Фильтрующий химзащитный материал
FILTERING CHEMICAL-PROTECTIVE MATERIAL

Изобретение относится к области производства химзащитных материалов фильтрующего типа, используемых для изготовления средств индивидуальной защиты и защитной одежды работников производственных, и аварийно-ремонтных бригад, аварийно-спасательных и других групп, а также для создания объектов специального назначения. Химзащитный материал и изделия из него предохраняют от воздействия производственных агрессивных сред и сильнодействующих ядовитых веществ.
В последнее время интенсивность воздействия на человека различными химическими факторами производственного и непроизводственного характера неуклонно возрастает. Более 600 химических веществ представляют опасность для человека и требуют специальной защиты от них. В этих условиях особое значение приобретает универсальность действия фильтрующих химзащитных материалов, реализуемая путем применения сорбционно-активных веществ, а также комфортность использовании соответствующих изделий на их основе.
Известен резинотканевый защитный материал на основе бутилкаучука для защиты от химических веществ (Пат. 2457952 Российская Федерация, МПК В32В 25/16, В32В 25/10, В32В 27/12, D01F 6/90, D01F 6/92, В32В 27/18, В32В 37/26, В32В 27/32, C08L 23/22, C08J 5/04. Композиционный слоистый резинотканевый защитный материал на основе бутилкаучука с барьерным слоем / Гореленков В.К., Ананьев В.В. и др.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт эластомерных материалов и изделий" - №2010147859/05; заявл. 24.11.2010; опубл. 10.08.2012. Бюл. №22). Материал выполнен трехслойным и состоит из среднего армирующего слоя, с двух сторон которого расположены наружные покровные слои. Средний слой выполнен в виде полиэфирной ткани, два наружных покровных слоя выполнены из резиновой композиции на основе бутилкаучука. На поверхность материала нанесен барьерный пленочный материал. Изобретение обеспечивает надежную защиту кожных покровов человека от проникновения химических веществ и относится к классу материалов изолирующего типа, непроницаемых для химических веществ.
Однако вследствие того, что материал является также непроницаемым для атмосферного воздуха и паров воды, выделяющейся в результате метаболических процессов, при эксплуатации защитной одежды из изолирующего материала организм человека перегревается. Это приводит к снижению времени его эффективной работы и ухудшается ее качество. При продолжительном ношении защитной одежды изолирующего типа возникает риск чрезмерного разрушительного воздействия избытка тепла на процессы жизнедеятельности человека вплоть до летального исхода.
Известен фильтрующий материал для защитной одежды от химических веществ, состоящий из трех слоев ткани - двух внешних тканевых обкладок и промежуточного сорбционного слоя из активированной углеродной ткани (Пат. 2060037 Российская Федерация, МПК7 А62В 17/00, В32В 5/26, D03D 11/00. Материал для защитной одежды от химических отравляющих веществ / Николаев В.Г., Сахно Л.А. и др.; заявитель и патентообладатель Николаев В.Г. - №5009636/12; заявл. 20.11.1991; опубл. 20.05.1996. Бюл. №5). Материал имеет удовлетворительные химзащитные свойства, однако карбонизированный сорбционно-активный слой характеризуется низкой механической прочностью, и поэтому он используется только в составе весьма тяжелого трехслойного иглопрошивного пакета, который, в свою очередь, обладает низкой эксплуатационной устойчивостью и повышенной осыпаемостью в ходе переработки и в носке.
В мировой практике при создании фильтрующих химзащитных материалов, избирательно задерживающих вредные вещества и пропускающих воздух и пары воды, широко применяют активированный уголь в качестве основного компонента, сорбирующего вредные вещества,. Известен химзащитный материал фильтрующего типа (Пат. 2394627 Российская Федерация, МПК7 B01D 39/06, B01D 39/18, B01J 20/28. Нетканый материал, включающий ультрамелкие или наноразмерные порошки / Теннер Ф., Каледин Л.Л.; заявитель и патентообладатель Аргонайд Корпорейшн - №2008143241/15; заявл. 22.03.2007; опубл. 20.07.2010. Бюл. №20) для защитной одежды, в котором в качестве сорбента используют порошковый активированный уголь. Порошковый уголь, имеющий развитую активную поверхность, вследствие своей формы характеризуется высокой скоростью поглощения опасных веществ.
Однако из-за сыпучести частиц порошкового угля в материале он не может находиться в свободном состоянии. Необходимо наличие специального носителя для связывания частиц, в качестве которого в изобретении используют нетканый текстильный материал. Вследствие этого материалу присуще сложность введения частиц угля в матрицу носителя, повышенная жесткость и низкие физико-механические свойства, в том числе малая прочность при растяжении. При изготовлении и эксплуатации защитная одежда на основе такого материала подвергается различным видам деформаций, которые приводят к разрушению сорбционного слоя и высыпанию угля из матрицы носителя. В результате имеет место значительное ухудшение защитных свойств материала и одежды в целом.
Известен химзащитный материал фильтрующего типа на основе порошкового активированного угля, в котором в качестве носителя используют бумагу (Пат. 2200603 С2 Российская Федерация, МПК7 A62D 5/00, А62В 17/00, D21H 27/40. Химзащитный материал для защитной одежды / Иванова B.C., Кузнецов Е.А. и др.; заявитель и патентообладатель ОАО "Волжский научно-исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности", ГУП "Казанский химический научно-исследовательский институт". - №2001102678/12; заявл. 29.01.2001; опубл. 20.03.2003. Бюл. №8). Материал состоит из основы, представляющей собой угленаполненную крепированую (гофрированную) бумагу с удлинением 15-20%, армированную с двух сторон тканью с термоклеевым дискретным покрытием.
Однако материалу присущи недостатки, обусловленные сложностью введения угля в целлюлозную массу при изготовлении бумаги и ее низкой механической прочностью. В результате динамических воздействий типа растяжения, сжатия, изгиба или истирания целостность материала нарушается, возникают дефектные места, обедненные активированным углем, через которые возможно проникновение опасных химических веществ. Такие материалы также имеют повышенную жесткость и недостаточно высокий уровень химзащитных свойств.
Известен адсорбционный фильтрующий материал (Пат. 2446875 Российская Федерация, МПК B01J 20/20, B01J 20/18, B01D 39/08, A4D 31/02, A62D 5/00. Сорбционный фильтрующий материал и его использование / Каскель Ш.; заявитель и патентообладатель Блюхер ГМБХ (DE). - №2010122742/05; заявл. 07.08.2008; опубл. 10.12.2011. Бюл. №10), содержащий, помимо активированного угля, адсорбент на основе металлорганических каркасных структур, относящихся к классу координационных полимеров. Материал представляет собой газопроницаемый материал-основу в виде открыто пористой пены или текстильной листообразной структуры, наполненный адсорбентом.
Однако такой материал также обладает повышенной жесткостью, причем промышленное производство адсорбентов на основе металлорганических каркасных структур в РФ отсутствует, а цена импортных аналогов существенно превышает стоимость отечественных сорбентов на основе, например активированного угля, при примерно равной эффективности по защите от химических веществ.
Из известных аналогов наиболее близким к заявляемому техническому решению является угленаполненный химзащитный водопроницаемый материал, принятый за прототип, в котором порошковый активированный уголь закрепляется в текстильном полотне посредством, например, поливинилового спирта (Pat. 5162398А United States, МПК B32B 5/24, B32B 27/20. Composite protective materials, their production and articles made thereof / Moshe Katz, Rishon Le-Zion; заявитель и патентообладатель State of Israel, Atomic Energy Commission, Soreq Nuclear Research Center, Yavne, Israel. - №98951; заявл. 27.08.1987; опубл. 10.11.1992). В материале, содержащем непористый непрерывный водопроницаемый синтетический материал, смешанный с добавкой типа активированного угля, химическая защита разделяется между воздухонепроницаемым синтетическим материалом и активированным углем. При этом обеспечиваются хорошая теплопроводность материала и удаление метаболической воды.
Материал обладает достаточной химзащитной активностью и удовлетворительными технологическими свойствами, однако он, также как и другие известные угленаполненные материалы, имеет повышенную жесткость, а в ходе реальной эксплуатации, особенно во влажных условиях, быстро разрушается. Следует отметить, что продолжительность операции сушки при изготовлении материала в процессе формирования синтетического слоя из водного раствора составляет 72 ч.
Технический результат заявляемого решения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик фильтрующего химзащитного материала путем снижения его жесткости при сохранении химзащитных свойств, а также в значительном сокращении времени изготовления материала.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в фильтрующем химзащитном материале на основе натуральных, синтетических и смешанных текстильных полотен, наполненных сорбентом в виде порошкового активированного угля, смешанного с полимерным связующим, согласно изобретению, полимерное связующее представлено в виде композиций на основе кремнийорганических полимеров или полимерных смесей, например смеси кремнийорганического полимера с полиуретаном, включающих не менее 50% кремнийорганического полимера; при этом активированный уголь с размером частиц от 30 до 150 мкм размещен внутри полимерного связующего при содержании угля в композиции от 30 до 140 г/м, причем полимерное связующее в виде покрытия размещено либо с одной, либо с обеих сторон материала, а полимерное покрытие выполнено как в сплошной, так и дискретной форме, при этом дискретная форма представлена, например, в виде полусферических элементов диаметром от 0,6 до 0,8 мм при степени перекрытия поверхности материала дискретным слоем от 35 до 45%.
Технический результат, заключающийся в улучшении эксплуатационных характеристик фильтрующего химзащитного материала путем снижения его жесткости при сохранении химзащитных свойств, а также в значительном сокращении времени изготовления материала, достигается применением в качестве агента, закрепляющего порошковый активированный уголь на текстильной подложке, полимерных композиций на основе кремнийорганических полимеров или полимерных смесей, например смеси кремнийорганического полимера с полиуретаном, включающих не менее 50% кремнийорганического полимера. На границе раздела угленаполненный полимер-текстильная подложка образуется достаточно прочный и одновременно высоко эластичный кремнийорганический адгезионный микрослой, обеспечивающий материалу влагостойкость и повышенную эластичность (минимальную жесткость). При этом используемые полимерные композиции не отравляют активированный уголь, обеспечивая материалу достаточно высокий уровень сорбционных свойств, кроме того используемый тонкослойный (ракельный) способ нанесения связующего позволяет сохранить в материале достаточно высокий уровень паропроницаемости, что обеспечивает в конечных изделиях хорошую физиолого-гигиеническую их переносимость, а возможность указанные композиции наносить на поверхность полотна в дискретной форме позволяет дополнительно улучшить физико-гигиенические свойства материала, следовательно, улучшить эксплуатационные характеристики заявляемого материала. Повышение эластичности материала способствует комфортности готовых изделий, снижению их сковывающего действия в условиях реальной эксплуатации. Кроме того, повышается влагостойкость материала, что также улучшает эксплуатационную устойчивость готовых изделий. При этом продолжительность формирования сплошного или дискретного покрытия на текстильном полотне не превышает 3 мин вследствие использования кремнийорганических композиций или их смесей, не содержащих в отличие от прототипа растворителя. Отсутствие растворителя и, соответственно, операции сушки, приводит к существенному уменьшению продолжительности процесса получения заявляемого материала от 72 ч до 3 мин.
Варианты конструкция заявляемого фильтрующего химзащитного материала показаны на фиг. 1-5: сплошное полимерное покрытие размещено с одной стороны (фиг. 1) и с обеих сторон материала (фиг. 2); с одной стороны материала размещено сплошное полимерное покрытие, а с другой стороны материала - дискретное полимерное покрытие (фиг. 3); дискретное полимерное покрытие размещено с одной стороны (фиг. 4) и с обеих сторон материала (фиг. 5).
2
Фильтрующий химзащитный материал выполнен на основе натуральных, синтетических и смешанных текстильных полотен 1, наполненных сорбентом в виде порошкового активированного угля 2 с полимерным связующим 3, 4. В качестве полимерного связующего использована композиция на основе кремнийорганических полимеров или полимерных смесей, например смесь кремнийорганического полимера с полиуретаном, включающих не менее 50% кремнийорганического полимера. Фильтрующий химзащитный материал наполнен сорбентом в виде активированного порошкового угля 2 с размером частиц от 30 до 150 мкм при его содержании в композиции от 30 до 140 г/м, а полимерное связующее 3, 4 размещено либо с одной, либо с обеих сторон материала. При этом полимерное связующее в форме покрытия может быть выполнено как в сплошном 3, так и в дискретном виде 4, и имеет форму, например, в виде полусферических элементов диаметром от 0,6 до 0,8 мм при степени перекрытия поверхности полотна дискретным слоем от 35 до 45%.
Размеры частиц сорбента в виде активированного порошкового угля выбраны из интервала от 30 до 150 мкм, причем при размерах частиц менее 30 мкм происходит существенное увеличение вязкости технологических смесей, исключая возможность их переработки в материал. При размерах частиц более 150 мкм, вследствие снижения динамической составляющей сорбционной емкости активированного порошкового угля, технический результат также наблюдаться не будет из-за ухудшения защитных свойств материала.
2
2
2
Содержание в композиции активированного порошкового угля от 30 до 140 г/м обусловлено тем, что при содержании активированного порошкового угля менее 30 г/м химзащитный материал не будет обладать необходимыми защитными свойствами, а при содержании активированного порошкового угля более 140 г/м существенно возрастает поверхностная плотность химзащитного материала и, соответственно, масса и толщина изделия, а также ухудшаются условия воздухо-, паро- и теплообмена с окружающей средой.
2
Форма и размер элементов дискретного покрытия и соответствующая им степень перекрытия поверхности полотна дискретным слоем выбраны исходя из того, чтобы содержание в композиции активированного порошкового угля находилось в интервале значений 30-140 г/м.
Заявляемый фильтрующий химзащитный материал работает следующим образом. Химическое вещество, например метилсалицилат, попадает на поверхность материала, образованную полимерным связующим в виде сплошного 3 или дискретного 4 покрытия на полотне 1, и поглощается в его объеме, так как внутри полимерного связующего распределен порошковый активированный уголь 2, имеющий развитую пористую структуру. Вследствие сложных физико-химических процессов, самопроизвольно протекающих в системе полимер-уголь-вещество, химическое вещество задерживается активированным углем, и фильтрующий химзащитный материал фактически становится барьером для химического вещества, снижая его проницаемость через материал до уровня, безопасного для организма человека.
Эффективность действия фильтрующего химзащитного материала, связанная с поглощением химических веществ, включая сильнодействующие ядовитые вещества, объемом пор порошкового активированного угля, определяется как составом материала (см. стр. 8), так и его конструкцией. Использование сплошного покрытия (см. фиг. 1 и 2) позволяет повысить надежность химической защиты в сложных условиях эксплуатации изделий на основе фильтрующего химзащитного материала. Использование же дискретного покрытия (см. фиг. 4 и 5) дополнительно повышает паропроницаемость материала и его эластичность. Применение комбинированного материала со сплошным и дискретным покрытиями (см. фиг. 3) является компромиссным вариантом при некотором усложнении технологии его изготовления.
Совокупность существенных признаков, приведенных в формуле изобретения, а именно природа полимерного связующего, размеры частиц порошкового активированного угля и его содержание в материале, а также форма полимерного покрытия, позволяет достичь технический результат заявляемого изобретения, заключающийся в улучшении эксплуатационных характеристик фильтрующего химзащитного материала.
Достижение технического результата изобретения подтверждается испытаниями заявляемого материала по известным методикам. Фильтрующий химзащитный материал для испытаний изготавливали согласно следующим примерам.
2
2
Пример 1. Смешивали 100 г кремнийорганического полимера марки LSR-609 (СТО 12455361-23-2016) и 80 г порошкового активированного угля марки МЕКС-ПФ (ТУ 2568-449-04838763-2015) с размером частиц 100±20 мкм. В приготовленную смесь вводили катализатор ВП-1И-3 (СТП 40245042-046-2010) в количестве 2,0 г и снова перемешивали. Полученную смесь в виде пасты с помощью ножевой ракли намазывали (первый проход) на лицевую сторону натурального полотна (хлопчатобумажной ткани поверхностной плотности 180 г/м ГОСТ 21790-2005). Полотно с нанесенным покрытием помещали в термокамеру и выдерживали при температуре 180°С в течение 2-3 мин для отверждения покрытия. Затем на полуфабрикат со стороны покрытия наносили второй слой пасты (второй проход), помещали его в термокамеру и выдерживали при температуре 180°С в течение 2-3 мин (см. фиг. 1). Удельный привес пасты, в пересчете на активированный уголь, составил 80±5 г/м.
2
Пример 2. В отличие от примера 1 количество пасты, наносимой за первый и второй проходы, в пересчете на активированный уголь, составило 65±5 г/м.
2
Пример 3. В отличие от примера 1 количество пасты, наносимой за первый и второй проходы, в пересчете на активированный уголь, составило 130±10 г/м.
Пример 4. В отличие от примера 1 использовали кремнийорганический полимер марки СКТН (ГОСТ 13835-73).
Пример 5. В отличие от примера 4 использовали смесь 50 г кремнийорганического полимера марки СКТН и 50 г полиуретана (ГОСТ 34376.1-2017).
Пример 6. В отличие от примера 1 температура термообработки составляла 170°С.
Пример 7. В отличие от примера 1 температура термообработки составляла 210°С.
2
Пример 8. В отличие от примера 1 пасту наносили на синтетическую (полиэфирную) ткань арт. 280/19 (ТУ 8218-032-10725218-2006) поверхностной плотности 120 г/м.
2
Пример 9. В отличие от примера 1 пасту наносили на смешанную (хлопкополиэфирную) ткань СТК-180 арт. 282/5 (ТУ 8218-078-91669629-2012) поверхностной плотности 186 г/м.
2
Пример 10. В отличие от примера 9 пасту наносили на ткань арт. 282 (ТУ 8218-033-10725218-205) поверхностной плотности 110 г/м.
Пример И. В отличие от примера 9 использовали уголь с размером частиц 30±5 мкм.
Пример 12. В отличие от примера 9 использовали уголь с размером частиц 145±5 мкм.
Пример 13. В отличие от примера 9 использовали уголь марки КТ-21У-(м) (ТУ 20.59.54-121-00149392-2016).
Пример 14. В отличие от примера 1 второй слой пасты наносили с изнаночной (без покрытия) стороны ткани (см. фиг. 2).
2
Пример 15. В отличие от примера 10 пасту наносили через перфорированный шаблон за один проход с образованием дискретных полусферических элементов диаметром 0,6 мм со степенью перекрытия 0,45 (см. фиг. 4). Удельный привес активированного угля в материале составил 30±2 г/м.
Пример 16. В отличие от примера 15 диаметр полусферических элементов составил 0,8 мм со степенью перекрытия 0,35.
2
Пример 17. В отличие от примера 15 пасту наносили с двух сторон ткани (см. фиг. 5). Удельный привес активированного угля в материале составил 60±5 г/м.
2
Пример 18. В отличие от примера 14 пасту с изнаночной стороны ткани наносили через перфорированный шаблон с образованием дискретных полусферических элементов диаметром 0,6 мм со степенью перекрытия 0,45 (см. фиг. 3). Удельный привес активированного угля в материале составил 85±5 г/м.
Полученные результаты испытаний сведены в таблицу. Из представленных данных видно, что достигнутый технический результат изобретения соответствует уровню свойств прототипа по паропроницаемости и устойчивости к проникновению капель метилсалицилата и существенно превосходит его по показателям жесткости и устойчивости к многократному изгибу в сухом и увлажненном состоянии.