено на внешней стороне полимерной матрицы (на гранях стенок ячеек) с помощью эластичного адгезива на основе полиуретана.
a
b
l
Полимерная матрица сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя изготовлена из термопластичного полиуретана в виде сотовой структуры с ячейками, имеющими форму правильного шестигранника, с длиной стенки ячейки 4,0 мм, толщиной стенки 1,0 мм и длиной сорбирующего слоя 2,5 мм (= 4,0 мм, = 1,0 мм, = 2,5 мм на Фиг. 5).
В качестве сорбента (наполнителя ячеек сотовой структуры) использован гидрофобный синтетический углеродный сорбент марки ФАД (дробленый) со средним размером гранул от 0,4 до 0,5 мм, получаемый ступенчатой карбонизацией и последующей парогазовой активацией фурфурольного сополимера ГФС-98 в электрических вращающихся печах. Содержание сорбента марки ФАД, размещенного в ячейках матрицы, составляет 72% от массы сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя.
2
Каркасный (внутренний) слой выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием на основе полиэстера с поверхностной плотностью 50 г/м, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы (на грани стенок ячеек).
В результате исследований по указанным методикам выявлены следующие основные свойства полученного композитного сорбционно-фильтрующего защитного материала:
общая толщина - 2,6 мм;
2
сопротивление материала, имеющего площадь 100 см, постоянному воздушному потоку при объемном расходе воздуха 30 л/мин - 5,0 мм вод.ст.;
коэффициент проникания стандартного масляного тумана со средним радиусом частиц от 0,15 до 0,17 мкм при скорости воздушного потока 1,5 см/с - не более 0,01%, что соответствует степени защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015;
3
3
время защитного действия по тест-веществу (пары аммиака) с начальной массовой концентрацией 30 мг/м, с проскоковой концентрацией 20 мг/м, при объемном расходе паровоздушной смеси 30 л/мин - не менее 15,0 минут, что соответствует классу 1 эффективности защиты от вредных веществ по ГОСТ Р 59959-2021;
условная прочность при растяжении - не менее 2,3 МПа;
разрывная нагрузка образца материала шириной 25 мм - 140 Н;
относительное удлинение при разрыве образца материала шириной 25 мм - 104%.
Данный композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал рекомендуется использовать в полумасках фильтрующих для защиты от высокодисперсных аэрозолей со степенью защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015 с дополнительной защитой от паров и газов вредных веществ с эффективностью защиты, соответствующей классу 1 по ГОСТ Р 59959-2021, а также в других СИЗОД ФТ.
Пример 2.
Композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал состоит из фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя, сорбционно-фильтрующего слоя (промежуточного) и каркасного слоя (внутреннего), скрепленных в единый композитный материал.
В качестве фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя использован материал марки ФПП 15 - 1,5 на основе ультратонких (диаметр волокна 1,5 мкм) волокон из перхлорвиниловой смолы, полученных методом электропрядения. Нетканое полотно прочно закреплено на внешней стороне полимерной матрицы (на гранях стенок ячеек) с помощью эластичного адгезива на основе полиуретана.
a
b
l
Полимерная матрица сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя изготовлена из термопластичного полиуретана в виде сотовой структуры с ячейками, имеющими форму правильного шестигранника, с длиной стенки ячейки 4,0 мм, толщиной стенки 1,0 мм и длиной сорбирующего слоя 4,5 мм ( = 4,0 мм,  = 1,0 мм, = 4,5 мм на Фиг. 5).
В качестве сорбента (наполнителя ячеек сотовой структуры) использован гидрофобный синтетический углеродный сорбент марки ФАД (дробленый) со средним размером гранул от 0,4 до 0,5 мм, получаемый ступенчатой карбонизацией и последующей парогазовой активацией фурфурольного сополимера ГФС-98 в электрических вращающихся печах. Содержание сорбента марки ФАД, размещенного в ячейках матрицы, составляет 72% от массы сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя.
2
Каркасный (внутренний) слой выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием на основе полиэстера с поверхностной плотностью 50 г/м, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы (на грани стенок ячеек).
В результате исследований по указанным методикам выявлены следующие основные свойства полученного композитного сорбционно-фильтрующего защитного материала:
общая толщина - 4,6 мм;
2
сопротивление материала, имеющего площадь 100 см, постоянному воздушному потоку при объемном расходе воздуха 30 л/мин - 8,0 мм вод.ст.;
коэффициент проникания стандартного масляного тумана со средним радиусом частиц от 0,15 до 0,17 мкм при скорости воздушного потока 1,5 см/с - не более 0,01%, что соответствует степени защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015;
3
3
время защитного действия по тест-веществу (пары аммиака) с начальной массовой концентрацией 100 мг/м, с проскоковой концентрацией 20 мг/м, при объемном расходе паровоздушной смеси 30 л/мин - не менее 15,0 минут, что соответствует классу 2 эффективности защиты от вредных веществ по ГОСТ Р 59959-2021;
условная прочность при растяжении - не менее 2,3 МПа;
разрывная нагрузка образца материала шириной 25 мм - 260 Н;
относительное удлинение при разрыве образца материала шириной 25 мм - 106%.
Данный композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал рекомендуется использовать в полумасках фильтрующих для защиты от высокодисперсных аэрозолей со степенью защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015 с дополнительной защитой от паров и газов вредных веществ с эффективностью защиты, соответствующей классу 2 по ГОСТ Р 59959-2021, а также в других СИЗОД ФТ.
Проведенные патентные исследования не выявили технических решений, ставших общедоступными до даты приоритета заявленной полезной модели и характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Заявляемое полезная модель является простой в разработке, для изготовления используются доступные материалы и стандартное технологическое оборудование. Модель апробирована в опытно-промышленных условиях, что соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».