CC BY
68
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ФИЛЬТРУЮЩЕ-СОРБЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Генис Александр Викторович
д-р техн. наук, заместитель директора по научной работе, Всероссийский научно-исследовательский институт синтетического волокна, РФ, г. Тверь
E-mail: kuznetsov. vniisv@mail. ru Синдеев Анатолий Алексеевич заведующий нучно-производственным отделением нетканых материалов, Всероссийский научно-исследовательский институт синтетического волокна,
РФ, г. Тверь E-mail: kuznetsov. vniisv@mail. ru Кузнецов Александр Владимирович ведущий научный сотрудник сектора наполненных нетканых материалов, Всероссийский научно-исследовательский институт синтетического волокна,
РФ, г. Тверь E-mail: kuznetsov. vniisv@mail. ru Идиатулов Рафет Кутузович заведующий сектором наполненных нетканых материалов, Всероссийский научно-исследовательский институт синтетического волокна, РФ, г. Тверь
E-mail: kuznetsov. vniisv@mail. ru
STUDY OF PROTECTIVE PROPERTIES OF COMPOSITE FILTERING-SORPTION MATERIALS
Alexander Genis
doctor of Sciences, Deputy Director for Science, All-Russian Scientific Research
Institute of Synthetic Fiber, Russia, Tver
Anatoly Sindeev
head science-production department nonwovens, All-Russian Scientific Research
Institute of Synthetic Fiber, Russia, Tver Alexander Kuznetsov
leading Researcher sector filled nonwovens, All-Russian Scientific Research Institute
of Synthetic Fiber, Russia, Tver Rafet Idiatulov
head of Sector filled nonwovens, All-Russian Scientific Research Institute of Synthetic
Fiber, Russia, Tver
АННОТАЦИЯ
Целью данного исследования является оценка защитных свойств инновационных композиционных фильтрующе-сорбционных материалов, полученных способом аэродинамического формования. Для оценки защитных свойств таких материалов было проведено тестирование, применяемое для определения показателей качества средств индивидуальной защиты органов
Created by DocuFreezer | www.DocuFreezer.com |
дыхания и кожи. Показана высокая эффективность использования данных видов фильтрующе-сорбционных материалов, что позволяет применять их в указанной области.
ABSTRACT
The aim of this study was to evaluate the protective properties of innovative composite filtering-sorption materials prepared by the method of aerodynamic forming. To evaluate the protective properties of these materials were tested, used for the determination of quality personal protective equipment respiratory system and skin. The high efficiency of the use of these types of filtering-sorption materials, which allows their use in this area.
Ключевые слова: ультратонкий полипропилен; угленаполненный материал; композиционный материал; аэродинамическое формование.
Keywords: ultra-thin polypropylene; charcoal containing material; composite material; aerodynamic forming.
Для создания новых более совершенных средств защиты человека от воздействия вредных факторов окружающей среды необходимы современные технологии и материалы. К последним могут быть отнесены волокнистые фильтрующе-сорбционные нетканые материалы, полученные способом аэродинамического формования из полимерных расплавов и растворов.
Среди многообразия способов получения нетканых материалов наиболее перспективным по своим технико-экономическим показателям является аэродинамический способ формования волокнистых материалов из расплавов и растворов полимеров. Преимущество этого способа состоит в возможности объединения операций формования и вытягивания элементарных нитей, сокращение трудоемких технологических стадий и переходов при переработке волокон и холстообразований и, наконец, в возможности формирования готовых изделий [3, с. 63].
Принципиальная схема формования аэродинамическим способом, включающая основные стадии получения нетканых материалов из расплавов и растворов различных полимеров, приведена на рисунке 1 [5, с. 47].
Полученные способом аэродинамического формования нетканые материалы могут быть использованы в качестве фильтрующих и сорбционных материалов за счёт большой площади поверхности и высокой пористости. Формование растворов сополимера акрилонитрила (СПАН) или полиуретана (ПУ), содержащих в качестве наполнителя активированный уголь, даёт возможность дополнительно получать материалы с высокой сорбционной активностью, а полученный из расплава полипропиленовый нетканый материал (ППНМ), состоящий из тонких и ультратонких волокон, позволяет использовать его в качестве высокоэффективного фильтрующего материала.
Формование ш расплава Формование ш раствора
Загрузка гранулята Приготовление раствора полимера необходимой вязкости и концентрации
1
Экструзионная переработка полимера (плавление, дозирование расплава и подача к формовочному блоку)
г
Дозирование раствора и подача к формовочному блоку
г
Формование струи расплава в зоне защитной (обогреваемой) шахты Аэродинамическое вытягивание струй раствора в нити
г
Аэродинамическое вытягивание струй расплава в нити Осаждение полимера в осадительной ванне
г
Раскладка нитей и формование холста на приёмном устройстве Раскладка нитей и формование холста на приёмном устройстве
Рисунок 1. Принципиальная схема способа аэродинамического формования
из полимерных расплавов и растворов
За счёт комбинации нетканых материалов на основе СПАН, ПУ и ППНМ были получены новые композиционные материалы, сочетающие в себе фильтрующие и сорбционные свойства.
Композиционный фильтрующе-сорбционный пакет представляет сбой два и более склеенных между собой слоёв нетканого материала (рисунок 2) [6, с. 165]. Снаружи в качестве подкладочного материала используется дублерин, необходимый для усиления полученного композиционного материала и его драпируемости. Материалы используемые в качестве слоёв и их характеристики приведены в таблице 1.
ВСАМ или ВУМ
ППНМ из тонких или улыраюн км\ волокон
Рисунок 2. Схема пакета композиционного фильтрующе-сорбционного
материала
Для придания новому композиционному материалу высоких сорбционных свойств использовался слой волокнистого сорбционно-активного материала (ВСАМ) на основе СПАН, либо волокнистый угленаполненный материал
(ВУМ) на основе СПАН и ПУ. Последний применяется в качестве эластомерной добавки для улучшения физико-механических свойств нетканого холста. Оба этих материала являются угленаполненными с содержанием активированного угля порядка 50% от массы. Фильтрующие свойства композиционному материалу придаёт полипропиленовый нетканый материал (ППНМ) состоящий из тонких и ультратонких волокон.
Таблица 1.
Характеристики материалов входящих в состав пакетов
№ образ ца Состав и тип образца Поверхн остная плотнос ть, г/м2 Толщи на образца , мм Воздухоп роницаем ость, дм3/(м2 •сек) Сопротив ление воздушно му потоку, Па Диаме тр волок он, мкм
ВСАМ
1 (СПАН+угол ь исходный 300±30 2,7±0,3 210±30 3,7±0,3 40—45
ВСАМ 2,85±0, 3
2 (СПАН+угол 300±30 120±18 6,1±0,6 20—25
ь молотый
ВСАМ
3 (СПАН+угол ь исходный 200±20 1,7±0,2 340±51 2,0±0,2 40—45
ВУМ
4 (ПУ+СПАН+ уголь молотый 120±12 0,7±0,0 7 380±57 2,0±0,2 —
ВУМ
5 (ПУ+СПАН+ уголь исходный 120±12 0,6±0,0 6 310±46 2,5±0,25 —
Ш1НМ 2,6— 7,8
6 (каландриров анный) 44,6 0,9 53 13
Ш1НМ 2,6— 7,8
7 (некаландрир 44,6 0,2 170 4
ованный)
8 Дублерин 66 0,2 2268 — —
Ш1НМ 0,03— 0,1 0,5— 2,0
9 (ультратонки й) 200—200 15—1500 3,0—6,0
Задачей данного исследования является оценка защитных свойств композиционных фильтрующе-сорбционных материалов, полученных способом аэродинамического формования. Для оценки защитных свойств таких композиционных материалов могут быть использованы методы, применяемые для определения показателей качества средств индивидуальной защиты (СИЗ).
На основании классификации СИЗ данные материалы могут применяться в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) и средствах индивидуальной защиты кожи (СИЗК). В частности в качестве СИЗОД, представляющих собой легкие противогазовые респираторы в виде воздухопроницаемых масок и полумасок без клапанов вдоха и выдоха. В качестве СИЗК — это легкая одежда фильтрующего типа в виде комбинезонов с капюшоном [1, с. 3].
Основными показателями, определяющими качество СИЗОД по ГОСТам, являются:
• сопротивление воздушному потоку;
• время защитного действия;
• коэффициент проникания через фильтрующую часть СИЗОД. Определение сопротивления воздушному потоку на вдохе проводилось
-5
при расходе постоянного воздушного потока 30 дм /мин [2, с. 16]. Для определения времени защитного действия в качестве тест-вещества использовался циклогексан с концентрацией в паровоздушной смеси 3,5 мг/дм3.
-5
Нормированное проскоковое количество циклогексана 32 мг/м3 [2, с. 14]. Коэффициент проникания определялся как отношение концентрации тест-аэрозоля после его прохождения через фильтр к его концентрации до фильтра. В качестве тест-аэрозоля использовалось парафиновое масло с концентрацией
3 3
23 мг/м , при расходе воздуха пропускаемого через фильтр 95 дм /мин [2, с. 3].
Отечественного стандарта для оценки защитных свойств средств индивидуальной защиты кожных покровов от токсичных веществ в открытом варианте нет. Поэтому, оценивалось время защитного действия по тест-
веществу в отсутствии движения воздушного потока через пакеты материалов и по тест-аэрозолю при минимальном потоке воздуха через пакеты. Это значит, что образцы предполагаемые для использования в качестве СИЗОД испытывались на просос, а образцы предполагаемые для использования в качестве СИЗК испытывались на продув. Результаты испытания пакетов состоящих из фильтрующих и сорбционных слоев представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Результаты испытания пакетов фильтрующе-сорбционных материалов
Пакет матер иалов Номера образцо в входящ ие в пакеты Поверх ностна я плотно сть, г/м2 Макси мально е сопрот ивлени е, Па Время защитного действия, мин Коэффициент проницаемости, %
для СИЗОД для СИЗК
для СИЗОД для СИЗК
Пакет 1 8, 3, 6, 8 483,3 35,3 5,5 — 76,7 —
Пакет 2 8, 1, 7, 8 500,9 41,3 11,0 — 66,7 —
Пакет 3 8, 2, 7, 8 516,1 98,0 16,0 — 66,7 —
Пакет 4 8, 4, 6, 8 318,4 101,3 — более 240 — 15,3
Пакет 5 8, 5, 6, 8 305,2 88,3 — более 240 — 12,2
Пакет 6 8, 7, 2, 7, 8 — — — — 33,3 —
Пакет 7 8, 2, 7, 7, 8 — — — — 26,7 —
Пакет 8 8, 2, 9, 8 — — — — 13,3 —
В пакетах фильтрующе-сорбционных материалов с 1 по 3 в качестве фильтрующего материала используется каландрированный и некаландрированный ППНМ, а в качестве сорбционного материала применяется ВСАМ содержащий активированный уголь с различной тониной помола. Данные пакеты предлагается использовать в качестве СИЗОД. Как видно из результатов испытаний (таблицы 1 и 2) уменьшение тонины помола
активированного угля позволяет повысить время защитного действия пакета материалов, а каландрирование ППНМ приводит к значительному снижению времени защитного действия и повышению коэффициента проницаемости. По своим показателям данные пакеты не соответствуют общим техническим требованиям предъявляемым к СИЗОД по времени защитного действия (класс ЕБЛ1 не менее 70 минут) и по проницаемости (класс ЕЕГазР1 не более 20 %) [2, с. 3].
В пакетах фильтрующе-сорбционных материалов с 4 по 5 в качестве сорбционного материала вместо ВСАМ использовался ВУМ. Данные пакеты предлагается использовать в качестве СИЗК. За счёт более высоких физико-механических свойств ВУМ лучше подходит для изготовления СИЗК. В этих пакетах используется ВУМ содержащий активированный уголь с различной тониной помола, однако, из результатов установлено, что помол угля практически не влияет на свойства материала. По своим показателям данные пакеты соответствую общим техническим требованиям предъявляемым к СИЗК.
Пакеты материалов с 6 по 7 содержат не четыре, а пять слоёв. Помимо двух слоёв дублерина пакет содержит один слой сорбционного и два слоя фильтрующего материала расположенных в разной последовательности. Добавление второго слоя ППНМ даёт уменьшение коэффициента проницаемости в два раза, причём, два подряд расположенных слоя ППНМ дают ещё меньшее значение коэффициента проницаемости, чем слои расположенные через один.
В состав пакета 8 в качестве фильтрующего материала входит ППНМ содержащий ультратонкие волокна. Как видно из таблицы 2 этот новый материал позволяет получить самое низкое значение коэффициента проницаемости, отвечающее техническим требованиям [2, с. 3]. Происходит это за счёт того, что при уменьшении диаметра волокна увеличивается коэффициент захвата, снижается перепад давления и, следовательно, увеличивается критерий качества фильтра [4, с. 101]. Таким образом, ППНМ
состоящий из ультратонких волокна обладает более высокой эффективностью улавливания субмикронных аэрозольных частиц при одинаковом сопротивлении воздушному потоку по сравнению обычными фильтрами.
Сравнивая результаты испытаний пакетов композиционных фильтрующе-сорбционных материалов с требованиями, предъявляемыми к СИЗОД и СИЗК, можно сделать следующие выводы:
• применение активированного угля с уменьшенной тониной помола позволяет увеличить время защитного действия композиционного материала;
• время защитного действия у пакетов с одним слоем ВСАМ недостаточное для использования в СИЗОД, поэтому для его увеличения необходимо использовать два и более слоев угленаполненного материала;
• пакеты композиционных фильтрующе-сорбционных материалов, содержащих в качестве сорбционного материала слой ВУМ, по своим показателям соответствую общим техническим требованиям предъявляемым к СИЗК;
• использование в качестве фильтрующего материала слоя ППНМ состоящего из ультратонких волокон позволяет получить композиционный материал с наименьшим для СИЗОД коэффициентом проницаемости.
Список литературы:
1. ГОСТ 12.4.011-89. Система стандартов безопасности труда. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация. М., 2004, — 8 с.
2. ГОСТ Р 12.4.192-99. Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Полумаски фильтрующие с клапанами вдоха и несъемными противогазовыми и (или) комбинированными фильтрами. Общие технические условия. М., 1999, — 27 с.
3. Идиатулов Р.К., Некрасов Ю.П., Генис А.В. Влияние эластомерных добавок на получение и свойства наполненных волокнистых материалов,
формуемых из растворов полимеров // Химические волокна. — 2011. — № 1. — С. 63—66.
4. Кирш А.А., Будыка А.К., Кирш В.А. Фильтрация аэрозолей волокнистыми материалами ФП // Российский Химический журнал. — 2008. — № 5. — С. 97—102.
5. Рысюк Б.Д., Генис А.В. Направления работ КЭМЗ «Стенд» и ВНИИСВа по созданию оборудования для производства волокнистых нетканых материалов // Химические волокна. — 1992. — № 4. — С. 47—54.
6. Das D., Pourdeyhimi B. Composite Nonwoven Materials. Cambrige: Woodhead Publishing is an imprint of Elsevier, 2014. — P. 253.
