Огнезащищенные полимерные волокнистые материалы для спецодежды

Гришина Оксана Александровна; Бесшапошникова Валентина Иосифовна; Никитина Татьяна Геннадьевна; Куликова Татьяна Владимировна; Луцкова Людмила Валентиновна

УДК 678.5:665.9

О.А. Гришина, В.И. Бесшапошникова, Т.Г. Никитина, Т.В. Куликова, Л.В. Луцкова

ОГНЕЗАЩИЩЕННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СПЕЦОДЕЖДЫ

Описывается технология модификации текстильных материалов с целью снижения горючести фосфорсодержащими замедлителями горения. Изучены физико-механические и эксплуатационные свойства огнезащищенных материалов. Разработаны пакеты огнезащищенной утепленной спецодежды с учетом особенностей ее изготовления.

O.A. Grishina, V.I. Besshaposhnikova, T.G. Nikitina, T.V. Kulikova, L.V. Lutskova FIRE-RESISTANT POLYMER FIBROUS MATERIALS FOR OVERALLS

The modification technology of textile materials aimed at reducing combustibility with phosphorus-containing fire retarded was developed. The physical-mechanical and operating properties of fire-resistant materials were studied in the article. The sets of fire-resistant cold proof overalls and peculiarities of their production were developed.

Огромный интерес к синтетическим волокнам обусловлен тем комплексом свойств, которым они обладают: достаточно высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, высокой упругостью, низким водопоглощением, устойчивостью к атмосферным воздействиям. Их применяют для изготовления изделий бытового (одежда, ковры, напольные покрытия, мебельные и гардинные ткани и др.) и технического (шинный корд, композиционные конструкционные материалы) назначения. Существенным недостатком волокон является горючесть. В большинстве стран мира приняты законы, запрещающие применение горючих текстильных материалов для отделки помещений и транспорта, в производстве некоторых товаров бытового назначения (одежда для пожилых людей, постельное белье и для других целей) и спецодежды. Поэтому проблема снижения горючести полимерных волокнистых материалов имеет первостепенное значение. Улучшение функциональных характеристик текстильных материалов или придание им новых свойств путем модифицирования за счет незначительного изменения или дополнения базовой технологии требует значительно меньших материальных затрат и времени, чем создание принципиально новых видов волокон. Поэтому модификация является одним из основных способов придания полимерным материалам специфических свойств [1, 2].

Цель работы заключается в совершенствовании технологии модификации полимерных волокнистых материалов, обеспечивающей получение текстильных материалов пониженной горючести и их применение в производстве огнезащищенной утепленной спецодежды.

Материалы, используемые для изготовления спецодежды, не всегда отвечают стандартам, что приводит к преждевременному износу спецодежды и снижению надежности защиты человека от вредных производственных факторов [3, 4].

Исследование топографии износа спецодежды сварщика, эксплуатируемой в течение 6 и 12 месяцев показало, что износ начинается на передней части одежды в

области полочек, бортов, рукавов и передних частей брюк в виде сквозных прожогов, масляных пятен, обугленных участков и разрыва ткани. Основными причинами повреждения спецодежды сварщика являются повышенная жесткость и образование заломов и складок, в которых задерживаются расплав металла, а также низкая термо- и огнестойкость материалов. Особенно опасным повреждением являются сквозные прожоги ткани окалиной, так как, разрушив огнезащищенную ткань (ОЗТ) верха, раскаленный металл попадает на неогнезащищенные материалы. Это, в свою очередь, может привести не только к травматизму, в виде легких ожогов, но и к возгоранию спецодежды с более тяжелыми последствиями для здоровья человека. Анализ существующей спецодежды сварщика также показал, что масса утепленной спецодежды приближается к 8,5-10 кг, что вызывает быструю утомляемость человека при ее эксплуатации. Поэтому для устранения выявленных недостатков предлагаем использовать для изготовления спецодежды сварщика пакет из разработанных огнезащищенных материалов (ОЗМ).

В качестве утеплителя предлагается использовать объемный нетканый утеплитель (ОНУ) из полиэфирного волокна линейной плотности 0,84 текс (ТУ 6-13-0204077-92-88). ОНУ для одежды получали на опытно-промышленной линии, включающей в себя операции подготовки волокнистого холста, замасливание с целью снятия статического электричества, чесание и холстоформирование, пропитку волокнистого холста связующим, сушку и термофиксацию, охлаждение полотна и наматывание готового полотна на приемное устройство. В качестве связующего исследовали возможность применения акрилового латекса АК-218-44. Концентрацию раствора связующего изменяли от 5 до 20%. Связующее наносится путем распыления через форсунки распылителей, установленных на каретках и осуществляющих возвратно-поступательное движение. Распыление связующего осуществляется в два приема на входе и выходе сушильной машины, что дает возможность нанесения связующего на обе стороны полотна. Расход связующего регулируется количеством распылителей. Окончательное формирование структуры нетканого полотна происходит во второй сушильной машине. Испытание полученных материалов проводили по стандартным методикам.

Результаты исследований показали, что прочность холста зависит от количества и природы связующего. С увеличением концентрации раствора связующего от 5 до 20%, прочность холста, поверхностной плотности 150 г/м2, возрастает до 13,5 Н (см. рисунок, кр. 1). Максимальная прочность полотна достигается при нанесении 15%-го раствора связующего. Разрывное удлинение составляет 50-47% (см. рисунок, кр. 2). При этом на волокнах в структуре ОНУ удерживается примерно 12,5-13% масс связующего.

Рр, Н; 1_р, %

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

5

10

15 20 25

концентрация раствора АК218-44

Зависимость прочности (1) и удлинения (2) объемного нетканого полотна

от концентрации раствора связующего АК 218-44

Объемный нетканый утеплитель на основе акрилового латекса АК 218-44 характеризуется высокой упругостью, деформации (через 20 мин) полностью обратимы. Несминаемость составляет по длине 90, по ширине 95%, жесткость по длине 10008, по ширине 12011 мкНхм2. ОНУ обладает хорошими теплозащитными свойствами, суммарное тепловое сопротивление 0,39 м2-°С/Вт, при толщине 3,5 мм под давлением 196 Па.

С целью снижения горючести тканей верха и ОНУ, скрепленного акриловым латексом АК 218-44 и термоскрепленного, модификацию осуществляли фосфорсодержащими замедлителями горения (ЗГ): 5%-м раствором фосдиола (ФД), диметилметилфосфоната (ДММР) и метилфосфонамида (Т-2), методом пропитки и пропиткой под воздействием энергии лазерного СО2 излучения (ЛИ) на модернизированной лазерной установке «Комета-2».

Сравнительный анализ значений КИ ОЗМ, модифицированных разными способами, но содержащих одинаковое количество фосфора, табл. 1, показал, что модификация с применением энергии ЛИ является более эффективной и способствует увеличению АКИ почти в 2 раза.

Таблица 1

Сравнительная характеристика свойств ОЗВ

Состав образца, Способ обработки, [С] ЗГ в растворе, % масс Р, % КИ, % об Л КИ, %

76,6 ПЭ + 23,4 Т-2 Пропитка 50 7,4 28 8

76,6 ПЭ + 23,4 Т-2 ЛИ, 5,3Вт/см2, 30 с 3 7,4 35,5 15,5

91 ПЭ + 9 ДММР Пропитка 50 2,25 27,5 7,5

91ПЭ+9 ДММР ЛИ, 5,3 Вт/см2, 10 с 5 2,25 29,5 9,5

76 ПЭ + 24 ФД Пропитка 20 3,24 25,5 5,5

75,9 ПЭ+ 24,1 ФД ЛИ, 5,3Вт/см2, 30 с 5 3,25 41,5 21,5

ДКИ - разность между кислородным индексом модифицированного и исходного полимера

Высокая эффективность модификации с применением ЛИ обусловлена его воздействием на структуру волокна, приводящим к ее упорядочению, о чем свидетельствует возрастание степени кристалличности немодифицированного полиэфирного волокна на 711%, огнезащищенного на 11-20,8%. Кроме того, ЛИ воздействует на надмолекулярную структуру волокна, способствуя повышению активности отдельных звеньев макромолекулы полимера волокна и реакционной способности ЗГ, что приводит к возрастанию количества ЗГ в структуре волокна. Из сравнения значений количества фосфора, полученных с помощью аналитической приставки Link с поверхности волокна и определенных по привесу ЗГ на волокне, видно, что при модификации методом пропитки значения отличаются на 17,3%, а под воздействием ЛИ - на 44,5%, табл. 2. Это может свидетельствовать о том, что при модификации методом пропитки только 17,3% ЗГ проникает в структуру волокна, то есть модификация в основном носит поверхностный характер. ЛИ обеспечивает проникновение ЗГ в структуру волокна.

Таблица 2

Данные анализа содержания фосфора в ОЗВ

Количество фосфора,

Состав Способ %, определено методом Изменение

образцов модификации на приборе Link расчетным, по привесу ЗГ показателей, %

85 ПЭ+15 Т-2 пропитка 3,97 4,8 17,3

76 ПЭ+ 24 Т-2 ЛИ, Wn-5,3 Вт/см2, 30 с 4,26 7,68 44,5

Таким образом, снижение горючести ОЗМ обусловлено не только вводимым ЗГ и содержанием фосфора, но и его распределением в объеме волокна. Разработанная технология модификации с применением энергии ЛИ позволяет получать высокий эффект огнезащиты при модификации из низкоконцентрированных растворов ЗГ.

В качестве мягчителя, для придания мягкого грифа и снижения жесткости тканей, использовали раствор октамона. Определено, что оптимальная концентрация раствора октамона 3%, при этом жесткость ОЗТ снижается на 3-12%, по сравнению с исходной.

Исследование свойств ОЗМ, модифицированных по разработанной технологии с применением ЛИ, табл. 3, подтвердило их соответствие требованиям ГОСТ 12.4.105-81, предъявляемым к материалам для спецодежды сварщика.

Таблица 3

Сравнительная характеристика свойств тканей верха, подкладки и ОНУ для спецодежды

Состав образца, % масс. КИ, % об Мз, г/м2 Жесткость при изгибе, мкНсм2 Рр, Н Исти- рание, циклы

основа/уток осн./уток

Тк. арт. 49702СН (50ПЭ+50Ш) (исходная) 18 377 14427/14173 1490/1280 10843

ОЗТ арт. 49702СТ, 75(ПЭ+Ш)+25Т-2 35,5 502 14386/14068 1560/1320 11279

ОЗТ арт. 49702СФ,76(ПЭ+Ш)+24ФД 32,5 496 13949/13960 1790/1300 11938

ОЗТ арт. 49702СД, 84(ПЭ+Ш)+16ДММР 32,5 448 14309/13991 1500/1300 11869

Ткань арт. 52194, 100 ПЭ (исходная) 19 71 1495/1451 750/610 1570

ОЗТ арт. 52194Т, 80ПЭ+20Т-2 29 88 1097/1115 800/660 1620

ОЗТ арт. 52194Ф, 80 ПЭ+20ФД 31,5 88 1019/1016 810/670 1870

ОЗТ арт. 52194Д, 93 ПЭ+7ДММР 29 76 1429/1120 770/630 1651

Тк. арт. 42966 60ВВ+40ПЭ 19 183 1987/1740 890/720 2150

ОНУ арт. 935577 (100 ПЭ) (исходный) 20 100 8950/10120 10/17 -

ОНУ арт. 935577НТ (76ПЭ+24Т-2) 42 131 8814/10009 12/18 -

ОНУ арт. 935577НФ (76ПЭ+24 ФД) 41 131 8725/9980 12,5/19 -

ОНУарт.935577НД(87ПЭ+13ДММР) 31,5 115 8910/10095 11/17,5 -

ОНУарт.935580 (88 ПЭ+12 АК-218-44) (исходный) 17 100 9356/11235 10,7/18 -

ОНУарт.935580Т (80ПЭ+20Т-2) 29 125 9300/11121 11,3/19 -

ОНУарт.935580Ф (80ПЭ+20 ФД) 27,5 125 9243/11065 12/18,6 -

ОНУарт.935580Д(89ПЭ+11ДММР) 27 112 9298/11109 11,5/19 -

Прочность при разрыве и устойчивость к истиранию по плоскости ОЗТ возрастают на 5-15%, по сравнению с исходной. Воздухопроницаемость основной ОЗТ арт.49702 снижается до 29-31 дм/м-с. Возрастание поверхностной плотности и незначительное снижение воздухопроницаемости свидетельствуют об уплотнении структуры материала в результате модификации. Усадка ОЗТ составляет 1,1-2%. КИ ОНУ термоскрепленных арт. 935577 выше на 4,5-13%, чем арт.935580, скрепленных акриловым латексом АК218-44, за счет высокой горючести последнего. ОЗМ, ткани верха и ОНУ арт. 935577,

характеризуются высоким значением кислородного индекса (КИ) 31,5-42% об и

устойчивостью к воспламенению при действии источника зажигания от 20 до 35 кВт/м2, что относит ОЗМ по воспламеняемости к материалам группы В2, а по горючести к трудносгораемым материалам. Скорость распространения пламени по поверхности образца ОЗМ Т-2 в условиях КИ равна 6,7-10-4 м/с. Гигроскопичность ОЗТ арт. 49702 составляет 8-8,4%, что обеспечит необходимую комфортность пододежного пространства.

Для обеспечения требуемых показателей качества утепленной спецодежды исследовали влияния состава пакета одежды и его толщины на теплозащитные свойства, табл. 4. Установлено, что теплозащитные свойства пакета материалов не зависят от модификации фосфорсодержащими замедлителями горения, а определяются толщиной пакета одежды.

Таблица 4

го

I—

Ф

ш

с

Состав пакета

Толщина, мм, (без давления/ под давлением 196 Па)

Теплопр

оводнос

ть,

Вт/мК

Суммарное

тепловое

сопротивле

ние,

м2К/Вт

Воздухоп

роницаем

ость,

дм3/м2с

1.

1 - ОЗТ верха арт. 49702СТ

2 - ОЗТ арт. 52194 (80ПЭ+20Т-2)

3 - ОЗТ ОНУ арт. 935577НТ (76ПЭ+24Т-2)

4 - ткань арт. 42966 (60ПЭ+40Т-2)

8,41/4,85

0,044

0,191

7,1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2.

1 - ОЗТ верха арт. 49702СТ

2 - ОЗТ арт. 52194 (80ПЭ+20Т-2)

3 - ОЗТ ОНУ арт. 935577НТ (76ПЭ+24Т-2)

4 - ОНУ арт. 933577 (100ПЭ)

5 - ткань арт. 42966 (60ПЭ+40Т-2)

14,95/8,3

0,035

0,427

4,2

3.

1 - ОЗТ верха арт. 49702СТ

2 - ОЗТ ОНУ арт. 935577НТ (76ПЭ+24Т-2)

3 - ОНУ арт. 933577 (100ПЭ)

4 - ткань арт. 42966 (60ПЭ+40Т-2)

14,92/8,05

0,034

0,438

4,0

Увеличение количества слоев ОНУ до двух значительно повышает теплозащитные свойства пакета спецодежды, образцы № 2 и № 3. Воздухопроницаемость пакетов низкая и соответствует нормативным требованиям утепленной спецодежды. Невысокая жесткость и

масса материалов обеспечат большую устойчивость к образованию заломов и складок в местах сгибов, относительно гладкая поверхность (коэффициент тангенциального сопротивления ОЗТ 1,75-1,8) - быстрое удаление расплава металла с поверхности одежды, а высокая степень огнезащиты ткани верха и утеплителя - надежную защиту при эксплуатации спецодежды.

Использование ОЗТ арт. 52194 в качестве слоя простегивания ОНУ позволит избежать проблемы его миграции на лицевую сторону одежды, однако, в целях экономии можно использовать пакет № 3. Предлагаемые пакеты материалов обладают меньшей массой, за счет применения ОНУ поверхностной плотности 100-120 г/м2, что в 3-4 раза меньше ватинов, и не будут вызывать утомляемость человека при эксплуатации спецодежды.

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология модификации текстильных материалов, позволяющая получать высокий эффект огнезащиты при модификации из низкоконцентрированных растворов. Доказано соответствие разработанных огнезащищенных материалов государственным стандартам и обоснована возможность их применения в производстве спецодежды для защиты от повышенных температур и брызг расплава металла.

2. Разработана структура пакетов утепленной спецодежды из огнезащищенных материалов. Установлена взаимосвязь теплозащитных свойств от состава и способа расположения слоев в пакете одежды. Предлагаемое изделие обладает меньшей массой и жесткостью, высокими тепло- и огнезащитными свойствами и комфортностью пододежного пространства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Перепелкин К.Е. Принципы и методы модифицирования волокон и волокнистых материалов / К.Е. Перепелкин // Химические волокна. 2005. № 2. С. 37-51.

2. Айзенштейн Э.М. Производство и потребление полиэфирных волокон. Сегодня и завтра / Э.М. Айзенштейн // Текстильная промышленность. 2003. № 11-12. С. 72-75.

3. Фомченкова С.П. Современные материалы для спецодежды / С.П. Фомченкова // Текстильная промышленность. 2002. № 7. С. 15-17.

4. Принципы выбора тканей для изготовления пожаробезопасной спецодежды / Н.И. Константинова, Н.С. Зубкова, Г.И. Болодьян и др. // Текстильная промышленность. 2002. № 10. С. 19-21.

Гришина Оксана Александровна -

аспирантка, ассистент кафедры «Технология и конструирование швейных изделий» Энгельсского технологического института (филиала)