Необходимость разработки новых методов мониторинга защитных свойств материалов вызвана тем, что в настоящее время все более актуальными становятся задачи оценки и прогнозирования остаточного ресурса изделий, ответственного за здоровье и работоспособность на производстве [6]. Непосредственный контакт с сырой нефтью, пониженные температуры и риски возгорания для отраслей топливно-энергетического комплекса относят к наиболее значимым факторам, побуждающим искать новые эффективные научные решения по совершенствованию методов промышленного проектирования специальной одежды, выполненной из различных материалов, сформированных в теплозащитный пакет. Однако практика показывает, что из-за загрязнений нефтью потеря защитных свойств специальной одежды, изготавливаемой до настоящего времени на базе установленных требований государственных стандартов 80-х гг. ХХ века, не предусмотрена в полной мере.
Проникновение нефти в пакет материалов одежды и модификация утеплителя могут менять его первоначальные теплозащитные свойства. Интенсивность проникновения нефти в структуру утеплителя существенно влияет на общий защитный эффект пакета материалов. При этом в случае возникновения условий её воспламенения сами материалы и пакеты из них представляют собой не только источник защиты от холода, но и средство для снижения уровня горения одежды. Такую защитную функцию обеспечивают не только ткани верха, но и внутренняя структура пакета в одежде.
Одними из самых устойчивых к огню являются признанные во всём мире арамидные волокна. Под воздействием высоких температур на поверхности арамидной ткани образуется прочный карбонизированный слой, изолирующий тело человека от опасного воздействия. Термозащитные свойства этих тканей не меняются с течением времени, так как обусловлены молекулярной структурой волокон. Основой этих волокон является синтетический параарамид «кевлар» [5].
Изделия из таких волокон выпускают зарубежные и отечественные производители: волокна Номекс (Nomex)® - производственная компания «Дюпон», нити «Аримид», «Пион», «Твим» - ООО «Лирсот», «Русар», СВМ – ОАО «Каменскволокно». Их ресурсы и перспективы использования представляют собой интерес для повышения термостойкости одежды путём модификации пакета её материалов, что обосновывает ряд специальных исследований свойств таких модифицированных пакетов и разработки рекомендаций для проектирования специальной нефтезащитной одежды [3]. Поэтому синтетическое волокно кевлар предложено в качестве сырья для модификации внутреннего слоя пакета материалов нефтезащитной одежды, представленного на рисунке 1.
Рис. 1. Схема теплозащитного пакета материалов для утеплённого нефтезащитного костюма с модифицированным утеплителем
В этом плане был исследован модифицированный пакет материалов, состоящий из синтетического нетканого утеплителя и арамидного волокна кевлар.
Для выявления зависимости теплопроводности модифицированного пакета материалов от нефти были проведены исследования коэффициента теплопроводности по ГОСТ 12.4.185-99 [1] утепляющих материалов, в качестве которых использовали холофайбер (200 г/м2).
Для исследования теплозащитных свойств [4; 7] с целью определения коэффициента теплопроводности была проведена серия экспериментов с помощью измерителя теплового потока ИТП-МГ4.03 «Поток». Исходя из условий будущей эксплуатации исследовался тепловой поток, проходящий через датчик на чистых образцах утеплителя и загрязненных нефтью.
Учитывая особенности структуры нефти, как вязкого вещества (вязкость 0,0086 Па·с при нормальных условиях) [2], была определена зависимость коэффициента теплопроводности утеплителя от содержания нефти и температуры. На рисунке 2 представлены результаты сравнительного акустико-эмиссионного анализа устойчивости холлофайбера и модифицированного утеплителя к проникновению нефти.
Рис. 2. Зависимость теплопроводности различного состава синтетического утеплителя от массовой доли нефти
Из рисунка 2 видно, что наличие нефти в структуре утеплителя приводит к повышению теплопроводности защитного слоя одежды. При этом не менее важно оценить в это же время и влияние самого модифицирующего волокна кевлар на теплопроводность утеплителя, подвергающегося воздействию нефти. Внедрение кевлара в структуру холлофайбера изменяет теплозащитные характеристики всего модифицированного утеплителя. Для определения оптимального количества кевлара, добавляемого в утеплитель, исследовалась зависимость его теплозащитных характеристик от его массовой доли (рис. 3). Из графика видно, что добавление кевлара более 300 г/м3 увеличивает показатель теплопроводности, что ухудшает основную защитную функцию утеплителя.
Рис. 3. Зависимость теплопроводности от массовой доли кевлара в структуре холлофайбера
Для установления комплексного влияния таких факторов, как масса кевлара и нефти на теплозащитные характеристики утеплителя, проведён ряд экспериментальных исследований. В результате обработки этих данных построена интерполяционная математическая модель и получена поверхность отклика (рис. 4), чтобы спроектировать результат с требуемой точностью во всех точках некоторой заранее заданной области. Результаты эксперимента подтверждают, что увеличение массы впитанной нефти и внесённого кевлара приводит к увеличению оптимизируемого параметра – коэффициента теплопроводности, т.е. к снижению теплового сопротивления модифицированного пакета материалов.
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности модифицированного утеплителя от доли кевлара и нефти
С целью определения норм модифицирующего наполнителя в структуре объемного синтетического утеплителя (на примере холлофайбера) по ГОСТ 26464 – 85 были проведены экспериментальные исследования, позволившие установить основной интервал доли кевлара в утеплителе, который составил 30 ± 3 г/м3. Такое количество кевлара практически не меняет толщину, пористость и плотность пакета материалов (менее 1%), что свидетельствует о постоянстве объема воздуха, наличие которого обосновывает величину теплового сопротивления утеплителя.
Установлено, что при добавлении арамидного волокна кевлар в синтетический утеплитель интенсивность впитывания нефти снижается, увеличивая стабильность воздушной прослойки в одежде. То есть можно сделать вывод, что кевлар в составе традиционного синтетического утеплителя - не только средство повышения термостойкости (огнестойкости) одежды, но и способ повышения стабильности ее теплозащиты.
Как показывает график, введение кевлара в структуру холлофайбера не приводит к повышению теплопроводности утеплителя, сохраняя его теплозащитные свойства, увеличивая при этом его термостойкие свойства. При этом поглощение нефти утеплителем приводит к его значительному повышению теплопроводности, что необходимо учитывать при разработке усовершенствованной методики расчёта параметров конструкции нефтезащитной утеплённой одежды, где её толщина в главной степени определяет уровень эффективности теплозащиты.
Таким образом, установлено, что поглощение нефти утеплителем приводит к значительному повышению его теплопроводности, что необходимо учитывать при разработке усовершенствованной методики расчёта параметров конструкции нефтезащитной утеплённой одежды, где её толщина в главной степени определяет уровень эффективности теплозащиты. Экспериментально установленные зависимости теплопроводности синтетического модифицированного объёмного утеплителя от массовой доли нефти и кевлара в его объёме и структуре позволили оценить динамические изменения теплофизических свойств теплозащитной одежды.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки по гранту (№ 14.В37.21.1247).
Рецензенты:
Бринк И.Ю., д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Моделирование, конструирование и дизайн», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты.
Алиева Н.З., д.ф.н., доцент, профессор кафедры «Естественно-научные дисциплины», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты.