ТЕРМОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
REFRACTORY MATERIALS

Область техники, к которой относится изобретение
Пожарным, работникам промышленных предприятий, работникам правоохранительных органов и т.п. необходима одежда, обеспечивающая защиту от множества угроз. Этим работникам необходима защита от суровых погодных условий, опасных жидкостей, тепла и пламени. В частности, для защиты от пламени требуются материалы, которые являются самозатухающими и предотвращают ожог, вызванный переносом тепла сквозь одежду. Кроме того, одежда с защитой от жидкости и пламени, для расширения функциональных возможностей, должна обладать уровнем воздухопроницаемости, достаточным для уменьшения тепловой нагрузки, чтобы выполнять свое основное назначение или предотвращать тепловой удар.
Уровень техники
Разработано множество материалов, защищающих от пламени, которые по своему характеру являются самозатухающими. Самые известные из них: мета-арамиды, модакрилы, полибензимидазол, полибензоксазол, пара-арамиды, полидиимидазопиридинилен дигидроксифенилен, меламин, огнестойкий полиэфир, огнестойкая вискоза и огнестойкий хлопок - лишь некоторые из них. Однако для обеспечения подходящей изоляции (для уменьшения ожога, вызванного переносом тепла) наиболее часто добавляются термостойкие изоляционные слои. Например, при структурном пожаротушении экипировочная одежда обычно состоит из термостойкого самозатухающего внешнего слоя, барьера влаги (для обеспечения защиты от жидкости) и термоподкладки (для обеспечения защиты от тепла и пламени). Хорошо известна изоляция, которая защищает пользователя от экстремальной температуры посредством увеличения толщины изоляции. Однако увеличенная толщина изоляции ведет к вредному воздействию на пользователя тепловой нагрузки при высокой интенсивности работы или в условиях высокой температуры.
Раскрытие изобретения
3
6
2
Настоящая заявка относится к смеси из полимерной смолы и расширяемого графита, содержащей от около 2 до около 30 мас.% расширяемого графита и от около 30 до около 98 мас.% полимерной смолы с модулем от 10 до 10 дин/см при 200°С и тангенсом дельта от 0.1 до 10 при 200°С, причем смесь полимерной смолы и расширяемого графита имеет минимальное увеличение объема, по меньшей мере, 200% после воздействия температуры 300°С в течение 90 секунд.
Кроме того, описаны способы для увеличения термозащитных характеристик (ТРР) текстильных и слоистых материалов при оптимальном поддержании комфорта, гибкости и защиты от жидкости. В частности, один вариант воплощения, описанный в изобретении, имеет преимущество в случае размещения композиции между пламенем и влагозащитным барьером.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичное изображение одного описанного варианта воплощения в разрезе.
Фиг.2 - схематичное изображение одного описанного варианта воплощения в разрезе.
Фиг.3 - схематичное изображение одного варианта воплощения.
Фиг.4 - схематичное изображение еще одного описанного варианта воплощения в разрезе.
Фиг.5 - схематичное изображение еще одного описанного варианта воплощения в разрезе.
Фиг.6 - схематичное изображение еще одного описанного варианта воплощения в разрезе.
Фиг.7 - схематичное изображение еще одного описанного варианта воплощения в разрезе.
Фиг.8 - схематичное изображение еще одного описанного варианта воплощения в разрезе.
Фиг.9а - схематичное изображение полимерной смолы - расширяемого графита, нанесенных в виде дискретных точек.
Фиг.9б - схематичное изображение одного варианта воплощения образца, нанесенного в виде сетки.
Фиг.10 - схематичное изображение комплекта.
Осуществление изобретения
2
Термозащитные характеристики относятся к времени до регистрации ожогов второй степени, и считают, что материалы, обладающие более высокими ТРР, обеспечивают лучшую защиту от ожогов. В одном варианте воплощения описан способ улучшения ТРР термостойкого текстильного материала, образуя тем самым термозащитный материал. В другом варианте воплощения описана смесь полимерная смола - расширяемый графит, которая улучшает термо- и/или огнезащитные свойства подложек, на которые она нанесена. В одном способе термозащитный материал получают образованием на одной стороне огнестойкого, термостойкого текстильного материала активной изоляции. На фиг.1 представлен примерный вариант воплощения термозащитного материала (1), содержащего термостойкий текстильный материал (10), состоящий из огнестойкого текстильного материала и активной изоляции (20), состоящей из смеси полимерная смола - расширяемый графит, которая нанесена на одну сторону термостойкого текстильного материала прерывистым образом в виде дискретных точек. В одном варианте воплощения термозащитный материал (1), содержащий огнестойкий термостойкий текстильный материал (10) и активную изоляцию (20), образованную на ней, имеет ТРР, по меньшей мере, на 2 кал/см больше, чем ТРР огнестойкого термостойкого текстильного материала (10) без активной изоляции, при тестировании описанным здесь методом. В описанном здесь методе тестирования материалы ориентированы в тестовом приспособлении таким образом, что активная изоляция расположена на противоположной стороне термостойкого текстильного материала (10) от той, которая является ближайшей к источнику тепла. Дополнительный слой материала (12) в виде водонепроницаемой воздухопроницаемой пленки, такой как воздухопроницаемый полиуретан, может быть размещен на стороне, прилегающей к активной изоляции, так что активная изоляция находится между дополнительным слоем и слоем термостойкого текстильного материала.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В другом варианте воплощения предусмотрен способ увеличения ТРР термостойкой подложки, такой как термостойкий текстильный материал, содержащий создание активной изоляции посредством нанесения на термостойкую подложку 140 г/см смеси полимерная смола - расширяемый графит, и увеличение, по меньшей мере, на около 0.5 кал/см нанесением около 35 г/см смеси полимерная смола - расширяемый графит на термостойкий текстильный материал. Предпочтительно, ТРР увеличиваются по меньшей мере на около 1.0 кал/см при нанесении на подложку от около 35 г/см указанной смеси. В некоторых вариантах воплощения, описанных здесь, может быть образован термозащитный материал, в котором ТРР текстильного материала в результате обеспечения активной изоляции увеличиваются, по меньшей мере, на 1 кал/см, или, по меньшей мере, на 2 кал/см, или, по меньшей мере, на 3 кал/см, или, по меньшей мере, на 4 кал/см, или, по меньшей мере, на 5 кал/см, или более, по сравнению с тем же самым материалом, без активной изоляции. Преимущественно, ТРР термостойких текстильных материалов и композиций термостойких текстильных материалов увеличиваются за счет раскрытых здесь способов без значительного увеличения веса, изоляции при температуре окружающей среды или уменьшения воздухопроницаемости. В некоторых вариантах воплощения смесь полимерная смола - расширяемый графит наносится на термостойкий текстильный материал в количестве менее чем около 100 г/м, иди даже менее чем около 75 г/м, или даже менее чем около 50 г/м, или даже менее чем около 25 г/м.
В альтернативном варианте воплощения, со ссылкой на фиг.2, предусмотрен способ увеличения ТРР огнестойкого, термостойкого текстильного материала (10), содержащий образование активной изоляции (20') посредством нанесения непрерывного покрытия из смеси полимерная смола - расширяемый графит на поверхность термостойкого текстильного материала (10), содержащего огнестойкий текстильный материал. В случае когда смесь полимерная смола - расширяемый графит нанесена непрерывно, предпочтительно, чтобы полимерная смола была воздухопроницаемой, например, в случаях, когда желателен комфорт для того, на кого одежда надета.
2
2
Предусмотрен еще один способ увеличения ТРР термозащитного слоистого материала, по меньшей мере, на 3 кал/см. Посредством примера со ссылкой на фиг.3 и 5 показан огнестойкий слоистый материал из термостойкого текстильного материала (10), содержащего огнестойкую ткань и конвективный барьер (30') с активной изоляцией (20) между термостойким текстильным материалом (10) и конвективным барьером (30'), образующий термозащитный слоистый материал. Конвективный барьер содержит, по меньшей мере, один барьерный слой (30 на фиг.5), или, при необходимости, для образования конвективного барьера (30' на фиг 3) могут быть использованы многочисленные барьерные слои (33, 33'). Конвективный барьер может содержать дополнительный слой, такой как монолитный полимерный слой (35), который может усиливать требуемые свойства конвективного барьера. В одном способе активная изоляция (20) образована нанесением смеси полимерная смола - расширяемый графит на одну поверхность конвективного барьера (30 или 30') или, в альтернативном варианте воплощения, на одной стороне термостойкого текстильного материала (10) перед изготовлением слоистого материала обеспечивается активная изоляция (20). На следующем этапе способа, как показано на фиг.3 и 5, термостойкий текстильный материал (10) и конвективный барьер (30) соединяются вместе активной изоляцией (20), связывающей два слоя вместе. Посредством расположения активной изоляции (20) между термостойким текстильным материалом (10) и конвективным барьером (30) образуется термозащитный слоистый материал с увеличенным ТРР, по меньшей мере, на 3 кал/см по сравнению со слоистым материалом в основном такой же структуры, но без активной изоляции. В дополнительном варианте воплощения, как показано на примере фиг.4 и 5, к слоистой структуре может быть присоединена текстильная подкладка (50) при помощи креплений, таких как адгезивные точки (40).
В альтернативном варианте воплощения, как схематично изображено с помощью поперечного сечения материала на фиг.8, способ содержит связывание термостойкого текстильного материала (10) с одной стороной конвективного барьера (30) адгезивными точками (40) и нанесение активной изоляции (20) на противоположную термостойкому текстильному материалу сторону конвективного барьера (30). При необходимости, с конвективным барьером (30) может быть связана текстильная подкладка (50) с активной изоляцией между ними; либо текстильная подкладка (50) может быть связана с конвективным барьером (30) посредством активной изоляции (20). ТРР слоистого материала, содержащего активную изоляцию, больше, чем ТРР слоистого материала из, в основном, таких же материалов, но без активной изоляции.
В дополнительном варианте воплощения, показанном в виде поперечного сечения термозащитного материала, представленном на фиг.6 и 7, предусмотрен способ улучшения ТРР слоистого материала, содержащий обеспечение огнестойкого слоистого материала, содержащего термостойкий текстильный материал (10) и конвективный барьер (30), и образование композиции активная изоляция - конвективный барьер (60 или 70). В одном варианте воплощения способ образования композиции активная изоляция - конвективный барьер (60 или 70) содержит нанесение активной изоляции (20 или 21), которая содержит смесь полимерная смола - расширяющийся графит, на первый конвективный барьер (30) и присоединение второго конвективного барьера (30') путем связывания его с первым конвективным барьером, например, связыванием с активной изоляцией. В данной конструкции преимущественно более высокие ТРР достигают образованием композиции активная изоляция - конвективный барьер, при сохранении низких значений термоизоляционной характеристики (КЛО) для материалов с низкой тепловой изоляцией, как показано в таблице 1. При необходимости, для получения таких свойств, как стойкость к истиранию, или дополнительного увеличения ТРР может быть добавлен дополнительный слой, такой как текстильная подкладка (50). Например, в некоторых вариантах воплощения может быть добавлена термостойкая текстильная подкладка. Примеры подходящих термостойких текстильных подкладок включают в себя арамиды, огнестойкий хлопок, полибензимидазол, полибензоксазол, огнестойкую вискозу, модакриловые смеси, полиамины, углерод, стекловолокно, ПАН, политетрафторэтилен (тефлон), а также их смеси и сочетания. Термостойкий текстильный материал (10) и текстильная подкладка (50) могут быть соединены с композицией активная изоляция - конвективный барьер (60 или 70) посредством, например, адгезивного крепления (40).
В некоторых вариантах воплощения, представленных на фиг.2 и 7, может быть нанесена активная изоляция, содержащая смесь полимерная смола - расширяемый графит, в качестве непрерывного слоя, покрывающего практически 100% поверхности, на которую она наносится. Однако, как изображено, например, на фиг.3 и 4, в случаях когда желательна увеличенная воздухопроницаемость, активная изоляция (20) может быть нанесена прерывистым образом, при котором достигается покрытие менее чем 100% поверхности. В случае когда активная изоляция, содержащая смесь полимерная смола - расширяемый графит, нанесена прерывисто, смесь может быть нанесена для достижения покрытия поверхности менее чем 50%, или менее чем 40%, или менее чем 35%, или менее чем 30%. В некоторых вариантах воплощения материал активной изоляции может быть нанесен в виде дискретных точек, имеющих зазор около 2000 мкм или более, или зазор от около 2000 мкм до 5000 мкм, или зазор от около 2000 мкм до 10000 мкм. На фиг.9 представлены два прерывистых шаблона, которые пригодны для настоящего изобретения, точки активной изоляции (90) (на фиг.9а) и сетчатый рисунок активной изоляции (91) (на фиг.9б), нанесенные, например, на текстильный материал (10), покрывают менее чем 50% площади его поверхности. Термин «точки» охватывает любую дискретную форму, в виде которой может быть нанесена смесь, например окружности, овалы, ромбы, прямоугольники и т.п. Активная изоляция образована нанесением смеси полимерная смола - расширяемый графит способом, который обеспечивает надежную связь смеси либо с внешним текстильным материалом, либо с конвективным барьером, либо с ними обоими. Способ нанесения выбирается таким образом, чтобы частицы расширяемого графита были расположены в основном на одной стороне термостойкого текстильного материала, а не однородно распределены по его поперечному сечению.
В одном варианте воплощения активная изоляция, содержащая смесь полимерная смола - расширяемый графит, образует расширенную структуру, которая остается привязанной к подложке после расширения. Активная изоляция предпочтительно увеличивается в толщине, по меньшей мере, на 200% или, по меньшей мере, на 250% после нагрева в конвекционной печи при температуре 300°С в течение 90 секунд и сохраняет структурную целостность после расширения. Под структурной целостностью понимается то, что активная изоляция после расширения остается в основном привязанной к подложке практически без отделения или отслаивания от подложки при изгибе или сгибании подложки. Предпочтительно, активная изоляция после расширения сохраняет целостность и выдерживает сжатие без значительного разрушения или отслаивания при тестировании толщины по описанным здесь методам.
В некоторых вариантах воплощения термостойкий текстильный материал дополнительно содержит активную изоляцию, содержащую смесь полимерная смола - расширяемый графит, которая расширяется с увеличением толщины, по меньшей мере, на около 150 мкм, или, по меньшей мере, на около 500 мкм, или, по меньшей мере, на около 750 мкм, или, по меньшей мере, на около 1000 мкм, или, по меньшей мере, на около 1500 мкм, после нагрева в конвекционной печи при температуре около 300°С в течение 90 секунд.
Хлопья или частицы расширяемого графита, пригодные для смеси полимерная смола - расширяемый графит, расширяются, по меньшей мере, на 2000 мкм, или более предпочтительно, расширяются, по меньшей мере, на 3000 мкм при нагреве до 340°С, при тестировании в соответствии с приведенным здесь Тестированием на расширение. Предпочтительные частицы графита будут иметь средний размер ячейки сита, на основании стандарта США для размеров ячейки сита, между 25 и 230, что соответствует приблизительно размеру ячейки сита 0.699 и 0.066 мм соответственно. Более предпочтительно, частицы графита будут иметь средний размер ячейки, 50 и 150, что соответствует приблизительно размеру ячейки сита 0.297 и 0.104 мм соответственно.
3
8
2
9
2
4
2
В некоторых вариантах воплощения для использования в смеси полимерная смола -расширяемый графит выбираются такие полимерные смолы, которые имеют температуру плавления или размягчения менее 340°С. В некоторых вариантах воплощения особенно пригодны полимерные смолы, которые обладают текучестью или способностью к деформации, достаточной для того, чтобы позволить расширяемому графиту значительно расширяться при воздействии температуры ниже 340°С. В некоторых вариантах воплощения также пригодны полимерные смолы, имеющие объемную вязкость, достаточно низкую для того, чтобы позволить расширяемому графиту расширяться, и достаточно высокую для того, чтобы сохранять структурную целостность расширенной структуры. Могут быть выбраны полимерные смолы, которые имеют динамический модуль упругости между около 10 и 10 дин/см и тангенс дельта между около 0.1 и около 10 при 200°С для образования текстильного материала и композиций текстильных материалов, имеющих требуемые свойства. Могут быть выбраны полимерные смолы, которые имеют динамический модуль упругости от менее около 10 дин/см при 200°С или менее чем около 10 дин/см при 200°С. Полимерные смолы, пригодные для использования в некоторых вариантах воплощения, включают в себя эластомерные полимеры. Другими полимерами, пригодными для применения в некоторых вариантах воплощения, являются сшиваемые полимеры, включая сшиваемый полиуретан, такой как Mor-melt R7001E (от Rohm & Haas.). В других вариантах воплощения пригодные полимерные смолы включают в себя термопластичные полимеры, имеющие температуру плавления между около 50°С и около 250°С, такие как Desmomelt VP КА 8702 (от Bayer Material Science). Кроме того, полимерные смолы, пригодные для применения в описанных здесь вариантах воплощения, содержат полимеры, которые включают в себя полиэфиры, термопластичные полиуретаны и сшиваемые полиуретаны и их комбинации, но не ограничиваются ими. Другая полимерная смола, которая может быть пригодна для применения в определенных вариантах воплощения, содержит один или более полимеров, выбранных из полиэфира, полиамида, акрилового полимера, винилового полимера, полиолефина. Другие полимерные смолы, которые могут быть пригодны в определенных применениях, содержат силикон или эпоксидную смолу.
В некоторых вариантах воплощения смесь полимерная смола - расширяемый графит при расширении образует множество усиков, содержащих расширенный графит. Общая площадь поверхности смеси полимерная смола - расширяемый графит значительно увеличивается по сравнению с той же самой смесью до расширения. В одном варианте воплощения площадь поверхности смеси полимерная смола - расширяемый графит, по меньшей мере, в десять раз больше, чем площадь поверхности до расширения. В другом варианте воплощения площадь поверхности смеси полимерная смола - расширяемый графит, по меньшей мере, в двадцать раз больше, чем площадь поверхности до расширения. Кроме того, усики, образовавшиеся при расширении, могут тянуться наружу от сердцевины расширенной смеси. В варианте воплощения, где смесь полимерная смола - расширяемый графит расположена на подложке в прерывистой форме, усики тянутся таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично заполнить открытые области между прерывистыми зонами. В дополнительном варианте воплощения усики будут вытянуты, имея отношение длины к ширине, по меньшей мере, 5 к 1.
Продолжен способ создания материала активной изоляции, содержащего смесь полимерная смола - расширяемый графит, содержащий растапливание полимерной смолы, которая является текучей или деформируемой при температуре ниже, чем температура начала расширения расширяемого графита, и примешивание расширяемого графита в текучую полимерную смолу для образования смеси. В других способах расширяемый графит может быть добавлен к мономеру или форполимеру перед полимеризацией для использования в качестве полимерной смолы. В другом варианте воплощения способ содержит растворение полимерной смолы, смешивание расширяемого графита с полимером и сушку смеси. В полимерную смолу может быть добавлено от около 1 мас.% до около 50 мас.% расширяемого графита исходя из общего веса смеси. В других вариантах воплощения в полимерную смолу добавляется от около 1 мас.% до около 30 мас.% расширяемого графита, или менее около 30%, или менее около 20%, или менее около 10%, или менее около 5% расширяемого графита исходя из общего веса смеси. В некоторых вариантах воплощения может быть желательно, чтобы частицы расширяемого графита содержались внутри и/или были практически заключены полимерной смолой в смеси полимерная смола - расширяемый графит. В смесь также могут быть добавлены другие добавки, такие как пигменты, наполнители, противомикробные препараты, модификаторы технических свойств полимера и стабилизаторы. В одном способе конечная активная изоляция, содержащая смесь полимерная смола - расширяемый графит, может быть применена для первого нагрева смеси до температуры ниже температуры начала расширения графита для размягчения смеси.
Термостойкие текстильные материалы, подходящие для использования в настоящем изобретении, могут быть ткаными, вязаными или неткаными текстильными материалами, содержащими огнестойкие текстильные материалы. Термостойкие текстильные материалы, содержащие огнестойкие текстильные материалы, могут содержать мета-арамид, пара-арамид или их смеси. Термостойкие текстильные материалы могут дополнительно содержать полибензимидазол, полибензоксазол, модакрил, огнестойкий хлопок, огнестойкую вискозу и их смеси.
Конвективный барьер может предотвращать или уменьшать конвективный перенос тепла к слоям, расположенным за ним, при воздействии источника конвективного тепла. Конвективные барьеры, применяемые в описанных здесь вариантах воплощения, имеют максимальную воздухопроницаемость менее около 10 единиц Frazier после подвергания термическому воздействию. Более предпочтительно, конвективный барьер имеет воздухопроницаемость после подвергания термическому воздействию менее чем 5 единиц Frazier. Термостойкие материалы, пригодные для применения в конвективном барьере, содержат такие материалы, как полиимид, силикон и политетрафторэтилен (PTFE), например плотный PTFE или расширяемый PTFE (ePTFE). Конвективный барьер может содержать одиночный слой или множественные слои. На фиг.6 и 7 конвективный барьер содержит множественные полимерные слои (30 и 30'). В варианте воплощения, представленном на фиг.6, конвективный барьер может быть составлен из двух термостойких пленок (30 и 30'), имеющих материал активной изоляции (20), расположенный между ними. В одном варианте воплощения материал активной изоляции нанесен для связывания множественных слоев конвективного барьера.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Описанными здесь способами могут быть созданы термозащитные материалы и слоистые материалы, которые имеют скорость проницаемости водяных паров более чем около 1000 г/м/день, более чем около 2000 г/м/день, более чем около 3000 г/м/день, более чем около 5000 г/м/день, более чем около 7000 г/м/день, более чем около 9000 г/м/день, более чем около 10000 г/м/день или выше при достижении ТРР более 1 кал/см, или более 2 кал/см, или более 3 кал/см, или более 4 кал/см, или более 5 кал/см, или более 6 кал/см или выше, по сравнению с материалами, сконструированными с, в основном, теми же материалами, но без активной изоляции или без активной изоляции между внешним текстильным материалом и конвективным барьером, при тестировании описанными здесь методами.
2
2
2
2
2
2
Термозащитные материалы, изготовленные описанными здесь способами, предпочтительно имеют низкое термическое сопротивление, например, для увеличения комфорта пользователя при выполнении работ в условиях высоких температур. При использовании в одежде материал, имеющий низкое термическое сопротивление, снижает тепловую нагрузку человека, на котором надета эта одежда. Низкое термическое сопротивление может быть представлено величиной термоизоляционной характеристики (КЛО) при измерении описанными здесь методами. Высокие значения КЛО означают высокое термическое сопротивление. Термозащитные материалы, изготовленные описанными способами, могут иметь величину теплоизоляционной характеристики (КЛО) менее около 0.45, или менее около 0.40, или менее около 0.30, или менее около 0.20, или менее около 0.15, или менее около 0.14, или менее около 0.13, или менее около 0.12, при увеличении ТРР на по меньшей мере около 1 кал/см, или на по меньшей мере около 2 кал/см, или на по меньшей мере около 3 кал/см, или на по меньшей мере около 4 кал/см, или на по меньшей мере около 5 кал/см, или на по меньшей мере около 6 кал/см, по сравнению с материалами, сконструированными из в основном тех же материалов, но без применения активной изоляции при изготовлении, при тестировании описанными способами.
Термозащитные текстильные материалы и композиции текстильных материалов, изготовленные описанными способами, могут быть полезны при изготовлении одежды, палаток, обуви, перчаток и других применений, в которых требуются термозащитные свойства. Описанные здесь термозащитные материалы также могут оказаться пригодными для защиты объектов или оборудования от тепла.
Без намерения ограничить рамки настоящего изобретения следующие пояснительные примеры показывают, как настоящее изобретение может быть выполнено и применено.
Способы тестирования
Скорость проницаемости водяных паров
Далее приведено описание теста, применяемого для измерения скорости проницаемости водяных паров. Процедура пригодна для тестирования пленок, покрытий и продуктов с покрытием.
2
В процедуре примерно 10 мл раствора, состоящего из 35 мас. частей ацетата калия и 15 мас. частей дистиллированной воды, было помещено в 133-мл полипропиленовую чашу, имеющую внутренний диаметр горлышка 6.5 см. Мембрана из расширенного политетрафторэтилена, имеющего минимальную скорость проницаемости водяных паров примерно 85,000 г/м/24 ч, как определено способом, описанным в патенте США 4,862,730 (выданном Crosby), была прикреплена к кромке чаши термосклеиванием для образования упругого герметичного микропористого барьера, содержащего раствор.
Подобная мембрана из расширяемого политетрафторэтилена была установлена на поверхности ванны с водой. Сборка ванны осуществлялась при 23°С плюс 0.2°С, с использованием комнаты с контролем температуры и ванны с циркуляцией воды.
Образец, подлежащий тестированию, перед выполнением процедуры тестирования, был выдержан при температуре 23°С и относительной влажности 50%. Образцы были помещены таким образом, что микропористая полимерная мембрана находилась в контакте с мембраной из расширяемого политетрафторэтилена, установленной на поверхности ванны с водой, в течение, по меньшей мере, 15 минут перед введением сборочного узла чаши, чтобы обеспечить уравновешивание.
Сборочный узел чаши был взвешен с точностью до 1/1000 г и помещен обратно на центр тестового образца.
Перенос воды обеспечивался посредством движущей силы между водой в ванне и насыщенным соляным раствором, обеспечивающей поток воды за счет диффузии в том направлении. Образец тестировался в течение 15 минут, и затем сборочный узел чаши был удален и снова взвешен с точностью до 1/1000 г.
Скорость проницаемости водяных паров была вычислена из приращения веса сборки чаши и была выражена в граммах воды на квадратный метр площади поверхности образца за 24 часа.
Вес
Измерения веса образцов производились в соответствии с ASTM D751, раздел 10.
Воздухопроницаемость по Frazier/Термостойкий конвективный барьер
Для определения термостойкости конвективного барьера образец материала площадью 381 кв. мм (15 кв. дюймов) был зажат в металлической раме, а затем подвешен в печи с принудительной циркуляцией воздуха при температуре 260°С (500°F). После 5-минутного воздействия образец был удален из печи. После остывания образца была протестирована воздухопроницаемость образца в соответствии с методами тестирования, озаглавленными ASTM D 737-75. "Стандартный метод тестирования воздухопроницаемости текстильных волокон". Образцы с менее чем 5 Frazier были признаны термостойким конвективным барьером.
Вертикальное пламя
Образцы текстильного материала были протестированы в соответствии со стандартом тестирования ASTM D6413. Образцы подвергались воздействию пламени в течение 12 секунд. Для трех образцов было усреднено время остаточного пламени. Текстильные материалы с остаточным пламенем более 2 секунд были признаны горючими, а текстильные материалы с остаточным пламенем менее или равным 2 секундам были признаны огнестойкими.
Тестирование плавления и термостойкости
Данный тест использовался для определения термостойкости текстильных материалов. Тест основан на тесте термостойкости, описанном в разделе 8.3 NFPA (Национальной ассоциации США по пожарной безопасности) редакции 1975, 2004. В качестве печи для тестирования применялась печь с циркуляцией горячего воздуха, как определено в стандарте ISO 17493. Тест проводился в соответствии с ASTM D 751, «Стандартные методы тестирования для материалов с покрытием» с применением «Процедур для блокирующего сопротивления» при повышенных температурах (разделы с 89 по 93) со следующими модификациями.
- Для измерения были использованы пластины из боросиликатного стекла 100 мм×100 мм×3 мм (4"×4"×1/8").
- Применялась температура тестирования 265°С, +3/-0°С (510°F, +5/-0°F).
- После извлечения стеклянных образцов из печи они оставлялись для остывания как минимум на 1 час.
Любая сторона образца, прилипавшая к стеклянной пластине, прилипавшая сама к себе при развертывании или проявлявшая признаки плавления или стекания каплями, была признана плавкой. Любая сторона образца, лишенная признаков плавкой стороны, была признана термостойкой.
Тест на расширение
Для измерения расширения частиц расширяемого графита применялся термомеханический анализ. Расширение тестировалось при помощи инструментов термомеханического анализа ТМА 2940. Для удерживания образца применялся керамический поддон (из окиси алюминия) для гравиметрического анализа, размером 8 мм в диаметре и 12 мм в высоту. При помощи зонда макрорасширения с диаметром 6 мм низ поддона был выставлен в ноль. Затем в поддон были помещены хлопья расширяемого графита шириной 0.1-0.3 мм согласно измерениям зонда термомеханического анализа. Печь была закрыта, и замерена первоначальная высота образца. Печь была нагрета от около 25°С до 600°С с нарастанием по 10°С/мин. Смещение зонда термомеханического анализа в зависимости от температуры было представлено в виде графика; смещение применялось в качестве меры расширения.
Тест на изменение толщины
Данный тестовый метод применялся для определения изменения толщины смеси полимерная смола - расширяемый графит самой по себе, а также нанесенной на термостойкую подложку. Для определения изменения толщины самой смеси смесь была введена в расплав политетрафторэтилена для получения таблеток диаметром примерно ½" и толщиной примерно 1/8" и удалена после того, как смесь в основном затвердела. Образцы были протестированы на первоначальную толщину согласно ASTM D751, раздел 9 с тем исключением, что диаметр прижимного устройства составлял 1". Инструмент был отрегулирован для приложения силы давления примерно 3.4 фунта на квадратный дюйм. Печь конвекционного типа была установлена на 300°С, и после того как температура достигла устойчивого состояния, образцы были введены в печь и подвергнуты воздействию температуры 300°С в течение 90 секунд. После 90 секунд образцы были извлечены из печи, удерживались в вертикальном положении для осмотра на предмет отслаивания покрытия, а затем были оставлены для остывания на 5 минут. Производилось повторное измерение толщины после воздействия в печи. После теста было отмечено изменение толщины и целостность структуры.
КЛО - единица измерения термоизоляционной характеристики одежды
2
2
Данный тест применяется для измерения скорости потока тепла, которое может течь через продукт, из которого может быть вычислено его сопротивление этому потоку. Тестовый образец был помещен между двумя пластинами. Нижняя пластина поддерживалась при постоянной температуре 35°С, подразумеваемой в качестве температуры тела. Верхняя пластина имела датчик, встроенный в центр пластины, который измерял потери тепла, которые регистрировались в виде коэффициента переноса тепла теплового потока, (hc) (Вт/м/К), а обратная величина регистрировалась в качестве его тепловой изоляции, (Rct) (мК/Вт). Величина термоизоляционной характеристики КЛО вычислялась по следующему выражению: КЛО=0.155×Rct.
Способ тестирования ТРР
Для тестирования были подготовлены образцы материалов размером 6×6 дюймов. Термическое сопротивление измерялось при помощи тестера термозащитных характеристик (ТРР) по стандарту для комплексов защитной одежды для структурного пожаротушения Национальной ассоциации США по пожарной безопасности от 1971 г.; Раздел 6-10 редакции 2000. Индивидуальные материалы тестировались с прокладкой ¼ дюйма. Кроме того, тестировались комплексы или сборки с наложением множественных материалов в контактной конфигурации, как определено методом тестирования.
Примеры
Конвективный барьер 1
Конвективный барьер был изготовлен в основном по находящемуся в общественной собственности патенту США No.5,418,054 A.
Полимерная смола 1:
Полиуретановая смола огнезащитного состава была приготовлена способом, описанным в патенте США No.4,532,316, и добавлением в реактор добавки на основе фосфора (Antiblaze PR82) в количестве 20 мас.% от общего количества смолы.
Смесь 1 полимерная смола - расширяемый графит:
Смесь полимерной смолы, имеющей огнезащитный состав, и расширяемого графита была приготовлена следующим образом. Смесь расширяемого графита и полиуретановой смолы была приготовлена смешиванием около 20 г расширяемого графита (Класс 3626 от Asbury Graphite Mills, Inc.) с около 80 г полиуретановой смолы 1. Вмешивание хлопьев расширяемого графита в смолу производилось при температуре около 100°С, с использованием низкоскоростного ножевого миксера в течение, по меньшей мере, 1 минуты для обеспечения однородного распределения, с образованием смеси 1 полимерная смола - расширяемый графит.
Смесь 2 полимерная смола - расширяемый графит:
Была приготовлена смесь, содержащая полимерную смолу и расширяемый графит. Полимерная смола была приготовлена по находящемуся в общественной собственности патенту США No.4,532,316. Около 20 г расширяемого графита (Класс 3626 от Asbury Graphite Mills, Inc.) было добавлено к 80 г смолы для образования смеси 2 полимерная смола - расширяемый графит. Смешивание выполнялось в соответствии с этапом смешивания, описанном в разделе смесь 1 полимерная смола - расширяемый графит.
Пример 1
тм
Текстильный материал, содержащий активную изоляцию, был приготовлен следующим образом. Вытканная ткань Defender, на основе Nomex, весящая 7.5 унций/кв. ярд, доступная от Southern Mills, Inc., была покрыта смесью 2 полимерная смола - расширяемый графит в виде дискретных точек при помощи ролика глубокой печати (при температуре около 100°С с давлением около 40 фунтов на кв. дюйм) таким образом, чтобы обеспечить покрытие приблизительно 32% поверхности текстильного материала, с нанесением около 35 граммов на квадратный метр. Ролик глубокой печати имел шаблон круглой точки с глубиной ячейки 1200 мкм, отверстием ячейки 2500 мкм и зазором 2500 мкм. Покрытая ткань была оставлена для отверждения на 48 часов при 23°С и относительной влажности около 50%.
Образцы текстильного материала, покрытого смесью 2 полимерная смола - расширяемый графит, были протестированы на изменение толщины по описанному методу. После подвергания воздействию в печи смесь полимерная смола - расширяемый графит увеличилась в толщине на 1500 мкм и не отслаивалась от подложки.
2
2
Образцы текстильного материала, покрытого смесью 2 полимерная смола - расширяемый графит, были также протестированы на ТРР по описанному методу для индивидуальных материалов, причем покрытая сторона была обращена в сторону, противоположную от источника тепла, и сравнивались с результатами для сравнительного образца из той же самой ткани, но без покрытия. Образцы, приготовленные в соответствии с данным примером, имели среднюю ТРР около 21.1 кал/см. Сравнительный образец имел ТРР около 16.2 кал/см.
тм
тм
2
2
Образцы текстильного материала, покрытого смесью 2 полимерная смола - расширяемый графит, были протестированы в качестве комплекта в многослойном сложении по описанному здесь методу. Образец по Примеру 1 был использован в качестве внешней оболочки, имеющей покрытую сторону, обращенную в противоположную сторону от источника тепла. В качестве барьера влаги был использован материал Crosstech 2C (от W.L.Gore & Associates, Inc.), а в качестве теплового барьера была использована ткань Q-9 (от Southern Mills, Inc.). Комплект имел среднюю ТРР 59.3 кал/см. Сравнительный комплект имел такую же конструкцию за исключением того, что в качестве внешней оболочки использовалась ткань Defender Nomex без покрытия смесью 2 полимерная смола - расширяемый графит. Сравнительный комплект имел среднюю ТРР 43.8 кал/см.
Пример 2
Слоистый материал, содержащий лицевую ткань Nomex, конвективный барьер и активную изоляцию между ними, был приготовлен следующим образом.
Слоистый материал был изготовлен с применением лицевой плоско вытканной ткани Nomex IIIA плотностью 3.3 унции/кв. ярд и конвективного барьера 1. Слоистый материал был создан нанесением дискретных точек смеси 1 полимерная смола - расширяемый графит на конвективный барьер 1 по примеру 1. Конвективный барьер затем был приклеен к ткани Nomex IIIA плотностью 3.3 унции/кв. ярд с использованием пресса с давлением около 30 фунтов/кв. дюйм. Полученный слоистый материал представлял собой слоистую структуру, содержащую конвективный барьер, лицевой слой огнестойкой вытканной ткани Nomex IIIA и активную изоляцию между ними. Затем слоистый материал был натянут на стальной барабан под натяжением и оставлен для отверждения на 48 часов при относительной влажности более чем около 50%.
Образцы материала затем оценивались на воспламеняемость, КЛО и скорость проницаемости водяных паров по описанным здесь методам. Образцы, протестированные по тесту с вертикальным пламенем, имели остаточное пламя менее 2 секунд. ТРР образцов оценивалась при ориентации материала таким образом, что лицевая сторона ткани Nomex была обращена к источнику тепла. Результаты тестирования индивидуальных образцов представлены в Таблице 1.
тм
тм
2
Образцы слоистого материала по Примеру 2 также были протестированы в качестве комплекта, как показано на фиг.10 (100), в многослойном наложении по описанному здесь методу. В качестве слоя барьера влаги (102) был использован образец слоистого материала из примера 2, имеющий лицевую сторону из ткани Nomex, обращенную к ткани Defender (от Southern Mills, Inc.) в качестве слоя оболочки (103), а в качестве термоподкладки (101), обращенной к датчику ТРР (104), использовалась ткань Aralite (от Southern Mills, Inc.). Комплект имел среднюю ТРР 46.4 кал/см.
Пример 3
Был приготовлен слоистый материал, содержащий лицевую ткань Nomex, конвективный барьер и активную изоляцию между ними и дополнительно содержащий подкладку из арамида.
Двухслойный слоистый материал из Примера 2 был дополнительно обработан нанесением полимерной смолы 1 по шаблону из дискретных точек на сторону конвективного барьера, подвергаемую воздействию (на сторону, противоположную вытканной лицевой ткани Nomex IIIA). Затем к двухслойному слоистому материалу был приклеен слой подкладочной вытканной ткани плотностью 1.7 унций /кв. ярд из арамида, путем подачи двухслойного слоистого материала с печатным липким слоем и подкладки из арамида через дополнительный пресс. Приготовленный трехслойный слоистый материал был натянут на стальной барабан под натяжением и оставлен для отверждения на 48 часов при относительной влажности более чем около 50%.
Образцы материала затем оценивались на воспламеняемость, КЛО и скорость проницаемости водяных паров по описанным здесь методам. ТРР образцов оценивались при ориентации материала таким образом, что лицевая сторона ткани Nomex была обращена к источнику тепла. Результаты представлены в Таблице 1.
тм
тм
2
Образцы слоистого материала по Примеру 3 также были протестированы в качестве комплекта, в многослойном наложении по описанному здесь методу. В качестве слоя барьера влаги был использован образец слоистого материала из Примера 3, имеющий лицевую сторону из ткани Nomex 3.3 унции/кв. ярд, обращенную к ткани Defender (от Southern Mills, Inc.) в качестве слоя оболочки, а в качестве термоподкпадки, обращенной к датчику ТРР, использовалась ткань Aralite (от Southern Mills, Inc.). Комплект имел среднюю ТРР 50.5 кал/см.
Пример 4
Был приготовлен слоистый материал, содержащий лицевую ткань Nomex, полиуретановую пленку, активную изоляцию между ними и дополнительно содержащий подкладку из арамида.
Трехслойный слоистый материал был изготовлен в основном в соответствии со слоистым материалом из Примера 3 за исключением того, что вместо конвективного барьера для образования двухслойной слоистой структуры использовалась воздухопроницаемая пленка из монолитного термопластичного полиуретана, проданная Omni flex (Greenfield, MA) под инвентарным номером 1540.
Образцы материала были протестированы на ТРР описанными методами. ТРР образцов оценивалась при ориентации материала таким образом, что лицевая сторона ткани Nomex была обращена к источнику тепла. Результаты представлены в Таблице 1.
Пример 5
тм
Был приготовлен слоистый материал, содержащий Crosstech 2с, конвективный барьер и активную изоляцию между ними.
тм
Трехслойный слоистый материал был приготовлен печатным нанесением дискретных точек Смеси 1 полимерная смола - расширяемый графит на Конвективный барьер 1 и последующим приклеиванием к нему пленки Crosstech 2с (приобретенной от W.L.Gore & Associates, Inc.) с применением пресса. Дискретные точки были нанесены печатью при помощи ролика глубокой печати для обеспечения покрытия приблизительно 32 процентов на конвективном барьере 1. Полученный слоистый материал представлял собой трехслойный слоистый материал со смесью полимерная смола - расширяемый графит, нанесенной в виде дискретного шаблона между двумя конвективными барьерами.
Образцы материала оценивались на КЛО и ТРР по описанным методам. ТРР образцов оценивалась при ориентации материала таким образом, что лицевая сторона ткани Nomex была обращена к источнику тепла. Результаты представлены в Таблице 1.
Сравнительный пример 1
тм
Была приготовлена композиция изготовлением слоистого материала из ткани Nomex и конвективного барьера без активной изоляции между ними. Была приготовлена композиция, содержащая конвективный барьер из расширяемого политетрафторэтилена и ткани Nomex 3.3 унции/кв. ярд, продаваемой под маркой Crosstech 2с, приобретенной от W.L.Gore & Associates, Inc. (Elkton, MD).
Образцы материала оценивались на КЛО и ТРР по описанным здесь методам. ТРР образцов оценивалась при ориентации материала таким образом, что лицевая сторона ткани Nomex была обращена к источнику тепла. Результаты представлены в Таблице 1.
тм
2
Образцы слоистого материала по Сравнительному примеру 1 также были протестированы в качестве комплекта, в многослойном наложении по описанному здесь методу. В качестве слоя барьера влаги был использован образец Сравнительного примера 1, имеющий лицевую сторону из ткани Nomex 3.3 унции/кв. ярд, обращенную к ткани Defender (от Southern Mills, Inc.) в качестве слоя оболочки, а в качестве термоподкладки, обращенной к датчику ТРР, использовалась ткань Aralite™(от Southern Mills, Inc.). Группа имела среднюю ТРР 40.8 кал/см.
Сравнительный пример 2
тм
Был приготовлен слоистый материал, содержащий Crosstech 2с и подкладку из арамида, без активной изоляции.
Был изготовлен трехслойный слоистый материал, содержащий Crosstech 2с и подкладку из арамида 1.7 унций/кв. ярд, приобретенный от W.L.Gore & Associates, Inc.
тм
Образцы материала оценивались на КЛО и ТРР по описанным методам. ТРР образцов оценивалась при ориентации материала таким образом, что лицевая сторона ткани Crosstech 2с была обращена к источнику тепла. Результаты представлены в Таблице 1.
Пример 6
тм
Был приготовлен слоистый материал, содержащий Crosstech 2с, подкладку из арамида и активную изоляцию между ними.
тм
Трехслойный слоистый материал был изготовлен нанесением смеси полимерная смола - расширяемый графит по шаблону из дискретных точек на сторону материала Crosstech 2с из расширяемого политетрафторэтилена, подвергаемую воздействию, и приклеиванием слоя подкладочной вытканной ткани плотностью 1.7 унций/кв. ярд из арамида к стороне расширяемого политетрафторэтилена, путем подачи двухслойного слоистого материала и подкладки из арамида через дополнительный пресс. Приготовленный трехслойный слоистый материал был натянут на стальной барабан под натяжением и оставлен для отверждения на 48 часов при относительной влажности более чем около 50%.
Образцы материала оценивались на КЛО и ТРР по описанным методам. ТРР образцов оценивалась при ориентации материала таким образом, что лицевая сторона ткани Crosstech 2с была обращена к источнику тепла. Результаты представлены в Таблице 1.
Таблица 1
Пример
КЛО, м<sup>2</sup>К/Вт
Термозащитные характеристики (ТРР), кал/см<sup>2</sup>
Скорость проницаемости водяных паров, г/м<sup>2</sup>/день
Пример 2
0.12
17.8
>9700
Сравнительный пример 1
0.11
12.6
>13500
Пример 3
0.13
22.8
>5000
Сравнительный пример 2
0.12
17.5
>5900
Пример 4
Нет данных
17.2
Нет данных
Пример 5
0.12
24.2
>2400
Пример 6
0.14
19.2
Нет данных
Несмотря на то что в описании были проиллюстрированы и описаны конкретные примеры вариантов воплощения, настоящее изобретение не должно быть ограничено до таких иллюстраций и описаний. Специалисту очевидно, что в качестве части настоящего изобретения в рамках последующей формулы изобретения могут быть объединены и заключены изменения и модификации.