СЛОИСТЫЙ ЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
LAYERED PROTECTIVE MATERIAL

Область техники
Предложение относится к многослойным волокнистым материалам из различных синтетических волокон, предназначенным для изготовления поглотителей электромагнитного излучения и теплоизоляции. Материал и изделия из него могут использоваться для:
- экранировки помещений с целью противодействия техническим средствам разведки;
- обеспечения электромагнитной совместимости радиотехнических устройств;
- уменьшения в СВЧ-диапазоне длин волн электромагнитного излучения отраженного сигнала от различных объектов;
- снижения теплового контраста различных объектов в ИК-диапазоне длин волн электромагнитного излучения;
- теплоизоляции отдельных узлов и агрегатов техники.
Уровень техники
Известны слоистые материалы с металлизированной поверхностью ("F1 TECH. Jnt. Eguip. Guide Eneergency Serv.", Tunbridge Weels, 1980, 65) и материал с металлизированной поверхностью на основе вискозной ткани для изготовления теплозащитной одежды ("Close proximity fire suit". Fire Prot, 1982, T.45, №536, 21). Металлизированная поверхность материалов образована тонкой алюминиевой фольгой. Материалы обеспечивают защиту человека в определенном температурно-временном диапазоне, однако время защитного действия этих материалов и одежды из них из-за быстрого нагрева в зоне высоких температур недостаточно для выполнения работ по ликвидации пожаров.
Известен слоистый материал для теплозащитной одежды, состоящий из нижнего подкладочного волокнистого слоя, выполненного из хлопчатобумажной ткани, среднего теплоизоляционного волокнистого слоя, выполненного из шерстяного войлока или ватина, и металлизированного снаружи внешнего теплоотражательного волокнистого тканого слоя на основе стеклянных волокон (ТУ 17-08-289-89). Внешний слой этого материала выполнен из обычных (не пустотелых) стеклянных волокон. Такой материал обеспечивает время защитного действия изготовленной из него теплозащитной одежды при температуре окружающей среды +200°C, составляющее 3÷4 минут. Такое время защитного действия является недостаточным для тушения пожаров и проведения аварийно-спасательных работ на ряде объектов.
7
Для увеличения времени защитного действия одежды без увеличения ее массы материал для теплозащитной одежды должен иметь высокую отражающую способность, низкую теплопроводность, минимальную воздухопроницаемость, высокое тепловое сопротивление и высокую теплоемкость. Указанный технический результат достигается в материале (по заявке на патент №94036696/12, МПК A41D 31/00, опубл. 20.06.1996), состоящем из нижнего подкладочного волокнистого слоя, выполненного из хлопчатобумажной ткани, среднего теплоизоляционного слоя из шерстяного войлока или ватина и металлизированного снаружи внешнего теплоотражательного слоя ткани на основе пустотелых стеклянных волокон, заполненных воздухом на 20-40%. Такой процент заполнения воздухом является достаточным для значительного увеличения времени защитного действия предлагаемого материала и оптимального сочетания стабильности свойств и технологичности изготовления пустотелых волокон. Выполнение внешнего слоя именно из пустотелых волокон в сочетании с остальными указанными слоями предлагаемого материала, состоящими из монолитных волокон, позволяет к достигнуть оптимальной совокупности его защитных свойств низкой теплопроводности, высокого суммарного теплового сопротивления и высокой теплоемкости. Использование пустотелых волокон для изготовления всех волокнистых слоев приводит к значительному снижению теплоемкости и теплового сопротивления материала и, как следствие этого, к снижению времени защитного действия.
2
2
6
Известен слоистый материал для теплозащитной одежды, который содержит основной слой из малопроницаемой ткани с воздухопроницаемостью до 50 л/мс, теплосберегающий слой - из синтетического или натурального объемного утеплителя и газопроницаемую подкладку с воздухопроницаемостью от 50 до 400 л/мс. Материал обеспечивает микроклимат, необходимый для поддержания комфортного теплового режима человека (патент РФ №2129815, МПК A41D 13/00, опубл. 10.05.1999).
2
2
Известен слоистый материал, который состоит из двух нетканых наружных слоев и внутреннего каркасного слоя, включающих однородные волокна, причем слои соединены между собой иглопрокалыванием (число проколов составляет 120÷500 на 1 см). В качестве каркасного слоя используют непрерывные вискозные нити с линейной плотностью 192 или 380 текс, с прочностью 600-800 сН/текс, уложенные параллельно друг другу вдоль нетканых наружных слоев из вискозных штапелированных волокон с длиной штапелирования не менее 18 мм, причем соотношение поверхностных нетканых наружных слоев и внутреннего каркасного слоя составляет (15,5÷47,0):(1÷4):(15,5÷47,0). Поверхностная плотность нетканого материала составляет 280-852 г/м. Техническим результатом заявленного решения является придание регулируемой прочности нетканому материалу в продольном направлении при одновременном сохранении высокой воздухопроницаемости и улучшение технологичности процесса.
Наиболее близким к заявляемому является волокнистый поглощающий материал, включающий один или несколько слоев, содержащих синтетические волокна с добавкой от 0,5 до 15 мас.% электропроводящего наполнителя - углеродного волокна, которое равномерно распределено в холсте из синтетического волокна, т.е. в диэлектрической среде (патент РФ 2199806, МПК D04H 1/46, H01Q 17/00, опубл. 27.02.2003 г.).
Недостатки известного технического решения - низкая прочность и атмосферостойкость материала, недостаточная защита от теплового потока в диапазоне температур 40-110°C, что ограничивает применение этого материала поглощающего в качестве тепловой маскировки объектов.
Сущность предложения
Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, - получение материала поглощающего с высокими теплозащитными характеристиками в интервале температуры 40-110°C, защищенного от воздействий атмосферных факторов и работоспособного в диапазонах длин волн ЭМИ: 3-14 мкм и 0,4-15 см.
-3
Поставленная задача решается тем, что волокнистый поглотитель электромагнитного излучения, включающий по меньшей мере два внутренних слоя из смеси диэлектрических и электропроводящих углеродных волокон, механически скрепленных между собой иглопрокалыванием, согласно изобретению изготовлен из смеси диэлектрических и электропроводящих углеродных волокон, в которой в качестве электропроводящих углеродных волокон используется углеродное волокно с удельным объемным электрическим сопротивлением от 1,5·10 до 1,0 Ом·см, отклонение от среднего значения содержания углеродного волокна в 1 г смеси не превышает 5 мас.%, поглотитель дополнительно содержит два внешних слоя прорезиненной ткани, которые по краям герметично между собой склеены или соединены двусторонней липкой лентой.
Внутренние волокнистые слои из смески диэлектрических и электропроводящих (углеродных) волокон получают следующим образом. После подготовки навески компонентов разделяют углеродные волокна на клочки по 0,5÷1,0 г и выкладывают на диэлектрическое волокно. Затем проводят грубое рыхление с контролем массы клочков углеродного волокна в смеске волокон, добиваясь уменьшения их массы до 0,01 г. После этого проводят тонкое рыхление и расчесывание смески, фиксацию структуры холста и дублирование путем прокалывания иглами.
Поставленная задача решается тогда, когда грубое рыхление проводит к уменьшению массы клочков углеродного волокна до 0,01 г.
2
Для приготовления смески диэлектрических и электропроводящих (углеродных) волокон используют 0,5-15 мас.% углеродного волокна. Формирование нетканого холста осуществляют из смески волокон с поверхностной плотностью 100-150 г/м.
-2
-2
Фиксацию структуры холста и дублирование осуществляют одновременно путем прокалывания иглами с плотностью пробивки сверху 5-20 см, снизу 20-100 см.
Прокалывание дублируемых холстов иглами производят насквозь в направлении, перпендикулярном плоскости холста, навстречу друг другу.
Дублируемые холсты последовательно укладывают на одну сторону первого холста. При нанесении каждого последующего слоя пакет скрепленных холстов прокалывают на всю толщину. Пакет скрепленных волокнистых холстов размещают между слоями прорезиненной ткани, устойчивой к атмосферным воздействиям, например обшивочной ткани УНКЛ-АС (ТУ 2566-096-00209600) или (УНКЛ-Т ТУ 2566-068-00209600).
Изобретение иллюстрируется схемами устройства материала, схемой установки для проведения испытаний теплозащитных свойств материала и примерами изготовления материала.
Фиг.1. Устройство волокнистого поглотителя: 1 - двухслойный нетканый материал; 2 - прорезиненная ткань.
Устройство поглотителя связано со способом его получения. Дублируемые волокнистые холсты последовательно укладывают на одну сторону первого холста. При нанесении каждого последующего слоя пакет скрепленных холстов прокалывают на всю толщину. Пакет скрепленных волокнистых холстов размещают между слоями прорезиненной ткани.
Фиг.2. Схема установки для измерения яркостной температуры:
3 - блок терморегулятора программируемый БТП-78;
4 - термокамера ТК-500;
5 - элемент чехла;
6 - контактный термометр ТК-6 с термопарой;
7 - компьютерный термограф Иртис-2000С.
Измерение яркостной температуры при испытании теплозащитных свойств волокнистого поглотителя осуществляют следующим образом. Образец поглотителя закрепляют на нагревательном элементе, нагретом до заданной температуры. В качестве нагревательного элемента используется термокамера ТК-500 в комплекте с программируемым блоком терморегулятора БТП-78. Температуру на границе раздела - тыльная сторона защитного материала - нагревательный элемент, контролируют контактным термометром ТК-6.
Значения яркостной температуры (в диапазоне длин волн электромагнитного излучения 3-5 мкм) внешней стороны защитного материала сканируют портативным компьютерным термографом Иртис-2000С в течение определенного времени.
При проведении измерений выполняют следующие требования:
- температура нагревательного элемента 100°C;
- плотное прилегание элемента защитного материала к нагревательному элементу.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример 1. Волокнистый поглотитель электромагнитного излучения, включающий два внутренних слоя из смеси диэлектрических и электропроводящих углеродных волокон и два внешних слоя из прорезиненной ткани. Внутренние слои состоят из смески штапельных полиэфирных и углеродных волокон. Два внешних слоя прорезиненной ткани выполнены из обшивочного материала марки УНКЛ-АС (ТУ 2566-096-00209600). Образец волокнистого поглотителя ЭМИ получают следующим образом. Измеряют удельное объемное электрическое сопротивление нескольких образцов (партий материала) штапельных углеродных волокон идентичного состава, отбирают партию волокна со значением указанного сопротивления, равным 4,0±1,2·10-2 Ом·см. Развешивают компоненты: штапельное полиэфирное волокно и углеродное волокно в соотношении, обеспечивающем получение концентрации углеродных волокон в смеске 3 мас.% соответственно. Резаное (штапельное) полиэфирное волокно 0,33 текс имеет следующие параметры: диаметр 10÷15 мкм и длину 3÷3,5 см. Резаное углеродное волокно марки "Углен-9" характеризуется диаметром 5÷10 мкм и длиной 3÷3,5 см.
На ленту транспортера выгружают полиэфирное волокно и вручную раскладывают углеродное волокно на полиэфирное в виде клочков массой 0,5÷1,0 г. Проводят грубое рыхление смески при скорости движения транспортера 0,2 м/мин с контролем массы клочков углеродного волокна в объеме полиэфирного. Для контроля состава смески в процессе рыхления отбирают пробы из 15÷20 клочков и определяют их среднюю массу. Средняя масса одного клочка не должна быть больше 0,01 г. В случае несоответствия данного параметра грубое рыхление повторяют снова. Среднее время грубого рыхления составляет 20 минут.
Для дальнейшего разделения клочков волокнистой массы на более мелкие структурные элементы и перемешивания их между собой проводят рыхление волокон в тонком рыхлителе. Смеску волокна после тонкого рыхления подают по волокнопроводу в накопитель перед чесальным агрегатом. Из накопителя волокнистая масса поступает в чесальную машину для ее разъединения на отдельные волокна и обеспечения равномерной и бесперебойной подачи в разъединенном состоянии на этап формирования холста. Степень разъединения (расчесывания) и смешения волокон регулируют путем изменения скорости вращения рабочих органов чесальной машины (заменой съемных звездочек и шкивов) и разводки между главным и съемно-чешущими валками.
2
В процессе формирования нетканого холста осуществляют съем волокон со съемно-чешущего вала, транспортирование их во взвешенном состоянии в воздушном потоке в камеру аэродинамической приставки для формирования холста и осаждение волокон на воздухопроницаемой несущей поверхности в виде волокнистого холста (слоя) с хаотическим расположением волокон в материале с поверхностной плотностью 100 г/м.
-2
-2
Поверхностную плотность изменяют регулированием скорости движения транспортерного полотна при постоянной производительности чесальной машины. После формирования холста осуществляют его дублирование и фиксацию структуры двух внутренних слоев материала двухсторонней пробивкой иглами на двухголовочной иглопробивной машине марки "Окума". Плотность пробивки сверху 7 см, снизу 22 см.
Соединенные волокнистые слои размещают между слоями прорезиненной ткани УНКЛ-Т, которые затем герметично склеивают между собой по периметру слоистой конструкции.
Для оценки поглощающих свойств образец материала накладывают на электропроводящую поверхность и измеряют коэффициент отражения электромагнитного излучения от частоты в диапазоне от 3,5 до 37,5 ГГц по стандартной методике. Коэффициент отражения электромагнитного излучения от частоты во всем диапазоне не превышает величины, равной 0,1.
Образец поглотителя закрепляют на нагревательном элементе, нагретом до температуры 100°C. В качестве нагревательного элемента используется термокамера ТК-500 в комплекте с программируемым блоком терморегулятора БТП-78. Температуру на границе раздела - тыльная сторона волокнистого поглотителя - нагревательный элемент, контролируют контактным термометром ТК-6.
Значения яркостной температуры (т.е. тепловое излучение в диапазоне длин волн электромагнитного излучения 3-5 мкм) внешней стороны защитного материала сканируют портативным компьютерным термографом Иртис-2000С в течение определенного времени. Результаты определения тепломаскирующих и теплоизолирующих свойств приведены в таблице 1.
-2
2
Пример 2. Волокнистый поглотитель электромагнитного излучения примеру 1, но содержащий углеродное волокно, характеризующееся удельным объемным электрическим сопротивлением, равным 8,0±1,5·10 Ом·см, и концентрацией в трех внутренних слоях 15 мас.% с поверхностной плотностью 100 г/м накладывают на электропроводящую поверхность и измеряют коэффициент отражения электромагнитного излучения от частоты в диапазоне от 3,5 до 37,5 ГГц по стандартной методике. Коэффициент отражения электромагнитного излучения от частоты во всем диапазоне не превышает величины, равной 0,05. Результаты определения тепломаскирующих и теплоизолирующих свойств приведены в таблице 1.
Пример 3. Волокнистый поглотитель электромагнитного излучения по примеру 2, но с внешними защитными слоями из прорезиненной ткани УНКЛ-Т (ТУ 2566-068-00209600), которые герметично соединены между собой по периметру двухсторонней липкой лентой на тканевой основе марки 3 М шириной 30 мм.
Значения яркостной температуры на внешней поверхности волокнистого поглотителя, покрывающего нагретый элемент, и коэффициент отражения им электромагнитного излучения приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения средней яркостной температуры образца внешней поверхности материала в диапазоне длин волн 3-5 мкм при его нагреве со стороны внутренней поверхности * и коэффициент отражения электромагнитного излучения
Время, мин
Температура внешней поверхности (Т<sub>ярк</sub>, °C)
Пример 1
Пример 2
Пример 3
1
25,3
25,5
27,6
30
32,4
32,7
34,3
60
33,6
33,9
34,5
120
34,9
34,7
35,7
180
34,8
34,7
35,6
Коэффициент отражения электромагнитного излучения
0,1
0,05
0,07
* - При проведении измерений температура нагретого элемента 100°C, температура окружающей среды равна 23°C, влажность 60%
Как следует из таблицы 1, применение волокнистого поглотителя позволяет заметно снизить наблюдаемую снаружи яркостную температуру нагретых объектов, при этом различие яркостных температур на разных поверхностях волокнистого поглотителя сохраняется значительное время, а коэффициент отражения им электромагнитного излучения достаточно мал и составляет 0,05÷0,1.