II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
РАЗРАБОТКА ОГНЕСТОЙКИХ СОСТАВОВ ДЛЯ ПРОПИТКИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ КОСТЮМОВ ПОЖАРНЫХ И СПАСАТЕЛЕЙ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Оглавление
Введение 3
Спецодежда для защиты от повышенных температур и открытого огня 4
Огнезащитные пропитки 9
Заключение 15
Список использованных источников и
литературы 17
Введение
В настоящее время основные усилия координационных органов, органов управления и сил единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (далее РСЧС) были направлены на решение задач по дальнейшему совершенствованию защиты населения и территории страны от чрезвычайных ситуаций (далее ЧС) природного и техногенного характера, обеспечение пожарной безопасности.
Боевая работа спасательных формирований по ликвидации последствий ЧС осуществляется в специальной одежде, предохраняющей спасателей от негативного воздействия активных сред и применения средств индивидуальной защиты личного состава [1].
Актуальность темы научной работы заключается в необходимости повышения уровня защищенности личного состава от негативного воздействия активных сред при проведении аварийно-спасательных работ.
Целью выполнения исследования является разработка новых средств для повышения эффективности защищенности личного состава от негативного воздействия активных компонентов при проведении аварийно-спасательных работ.
Объектом исследования является эффективность средств индивидуальной защиты личного состава аварийно-спасательных формирований.
Предметом – боевая одежда спасателей и пожарных и степень обеспечения защищенности личного состава во время проведения аварийно-спасательных работ.
-
Спецодежда для защиты от повышенных температур и открытого огня
Огнезащитная спецодежда необходима для пожарных и спасателей, а также для работников нефтегазовой отрасли, сварщиков, металлургов и военных. Применение огнестойкой спецодежды требуется на большинстве рабочих мест, где присутствует потенциальная опасность возникновения пожара, взрыва, ожогов при контакте с расплавленным металлом. Материалы для пошива спецодежды должны не только обеспечить необходимую защиту, но и создать комфортные условия носки.
Отечественная текстильная промышленность выпускает ткани с огнезащитными свойствами, которые обеспечиваются на стадии отделки следующими способами:
- нанесением на ткань веществ, которые при температуре горения разлагаются с выделение негорючих газов;
- образованием на ткани негорючей плёнки, защищающей волокно при горении от контакта с воздухом;
- химическим преобразованием функциональных групп волокна для повышения устойчивости макромолекулярных цепей к термическому расщеплению.
Сегодня на многих предприятиях используются средства индивидуальной защиты, не соответствующие предъявляемым к ним требованиям по защитным свойствам. И обусловлена эта ситуация не только ограниченностью финансовых средств на их приобретение у организаций, но и недостаточной информированностью о возможностях современных средств индивидуальной защиты.
Защитный костюм, во-первых, должен обеспечивать комфортную работу и удобство в эксплуатации. Во-вторых, спецодежда должна сохранить жизнь и максимально снизить риск нанесения вреда здоровью человека не только в случае промышленной аварии, но и при выполнении обычных ежедневных работ. В-третьих, и сама спецодежда в экстремальных условиях не должна становиться источником опасности, который может усугубить отрицательное воздействие на человека.
Боевая одежда пожарных - самая распространённая специальная защитная одежда. В её комплект входят капюшон, напульсники, водозащитный клапан, отличительные и ранговые элементы из люминесцентных материалов для лучшей ориентации и обнаружения людей в условиях плохой видимости.
Специальная защитная одежда пожарного изолирующего типа отличается особо бережной защитой кожных покровов человека от неблагоприятных факторов окружающей среды (таких, как пыль, сильно действующие ядовитые вещества, газо-воздушные смеси, в том числе имеющие в своём составе газообразный хлор, водные растворы щелочей, кислот и т. д.), которые так губительны для человеческого организма. Вышеуказанная одежда бывает двух видов: костюмы, используемые для тушения пожаров и ликвидаций последствий аварий на местах атомной энергетики, где на человека может действовать ионизирующее излучение и термоагрессиво - стойкая одежда, предохраняющая пожарного от возможных воздействий химически вредных веществ и материалов. Это, пожалуй, единственная из всех видов защитных одежд, подразумевающая в качестве наружной оболочки герметичный скафандр, полностью изолирующий от соприкосновений с внешней средой. Также подобную одежду можно использовать для ликвидации всевозможных катастроф.
Защитная спецодежда должна быть огнестойкая, антистатичная, а для ряда специальностей иметь защиту от сырой нефти. В России большой выбор огнестойких антистатических тканей. Раньше вся одежда выпускалась из брезента и винилискожи Т (что означает "трудно воспламеняющаяся"). Теперь же к вышеперечисленным можно добавить специально разработанные огне- и термостойкие материалы и ткани (такие, как фенилон, терлон, оксалон и другие).
Ткань Indura фирмы Westex состоит на 100% из хлопка. Благодаря специальной технологии во внутрь каждого хлопкового волокна на молекулярном уровне интегрируется огнестойкий полимер. Это позволяет добиться такой же устойчивости к огню, как у синтетических материалов, при сохранении высоких гигиенических свойств. Для изготовления этой ткани используется высокопрочная пряжа кольцевого прядения.
К новым разработкам фирмы относится ткань InduraUltraSoft, представляющая собой материал, состоящий на 88% из хлопка и на 12% из нейлона. Она отличается еще более высоким сроком службы, приятным мягким грифом, дополнительной защитой от огня и электрической дуги за счет 12% нейлона. В ее состав входит высокопрочная нейлоновая нить, для которой характерна исключительно высокая устойчивость к истиранию. Процесс ее прядения рассчитан таким образом, чтобы усилить устойчивость поверхности ткани к истиранию и, следовательно, оптимизировать срок службы изделий из этой ткани. Для изготовления Indura и InduraUltraSoft используются светостойкие, прочно связывающиеся с волокном красители. При необходимости эти ткани подвергаются масло-, нефте-, водоотталкивающим пропиткам.
Рабочая одежда из тканей Indura и InduraUltraSoft обеспечивает защиту от выделяемой электрической дугой энергии более 100 ккал/см2, что полностью соответствует установленным требованиям к защите от этой опасности.
Огнестойкие свойства тканей сохраняются после 200 промышленных стирок при температуре 85°С. Гладкое сатиновое переплетение материалов не позволяет каплям раскаленного металла прожигать их, т. к. они скатываются с них.
Огнестойкие текстильные материалы также выпускает компания TenCateProtect (Нидерланды). Она предлагает изготовителям специальной и защитной одежды смесовые ткани, в состав которых входит более 50% огнестойких химических волокон и около 45% хлопка. Эти ткани серии Tecasafe обладают универсальными свойствами. Наряду с огнестойкостью они успешно противостоят действию кислот, нефти, масел, воды и накапливанию электричества и используются в одежде нефтяников, газовиков и энергетиков. Некоторые материалы из этой серии обладают индивидуальными свойствами: TecasafeHydro-control с пленочным покрытием для дополнительной нефте-, масло-, водостойкости, TecasafeStatic-controlcодержит специальное волокно, повышающее антистатичность, и TecasafeSilhoflec с точечным светоотражающим покрытием, которое обеспечивает дополнительную защиту в условиях ограниченной видимости.
Производственная программа TenCateProtect также включает смесовые и хлопчатобумажные ткани серии Proban с огнестойкой пропиткой, используемые для пошива специальной одежды для сварщиков, спасателей, металлургов и рабочих других профессий. Наряду с высоким уровнем защиты, комфортными и гигиеническими свойствами они отличаются невысокой ценой.
Волокно «Номекс®», недавно разработанное компанией DuPont с применением самых современных технологий, является одним из лучших огнестойких и теплозащитных материалов. Области его применения очень разнообразны: в аэрокосмической промышленности, при производстве двигателей, костюмов для пилотов «Формулы-1», средств индивидуальной защиты работников промышленных предприятий, спецодежды для пожарных, нефтяников и газовиков. Защитные свойства «Номекс®» являются неотъемлемой частью самого волокна (это уникальное соединение тепло- и огнеустойчивости волокна, которое является устойчивым к большинству промышленных видов масла, растворителей и химикатов), они «встроены» в его молекулярную структуру, а не являются результатом химической обработки или внесения добавок. Данная особенность позволяет сохранить огнестойкие и термостойкие характеристики одежды из этого уникального материала в течение всего срока эксплуатации. Среди его особых свойств нужно выделить высокий уровень теплоизоляции даже при экстремальных температурах. Материал не поддерживает горения, не плавится и не образует подтеков в отличие от аналогичных, представленных на рынке материалов.
Принципиально новым подходом к созданию тканей с огнезащитными свойствами является использование химических огнестойких арамидных волокон и нитей в сочетании с огнезащитной отделкой.
Наиболее известными зарубежными представителями арамидных волокон являются:
- пара-арамидное волокно Тварон (Twaron) производства фирмы Акзо Нобель Арамид Продактс (AkzoNobelAramidProducts), Нидерланды, разных модификаций широкого спектра применения;
- арамидные волокна Номекс и Кевлар широкого ассортимента фирмы Дюпон (DuPont) США.
Эти волокна более 25 лет служат законодателем стандартов термической стабильности и огнестойкости, стандартов прочности в агрессивных средах, а также стандартов приятного внешнего вида, лёгкости ухода и долговечности.
Широкие токсилогические и экологические испытания показали, что при обычных условиях обработки и применения волокна из арамидных волокон не токсичны. Эти продукты представляют пренебрежимо малую опасность для здоровья человека и окружающей среды.
Для разработки тканей с огнезащитными свойствами предлагается использовать отечественное арамидное волокно марки «ТВЕРЛАНА», преимуществом данного волокна по сравнению с зарубежными аналогами является более высокий кислородный индекс (35), что характеризует устойчивость волокна к возгоранию. Зарубежный аналог имеет кислородный индекс равный 28.
-
Огнезащитные пропитки
Нанесение на ткань огнезащитного слоя может быть выполнено на месте, без необходимости демонтажа. Одновременно с приданием огнестойкости, пропитки и ЛКМ способствуют умеренному дымообразованию и снижению токсичности.
Проведение работ осуществляется следующим образом:
Огнезащитная пропитка для ткани наносится методом безвоздушного распыления. Предварительно подготавливается раствор с соблюдением необходимых пропорций. Оборудованием для распыления огнезащитного состава для тканей наносят суспензию. Средство выбирают в зависимости от необходимого уровня огнезащиты. Состав сульфата аммония, к примеру, с эффективностью используют для синтетических тканей с высоким уровнем пожароопасности.
Обработке антипиренами подлежат:
-
театральные декорации;
-
материалы из текстиля, расположенные в местах эвакуации и пожарных выходов;
-
спецодежда сотрудников МЧС и сварщиков;
-
тканевые изделия, используемые для оформления учреждений общепита, галерей, мест для курения и других помещений, где используется открытый огонь.
Уменьшение пожарной опасности тканей производится с помощью поверхностной или объемной обработки ткани антипиренами — огнезащитными средствами на основе ингибиторов. Различные виды ингибиторов при нагревании тормозят химические реакции, позволяя снизить или полностью ограничить возможность возгорания ткани. Ингибиторы бывают как гомогенными (на основе йода, фтора), так и гетерогенными (соли щелочных металлов).
Рынок антипиренов достаточно широк и продолжает увеличиваться, содержит тысячи коммерческих продуктов. Этому способствуют не только рост промышленности и внедрение экологических материалов, но и требования регулирующих органов, следящих за нормами пожарной безопасности. Лучшими антипиренами считаются составы на основе диаммония фосфата или фосфорнокислого натрия в смеси с сульфатом аммония, которые при нагревании выделяет окислы фосфора, служащие защитной пленкой. Также популярентригидрат оксида алюминия, являющийся продуктом новейших разработок. Кроме этого, используются бромсодержащие, хлорсодержащие и антипирены на основе оксида сурьмы.
Среди популярных на российском рынке можно выделить антипирены для тканей «Нортекс», «Антал-ТМ» (г. Ижевск), «МС (ткани)», «Асфор-ТМ» и «Огнеза» (г. Санкт-Петербург), «Негорин» (г.Нижний Новгород) и другие.
Огнезащитные пропитки «Нортекс» позиционируются как биопирены для различных видов тканей: шерстяных (Нортекс-Ш), синтетических (Нортекс-С), хлопковых (Нортекс-Х) и ковровых покрытий (Нортекс-КП). «Негорин-Ткань» и «Негорин-Ткань-С» предназначены соответственно для натуральных и синтетических тканей. Аммонийные растворы «МС (ткани)» и «Огнеза» не имеют специализации по видам тканей, однако стоят в полтора раза дешевле.
Огнеупорное плетение ткани. Это углубленная огнезащита тканей, основанная на введении замедлителей горения в состав волокон изделия на стадии производства. Материалы, из которых изготавливается специальная одежда для сварочных работ или сотрудников МЧС, сохраняют постоянные огнезащитные свойства благодаря составу нити, использованию особенного натяжения и рисунка ткани. Подобное противопожарное полотно из огнезащитной ткани также можно использовать в качестве чехлов.
Эффективные средства огнезащиты для ткани должны успешно выполнять следующие задачи:
- недопущение возгорания от сигареты, спички;
- предотвращение распространения пламени по изделию;
-снижение дымовыделения;
- уменьшение токсичности продуктов горения;
- понижение объема выделяющегося тепла;
Эффективность огнезащиты для обработки тканей подтверждается специальными испытаниями. Если срок действия огнезащитной обработки истек, ткань должна быть обработана повторно для восстановления огнезащитных свойств.
В работах [2, 3] придание негорючести хлопчатобумажным или хлопколавсановым полотнам предлагается осуществлять за счет нанесения на их поверхность дискретного поливинилхлоридного покрытия с антипиренами. Однако, огнестойкость таких материалов при воздействии открытого пламени недостаточна и составляет не более 12 с, что может быть объяснено конвективным характером воздействия теплового потока и, как следствие, низкой эффективностью экранирования текстильной основы продуктами разложения дискретного полимерного покрытия. В работе [4] для придания негорючести хлопчатобумажным и хлопколавсановым тканям использован принцип объемной пропитки материала огнезащитным составом из хлорвинилового парафина, сополимера этилена и винилацетата, трехокиси сурьмы, карбоната кальция, окиси цинка и каолина. Однако введение в огнезащитный состав трехокиси сурьмы ограничивает его использование по гигиеническим показателям. Огнестойкость материалов, получаемых с использованием таких композиций, недостаточна. К тому же эти композиции предназначены для хлопчатобумажных и хлопколавсановых тканей и получаемые с их использованием материалы имеют недостаточно высокие физико-механические показатели.
В патенте [5] придание негорючести полиамидным тканям, обладающим высокой стойкостью к истиранию, предлагается осуществлять за счет нанесения на ее поверхность тонкого пленочного покрытия на основе каучука СКТН, придающего материалу не только огнезащитные, но водоупорные свойства. Кроме того, в композицию могут быть введены различные целевые добавки и пигменты. Недостатком этой композиции является ее невысокая стабильность, так как она вулканизуется при комнатной температуре. Стабильность латексного раствора, в зависимости от температуры в помещении, составляет 20…40 мин. Кроме того, покрытие материала, получаемое с использованием этой композиции, обладает низкой устойчивостью к истиранию. Близкое техническое решение описано в работе [6], где композиция для получения огнестойких текстильных материалов включает низкомолекулярный силоксановый каучук СКТН, отвердитель этилсиликат-40 (ГОСТ 26371-74) или тетраэтоксисилан (ТУ 6-02-708-76) и эфир ортотитановой кислоты. Близкое по сущности решение приведено в работе [7], поверхность материала из тканевой основы (капроновых, полиэфирных и хлопковых волокон) обрабатывалась низкомолекулярным силоксановым каучуком, однако существенного снижения огнестойкости текстильного материала не наблюдалось.
Наиболее высокими огнестойкими свойствами обладают материалы на основе неорганических волокон. В патенте [8] предлагается гибкий листовой материал, применяемый в аэрокосмической технике, содержащий керамические волокна из алюмоборосиликата и силиконовую резину на основе полиметилвинилсиликона. Недостатком этого материала является относительно высокая поверхностная плотность и низкая отражающая способность.
В работе [9] приведен материал для тепло- и огнезащитной одежды, содержащий три слоя: волокнистый, герметизирующий и металлосодержащий, причем два последних слоя на основе фторкаучука. Металлосодержащий слой толщиной 10-150 мкм содержит алюминийсодержащий наполнитель. Способ является достаточно трудоемким, и для пропитки нетканого материала неприемлем.
На основе проведенного патентного поиска [2…9] установлено, что основными способами придания негорючести текстильным материалам являются:
- обработка тканей растворами антипиренов на стадии финишной отделки полотна,
- нанесение негорючих (огнестойких) покрытий на поверхность материала.
Основываясь на результатах патентных исследований, в качестве объекта исследования был выбран нетканый материал на основе полиакрилонитрила и поливинилиденфторида и негорючие материалы: аминосилан АГМ-9 по ТУ 6-02-724-77 и фторопластовая дисперсия Ф-4Д по ТУ 6-05-1246-81. Нанесение пропитки осуществляли окунанием полоски нетканого материала в раствор. Сушку образцов проводили при температуре 20ОС. Величину привеса пропитки рассчитывали по разности масс исходного образца материала и массы образца после высушивания. Оценку негорючести материалов проводили с ограничением времени воздействия пламени горелки, равном 12 с [10…11]. На рис.1 приведена фотография вертикального теста на огнестойкость. Основные результаты исследования сведены в таблицу.
|
а) |
б) |
Рис.1. Внешний вид образцов после воздействия пламени с пропиткой АГМ-9 (а) и с пропиткой Ф-4Д (б)
Таблица
Данные по параметрам огнезащитных образцов
|
№ |
Пропитка |
Концентрация раствора, моль/л |
Изменение массы образ-ца, г |
Изменение массы образца, % |
Поверхностная плотность, г/м2 |
Высота выгорания, мм |
Площадь выгорания, мм2 |
Примечание |
|
1 |
Без пропитки |
- |
0 |
0 |
20 |
120 |
930 |
Материал не хрупкий |
|
2 |
АГМ-9 |
0,05 |
0.04 |
6,95 |
30 |
70 |
525 |
|
|
3 |
0,03 |
0.02 |
3,13 |
27 |
90 |
675 |
||
|
4 |
Ф-4Д |
по ТУ |
1,34 |
59 |
88 |
12 |
90 |
|
|
5 |
по ТУ |
0.70 |
31 |
42 |
20 |
170 |
Анализ экспериментальных результатов показывает, что пропитка нетканых материалов аминосиланом АГМ-9 и фторопластовой дисперсией Ф-4Д является эффективным способом повышения негорючести материалов. Высота выгорания образца при использовании аминосилана АГМ-9 снизилась в 1,3 …1,7 раза, при применении дисперсии Ф-4Д в 6…10 раз. Более высокие показатели негорючести нетканого материала, пропитанного Ф-4Д, обусловлены большей долей привеса пропитки.
Заключение
Средства индивидуальной защиты (СИЗ) предназначены для обеспечения безопасных условий работы пожарных и спасателей. Они являются непосредственным барьером между человеком и опасными факторами пожара. К ним предъявляются высокие требования по показателям защиты, эргономики, гигиены, уровню адаптации, эстетики и т. д. Эти требования определяют конструктивное исполнение средств индивидуальной защиты, используемые для их изготовления материалы, ткани и фурнитуру.
Спецодежда для защиты от нефтепродуктов обеспечивает защиту спасателей и пожарных от поражения активными химическими веществами при проведении аварийно-спасательных работ;
Разработка и изготовление спецодежды для защиты от нефтепродуктов осуществляется в соответствии с требованиями государственных стандартов.
Огнезащитная спецодежда необходима для пожарных, работников нефтегазовой отрасли, сварщиков, металлургов и военных. В неё входят одежда пожарного; одежда, защищающая от повышенных тепловых воздействий (теплозащитный костюм, теплоотражательный костюм); специальная защитная одежда изолирующего типа (термоагрессивостойкие костюмы, костюмы для ликвидации аварий на АЭС) и средства защиты рук, ног и головы. Применение огнестойкой спецодежды требуется на большинстве рабочих мест, где присутствует потенциальная опасность возникновения пожара, взрыва, ожогов при контакте с расплавленным металлом.
Эффективность огнезащиты для обработки тканей подтверждается специальными испытаниями. Если срок действия огнезащитной обработки истек, ткань должна быть обработана повторно для восстановления огнезащитных свойств.
Большое практическое значение приобретают материалы с металлическим покрытием. Металлизацию производят распылением расплавленного металла сжатым воздухом осаждением топкого слоя металла на ткани. Эти ткани применяют главным образом для защиты от лучистого тепла. Металлизированные ткани обладают небольшой водопоглощаемостью, воздухопроницаемостью и большой водостойкостью.
Защита материалов от возгорания достигается либо пропиткой ее специальными составами — антипиренами или покрытием огнезащитными красками.
При нагреве антипирены плавятся и покрывают защищаемую поверхность огнезащитной пленкой, преграждающей доступ к ней кислорода, или разлагаются с выделением большого количества негорючих газов (С02, NH3 и др.), оттесняющих воздух от поверхности древесины, или вспучиваются, а затем обугливаются, образуя теплоизолирующее покрытие.
Наиболее распространены огнезащитные составы— на основе фосфата и сульфата аммония, а также буры, борной кислоты и их смесей.
Огнезащитное действие антипиренов обусловлено сочетанием различных физико-химических процессов, происходящих при воздействии огня на древесину. Оно базируется как на плавлении легкоплавких веществ, входящих в их состав (солей борной кислоты, солей фосфорной или кремниевой кислот), так и на разложении веществ, которые выделяют газы, не поддерживающие горение (аммиак, сернистый газ).
Многокомпонентные составы обеспечивают огнестойкость и тепловую защиту, но их производство характеризуется сложностью многостадийной технологии подготовки дорогостоящих ингредиентов и трудоемкостью изготовления из них покрытий. Кроме того, составы неоднородны из-за плохой совместимости структурных элементов, что не обеспечивает достаточных физико-механических свойств составов и показателей по огнестойкости.
Анализ экспериментальных результатов показывает, что пропитка нетканых материалов аминосиланом АГМ-9 и фторопластовой дисперсией Ф-4Д является эффективным способом повышения негорючести материалов.
Список использованных источников и
литературы
1. Аналитическая справка о произошедших ЧС на территории Приволжского федерального округа за 1 полугодие 2015 года.[Электронный ресурс]. Режим доступа www.64.mchs.gov.ru. (дата обращения 25.05.2016).
2. Патент РФ на изобретение №2101407 /Журко А.В., Шаталов Э.В., Дорохов А.М., Холстов В.И., Некраха А.В., Кузьмин А.С.// Огнезащищенный текстильный материал. -1998.
3. Патент РФ на изобретение №2137607 / Журко А.В., Хелевин Р.Н. // Огнестойкий текстильный материал. -1999.
4. Патент США N 4032517/Оскар А. Пикетт, младший, Джон У. Стоддард // Фосфоросодержащие сополиамиды и их волокна. – 1977.
5. Патент РФ № 2203993 на изобретение / Журко А.В., Хелевин Р.Н., Никитин Ю.А. // Огнестойкий текстильный материал. -2003.
6. Патент РФ на изобретение №2265683/ Журко А.В., Хелевин Р.Н., Уткин Г.В. // Композиция для получения огнестойких текстильных материалов.- 22.12.2003.
7. Патент РФ на изобретение №2294414/ Журко А.В., Хелевин Р.Н., Уткин Г.В., Шаталов Э.В., Никитаев С.П., Шеляпин И.П. // Огнестойкий текстильный материал.- 2007.
8. Патент ЕПВ № 0240248 / Дэвид Алан Гримвуд //Огнезащитные материалы -1987.
9. Патент РФ на изобретение №2127537 / Брагин В.И., Протопопов М.С., Гусева И.Б. // Материал для тепло- и огнезащитной одежды и способ получения алюминийсодержащего наполнителя для него. – 05.03.1998.
10. ГОСТ 11209-85. Ткани хлопчатобумажные и смешанные защитные для спецодежды. Технические условия,
11. ГОСТ 15898-70. Ткани льняные и полульняные. Метод определения огнестойкости.