МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ
МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ
УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ МНС УКРАЇНИ
БОЛІБРУХ БОРИС ВАСИЛЬОВИЧ
УДК 614.842.86–03
УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ОЦІНКИ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ СПЕЦІАЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ ЗАХИСНОГО ОДЯГУ ПОЖЕЖНИКІВ
21.06.02 - Пожежна безпека
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2004
Дисертація є рукописом
Робота виконана у Львівському інституті пожежної безпеки МНС України
Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий
співробітник Мичко Анатолій Андрійович,
Львівський інститут пожежної безпеки МНС
України, професор кафедри пожежної тактики та
аварійно-рятувальних робіт
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч
науки і техніки України Пашковський Петро
Семенович, перший заступник директора НДІ
гірничорятувальної справи та пожежної безпеки
„Респіратор” (м. Донецьк).
кандидат технічних наук, старший науковий
співробітник Дунюшкін Володимир
Олександрович, начальник відділу
автоматизованих систем пожежогасіння НВП
„Фактор” (м. Київ).
Провідна установа: Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості
Захист відбудеться „16” грудня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРК 26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.
Автореферат розісланий „11” листопада 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Сопенко С.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У зв’язку з реорганізацією Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій значно розширився перелік аварій та катастроф, як техногенного, так і природного характеру, для ліквідації яких залучаються підрозділи пожежно-рятувальної служби. Враховуючи різноманітність робіт, які виконує пожежник в екстремальних умовах, він повинен бути забезпечений надійним та ефективним з точки зору захисту спеціальним одягом, який би захищав його не тільки від впливу температурних але й агресивних факторів. Проте, до теперішнього часу в Україні немає надійного конкурентноспроможного захисного одягу для пожежників. У першу чергу це зумовлено відсутністю методів та приладів, які б дозволили комплексно та об’єктивно визначити термо-і агресивнозахисні властивості спеціальних матеріалів, що не дає змогу провести їх оптимальний вибір та в кінцевому підсумку створити високоефективний захисний одяг пожежника.
Актуальність теми дисертаційної роботи зумовлена необхідністю визначення термо- і агресивнозахисних властивостей спеціальних матеріалів, а також відсутністю методів, які б дозволили проведення відповідних досліджень з моделюванням умов, максимально наближених до умов експлуатації захисного одягу пожежника.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконувалася відповідно до перспективного плану науково-дослідних робіт Львівського інституту пожежної безпеки на період 2002- 2005 років та програми досліджень на базі Державного інституту техніки безпеки хімічних підприємств, а також в рамках виконання заходів щодо реалізації "Програми розвитку виробництва засобів індивідуального захисту працівників на 2001-2004 роки", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 8 серпня 2001 року за № 952, плану державної стандартизації на 2003 рік (код 06.1.001-2003), та пункту 1.1.11 плану науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт УкрНДІПБ МНС України на 2002 рік, затвердженого 29.12.2001 року та "Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 1 липня 2002 року за № 870.
Мета дослідження - розробка та удосконалення методів і технічних засобів оцінки показників якості за-хисного одягу пожежників шляхом встановлення взаємодії їх спеціальних матеріалів з температурними факторами та агресивними реагентами.
Задачі дослідження - Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- проаналізувати існуючі методи оцінки показників якості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників;
- дослідити теплофізичні властивості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників під час дії підвищених температур;
- визначити вплив агресивних середовищ на властивості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників;
- експериментальним шляхом дослідити дію захисних властивостей спеціальних матеріалів одягу пожежників під впливом температурних факторів та агресивних середовищ (соляна, сірчана, азотна кислоти, луги та ПАР);
- розробити науково-методичні основи вивчення та оцінки термо- і агресивнозахисних властивостей спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників.
Об'єкт дослідження - захисний одяг пожежника.
Предметом дослідження є вплив процесів тепломасопереносу та дифузії на захисні властивості спеціальних матеріалів одягу пожежників.
Методи дослідження. Методичною та теоретичною основою дослідження стали здобутки текстильного матеріалознавст-ва, фізико-хімії полімерів, математики і термодинаміки, а також нормативні до-кументи (стандарти), та раніше проведені науково-дослідні роботи вітчизняних та закордонних вчених. У процесі проведення дослідження були використані як стандартні, так і розроблені автором методики, прилади та устаткування, що дали змогу вивчити вплив низьких і високих температур, агресивних середо-вищ (сірчана, соляна, азотна кислоти, гідроксид натрію і ПАР) на фізико-механічні, хемостійкі та дифузійні показники спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників. Обробка результатів експериментів проводилася з використанням математичної статистики та ЕОМ.
Ідея роботи. Ідея роботи полягає в підвищенні рівня захисних властивостей захисного одягу пожежників за рахунок удосконалення методів та технічних засобів оцінки показників якості спеціальних матеріалів.
Наукові положення, що виносяться на захист, їх новизна :
1. Розкрито механізм високотемпературного впливу на тришаровий композиційний матеріал та виокремлено наступні стадії: термодеструкція, утворення активних хімічних процесів, спалахування, горіння та завершення горіння в твердій і газовій фазах, що дозволило теоретично та експериментально встановити залежності основних параметрів захисного одягу пожежників від дії високих температур.
2. Конкретизовано основні параметри дифузійних процесів, які виникають під час дії факторів агресивного середовища на спеціальні матеріали захисного одягу пожежників, що обґрунтовують необхідність удосконалення методів вивчення захисних властивостей одягу під час впливу на нього летких, нелетких кислот, лугів, ПАР і дозволило удосконалити зазначені методи, розробити принципово нові прилади для визначення показників якості захисного одягу пожежників.
3. Теоретично і експериментально визначено дифузійні параметри та термозахисні характеристики спеціальних матеріалів з полімерним покриттям захисного одягу пожежників за рахунок застосування фотоелектричних елементів та електромагнітних імпульсів, що дозволило розробити принципово нові прилади, технічні вимоги та термо-,агресивно - і морозостійкий спеціальний матеріал для захисного одягу пожежників.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в застосуванні розробленої математичної моделі прогнозування теплових процесів в елементах захисного одягу пожежників з двостороннім полімерним покриттям з подальшим її використанням для отримання комплексної оцінки впливу небезпечних та шкідливих факторів, що діють на захисний одяг пожежника під час пожежогасіння та ліквідації наслідків НС, сутність якої полягає в створенні принципово нових приладів для вивчення стійкості спеціальних матеріалів одягу пожежників до дії відкритого полум’я і контактного тепла, розробці методів та удосконаленню приладів для вивчення моменту проникнення лугів, ПАР, води, летких та нелетких мінеральних кислот (крапле-об’ємна і газова фази), а також морозостійкості при статичних та динамічних умовах випробування та довговічності в процесі впливу вказаних агресивних рідин.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що їх засто-сування дасть можливість науково обгрунтувати розробки нового асортименту спеціальних матеріалів, необхідних для виготовлення захисного одягу пожежників. Розроблені методи оцінки та створені і удосконалені прилади й устат-кування дозволяють вивчити вплив високих та низьких температур, розчинів мінеральних кислот, лугів, ПАР і води, забезпечують високий рівень досліджень, коректність та об'єктивність експериментів і максимально наближають умови їх проведення до реальних умов експлуатації одягу пожежників, що в кінцевому підсумку сприяє створенню як матеріа-лів (зразки А і Б), так і конкурентноспроможного захисного одягу пожежників вітчизняного виробництва..
Проведені дослідження стали науково-практичною основою в процесі роз-робки проекту Національного стандарту України "Одяг пожежника захисний. Загальні технічні вимоги та методи випробувань". Прилад ОГМ-Н1 та методика для визначення стійкості спеціальних матеріалів до дії відкритого полум’я впроваджено в науково-дослідну лабораторію розробки і ство-рення спеціального одягу Державного НДІ техніки безпеки хімічних підприємств Міністерства промислової політики України (м. Сєвєродонецьк, акт впровадження від 2 серпня 2004 року) та у лабораторії вогневих випробувань Львівського інституту пожежної безпеки МНС України.
Особистий внесок здобувача полягає в постановці та отриманні наукових результатів, викладених у дисертаційній роботі і відображених у наукових працях та розробці методів математичного моделювання теплових процесів у еле-ментах одягу пожежників; організації і розробці дослідних зразків спеціальних матеріалів; створенні приладів та устаткування для вивчення захисних власти-востей спеціальних матеріалів під впливом агресивних середовищ; плануванні, проведенні та обробці експериментів. При підготовці наукових праць, опублікованих у співавторстві, здобувач брав безпосередню участь у розробці і вирішенні теоретичних, експериментальних та прикладних задач.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідались на V-й Міжнародній науково-практичній конференції „Пожежна безпека-2001” (ЛІПБ МНС України, м. Львів, 2001 р.), V-й Міжнародній науково-практичній конференції „Fire Protection-2003” (Словаччина, м.Тренчин, 2003 р.), ІІ-й Международной научно-проактической конференции „Чрезвичайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (НИИ пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь, г.Минск, 2003 р.), VIII-й Міжнародній конференції „Температура-2003” (НУ „Львівська політехніка”, м. Львів, 2003р.), VI-й Всеукраїнській науково-практичній конференції рятувальників „Актуальні проблеми цивільного захисту” ( УкрНДІПБ МНС України, м. Київ, 2004 р.), VI-й Міжнародній конференції „ Пожежна безпека-2003” ( АПБУ, м. Харків, 2003 р.).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 12 робіт, з них 7 наукових статей у виданнях, включених до переліку ВАК України, 5 тез доповідей на науково-практичних конференціях, а також 4 деклараційних патенти на винаходи.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів і загальних висновків, містить 229 сторінок друкованого тексту, 10 таблиць, 48 ілюстрацій, 4 додатків. Список використаних джерел містить 110 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначені мета, основні завдання та методи досліджень, сформульовані наукова новизна роботи та її практична цінність, а також особистий внесок здобувача.
У першому розділі проаналізовано захисні властивості спеціальних матеріалів захисного одягу, який застосовується особовим складом пожежно-рятувальних підрозділів МНС України під час проведення пожежогасіння та ліквідації наслідків аварій, як техногенного так і природного характеру. Проведений аналіз засвідчив, що наявний захисний одяг пожежників не забезпечує ефективний рівень захисту в умовах ліквідації НС відповідно до Державного класифікатора. Велике значення на розвиток науки в галузі розроблення та створення ефективних засобів індивідуального захисту і матеріалів для них мають наукові здобутки таких учених, як К.Е. Перепьолкін, М.П. Носов, З.О. Роговін, М.А. Ходжінова, А.А.Мичко, Р.В. Луцик, Б.Д.Семак, Г.Н. Кукін, В.Є.Романов.
Провідну роль у створенні надійного захисного одягу пожежників відіграє правильний вибір спеціальних матеріалів, який можна провести на підставі комплексного визначення захисних показників.
У дослідженні проаналізовано методи та прилади, які б могли бути використані для проведення відповідних досліджень показників якості спеціальних матеріалів у разі дії на них термоагресивних факторів. У результаті аналізу встановлено, що вказаних методів та приладів, які використовуються вітчизняними та Європейськими стандартами, розроблено недостатньо. Такий стан речей не дає можливості науково обгрунтувати захисні властивості спеціальних матеріалів, а відтак створювати надійний, захисний одяг пожежника.
У другому розділі розроблено математичну модель для обгрунтування теоретично-методичних основ дослідження процесів взаємодії спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників з температурними факторами.
Для пояснення фізичної сутності процесів теплопередачі, дифузії та деструкції спеціальних матеріалів запропоновано фізичну модель- тришаровий спеціальний матеріал з наступними складовими:
а) поверхневий шар між одягом і зовнішнім середовищем, в якому можуть відбуватися процеси горіння;
б) сердечник (основа);
в) поверхневий шар між одягом і внутрішнім середовищем (тілом пожежника).
З деяким наближенням горіння полімеру розглянуто як послідовність наступних стадій: а) термодеструкція; б) утворення активних хімічних процесів; в) спалах; г) горіння; д) завершення процесу горіння (догоряння).
Перші дві стадії математично описуються рівняннями:
у твердій фазі:
(1)
у газовій фазі:
(2)
де , л K– коефіцієнти температуропровідності і теплопровідності полімеру у конденсованій фазі; ф– час;
, лГ – коефіцієнти температуропровідності і теплопровідності газової фази відповідно;
= – оператор Лапласа; і = 2(Ts – To)/x2 – для одновимірного випадку; t = Ts – To; – одиничний вектор у напрямку товщини;
Граничні умови на межі розділу середовищ (фаз) наступні:
(3)
При передачі енергії тепловим випромінюванням та конвекцією, період спалаху може бути обчислений за формулою:
(4)
де фів - період спалаху при теплопередачі тепловим випромінюванням;
фсd - час, який необхідний для здійснення реакції піролізу матеріалу спецодягу та дифузії реагентів у передполум'яну зону;
k - об'ємна густина матеріалу у конденсованій фазі;
ck - питома теплоємність матеріалу у конденсованій фазі;
Tn - характеристична температура поверхні матеріалу, при якій починається його інтенсивний піроліз;
T0 - температура зовнішнього оточуючого середовища;
І0 - інтенсивність теплового потоку, що діє на матеріал спецодягу;
r - коефіцієнт відбивання теплового потоку;
aK - коефіцієнт температуропровідності матеріалу у конденсованій фазі;
- коефіцієнт теплового опору матеріалу дії теплового випромінювання.
При теплопередачі тільки кондуктивним способом відносна температура поверхні матеріалу в зоні контакту з розжареними елементами конструкцій визначається рівнянням:
(5)
де - відносна температура поверхні матеріалу в зоні контакту з розжареними елементами конструкцій;
Т0 – температура розжареного елемента конструкцій під час контакту з матеріалом спецодягу (зокрема, Т0 = 1183К);
Тk – початкова температура матеріалу спецодягу;
Тs – фактична температура поверхні матеріалу безпосередньо у зоні контакту з розжареними елементами конструкцій;–
відношення, яке характеризує теплову активність матеріалу спецодягу у порівнянні з розжареними елементами конструкцій ;
1, 2 – коефіцієнти теплопровідності розжарених елементів конструкцій та матеріалу спецодягу відповідно;
б}, б2 – коефіцієнти температуропровідності розжарених елементів конструкцій та матеріалу спецодягу відповідно;
h = (1 – K?)/(K?????);
– математична функція Крампа.
Стадії безпосереднього горіння та догоряння композиційного матеріалу є завершальними для процесу горіння і характеризуються густиною теплового потоку q, що йде на вигоряння матеріалу:
q = qk + qg = f (,С,,,T0,Ts ). (6)
Конкретизуємо граничні умови:
при x = 0, (7)
при x = д, (8)
де Tс1, Tс2 – значення температури газу з лівого (x = 0) і правого (x = д) ?оків пластини відповідно; Ti0, Tд, оi, оj – температури матеріалу та коефіцієнти теплообміну поверхневого шару спецодягу з лицьового (x = 0) і виворотного (x = д) ?оків матеріалу відповідно; x < 0 – зовнішнє газове середовище; x > д – ?азове середовище між одягом і тілом пожежника.
З врахуванням граничних умов, розподіл температури в межах пластини, яка моделює одяг, такий:
T = Tс1 – (Tс1 – Tс2)(x/лK + 1/жi)/(д/лK + 1/жi + 1/жj). (9)
Приймаючи значення товщини спецодягу наприклад ? ,5 мм, експериментально встановлено для даної ? можливість перебування пожежника у зовнішньому середовищі з температурою Tс1 = 473К і відповідна внутрішня температура у газовому проміжку між ним і спецодягом не перевищує Tс2 = 313 К. При цьому на основі обчислювального експерименту встановлено, що коефіцієнт теплопровідності композитного захисного матеріалу не перевищує лK = 0,06 вт/(мК), а коефіцієнти теплообміну поверхневого шару спецодягу приймають наближене значення жi = жj = 84 Вт/(м2К).
За допомогою співвідношення (9) дізнаємося потік тепла:
qx = – = (Tс1 – Tс2)/(д/лK + 1/жi + 1/жj). (10)
Для вище наведених даних ? = 0,5 мм, Tс1 = 473 К, лK = 0,06 вт/(мК), жi = жj = 84 вт/(м2К), Tс2 = 313 К отримано qx = 1680 Вт/м2 (табл. 1).
Таблиця 1
Залежність температури підкостюмного простору Tс2 від інтенсивності теплового потоку qx та товщини д спеціального матеріалу захисного одягу пожежника
д, мм | Tс2 , K | qx, Вт/м2
0,5 | 313,0 | 1680
0,45 | 314,7 | 1821
0,4 | 316,7 | 1989
0,35 | 319,1 | 2191
0,3 | 322,0 | 2349
Враховуючи результати математичного моделювання, запропоновано розроблені та удосконалені методики і прилади для визначення оцінки показників якості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників у разі дії високотемпературних факторів, а саме:
1. Метод та прилад для визначення стійкості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників до дії відкритого полумя (рис.1).
2. Метод та прилад для визначення стійкості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників до дії теплового випромінювання.
3.Метод та прилад для визначення теплостійкості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників.
4. Метод та прилад для визначення стійкості спеціальних матеріалів до дії контактного тепла.
В третьому розділі охарактеризовано процеси взаємодії спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників з полімерним покриттям з агресивним середовищем (мінеральні кислоти, луги, ПАР).
Рис. 1. Принципова схема приладу для визначення стійкості спеціальних матеріалів до дії відкритого полумя
За методом Дайнеса-Баррера та 1-им і 2-им законами Фіка визначено критерії оцінки хімічної стійкості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників, а також розроблено класифікацію показників для оцінки хімічної стійкості спеціальних матеріалів. Застосовуючи теорію професора С.М. Журкова, вивчено ступінь впливу агресивних рідин на хімічну стійкість спеціальних матеріалів за допомогою зміни розривальних характеристик. Доведено, що вивчати захисні властивості спеціальних матеріалів доцільно з таких двох науково-дослідних позицій, як хімічна стійкість (хемостійкість) та проникність агресивних реагентів через їх товщину (дифузія). За допомогою отриманих результатів експериментів можна охарактеризувати ступінь деструкції волокноутворювальних полімерів, полімерного покриття тощо під впливом різних хімічних та фізичних факторів.
Сутність запропонованого методу полягає у визначенні часу від моменту навантаження до моменту руйнування досліджуваного зразка спеціального матеріалу при одночасному впливі (або без впливу) агресивного середовища заданої концентрації. Величина навантаження – 65% від вихідного (результати представлені у таблиці 2).
Отримані результати досліджень, їх аналіз та узагальнення свідчать, що незалежно від структурно-морфологічних особливостей текстильних матеріалів (волокнистий склад, вид переплетення, товщина тощо) процес проникання лугу має один характер, а збільшення концентрації призводить до збільшення часу проникнення (рис. 2).
У дослідженнї теоретично і експериментально було визначено залежність процесу дифузії від крайового кута змочування зразків спеціальних матеріалів та фізико-хімічних властивостей їх складових (рис.3).
Таким чином, отриманні результати стверджують раніше означене припущення про те, що хімічну стійкість спеціальних матеріалів різного асортименту доцільно контролювати 20 %-м розчином лугу, а процес проникності через товщину- вказаним агресивним реактивом 10 % -ї концентрації, що достатньо при науковому обґрунтуванні їх вибору для виготовлення захисного одягу пожежників.
Таблиця 2
Зміна розривальних характеристик зразків (50 мм х 100 мм) спеціального матеріалу арт. 86039 в залежності від концентрації NaOH і часу експозиції
Час експозиції, с | Розривальний показник , Н | Втрата міцності, %
10%
NaOH | 20%
NaOH | 30%
NaOH | 40%
NaOH | 10%
NaOH | 20%
NaOH | 30%
NaOH | 40%
NaOH
0 | 720 | 720 | 720 | 720 | 0 | 0 | 0 | 0
3600 | 714,2 | 705,6 | 694,1 | 692,6 | -0,8 | -2 | -3,6 | -3,8
7200 | 709,2 | 685,4 | 681,1 | 674,6 | -1,5 | -4,8 | -5,4 | -6,3
10800 | 707 | 666,7 | 663,1 | 666,0 | -1,8 | -7,4 | -7,9 | -7,5
14400 | 704,2 | 649,4 | 654,5 | 661,0 | -2,2 | -9,8 | -9,1 | -8,2
18000 | 697,7 | 628,6 | 642,2 | 635,8 | -3,1 | -12,7 | -10,8 | -11,7
Рис. 2. Залежність проникнення крапле- рідкої фази NaOH від концентрації і виду спеціального матеріалу: 1 - арт. 6405; 2 – арт. 86039
Рис.3. Залежність величини ? від часу змочування дистильованою водою і розчинами NaOH: 1 – дистильована вода; 2 – 10 % NaOH;
3 – 20 % NaOH; 4 – 30% NaOH; 5 – 40 % NaOH.
Так, крайовий кут ? для 30 % NaOH дорівнював 141є і через 180 хвилин це значення залишилося. Відносно 40% лугу, то тут слід зазначити, що до 60 хвилин значення крайового кута змочування було постійним (? = 156°), а в інтервалі часу 60...180 хвилин, його величина збільшилась від 156° до 162° (рис. 3), тобто на 4 % в порівнянні з вихідним значенням. Окрім цього, було визначено, що краплі вказаних розчинів у середині експерименту зменшилися в об'ємі, змінили колір завдяки появі кристаликів Na2CO3, а в кінці досліду перетворилися в тверді кульки.
У четвертому розділі проведено дослідження захисних властивостей спеціальних матеріалів одягу пожежників під впливом високотемпературних факторів та агресивних середовищ. Під час дослідження встановлено, що найвищі показники захисту від дії високотемпературних факторів мають спеціальний матеріал ЛТВП та розроблені матеріали А і Б (результати представлені у таблицях 3 і 4).
Таблиця 3
Показники якості термозахисних властивостей спеціальних матеріалів
Спеціальні матеріали | Стійкість до ІЧ-випромінювання,
7 кВт/м2 | Стійкість до відкритого полум’я, 10 с | Стійкість
до дії температури (185оС), 300с | Стійкість до контакту з на-грітими поверх-нями (400о)
Pp
Н,
% | R,
м2 град/Вт | k,
Вт/м град |
Горіння, с | Тління, с | год | Дl, % | термін досягнення 50оС
Арт. 3052 | 0 | 0,027 | 37,2 | горить–– | 8 | 2,9 | 25
ЛТВП | 0 | 0,026 | 39,0 | не горить | не тліє | 8 | 1,4 | 27,2
“Шторм” | 0 | 0,026 | 39,0 | горить–– | 8 | 0,0 | 22,3
Зразок А | 0 | 0,035 | 28,3 | 20 | 7 | 8 | 0,0 | 30,5
Зразок Б | 0 | 0,036 | 27,8 | 1,1 | Не тліє | 8 | 0,0 | 32,7
Таблиця 4
Проникнення сірчаної та соляної кислот через товщину спеціальних матеріалів
захисного одягу пожежників
Найменування матеріалу | Кислотопроникність, С | Розчин Н2SO4- чисельник, розчин НСl- знаменник | 5 % | 10 % | 15 % | 20 % | 25 % | Молескін гладкофарбований
арт. 3052 | 26640 | 23400 | 21600 | 20880 | 19080 | 415 | 58 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | Тканина
ЛТВП | 25920 | 21600 | 20880 | 18720 | 17640 | 64 | 0 | 0 | 0 | 0 | Вінілштучшкіра- Т „Шторм” | 86372 | 62114 | 50400 | 48600 | 37520 | 3219 | 3162 | 2401 | 1231 | 369 |
Зразок А | 104400 | 104400 | 104400 | 94615 | 84209 | 10282 | 9271 | 8211 | 7052 | 4944 | Зразок Б | 118800 | 118800 | 118800 | 118800 | 118800
11061 | 10981 | 9452 | 9031 | 8611
У роботі досліджено хімічну стійкість спеціальних матеріалів до впливу агресивних середовищ, а також визначено залежності довговічності спеціальних матеріалів від концентрацій агресивних середовищ.
Проведені експерименти засвідчили, що вказані мінеральні кислоти (сірчана, соляна, азотна) при 25 %-й концентрації хімічно не здатні зруйнувати зразки на основі лавсанових волокон. Що ж стосується розчинів гідроксиду натрію, то при збільшенні його концентрації процес гідролізу зростає.
Інший асортимент спеціального матеріалу – лляний ЛТВП з вогнезахисним просоченням - має завищені дифузійні властивості, оскільки 5 % -й H2SO4 утримується на його поверхні 25920 с, а, наприклад, 20% -й H2SO4 – 18720 с, тобто рівень захисних властивостей в порівнянні з арт. 3052 зменьшився на 10,4 %.
Якщо проаналізувати результати, отримані підчас дослідження проникності леткої кислоти HCL, то її 5% -а концентрація проникла за 415с через товщину зразка арт. 3052 і за 64 с через зразок ЛТВП (табл.4 ), а збільшення концентрації агресивного реагента призводило до її миттєвого проникнення. Експерименти проведені з другою групою спеціальних матеріалів засвідчили, що полімерне покриття, особливо поліуретанове, завдяки більш сформованій морфологічній структурі може створити суттєву перешкоду дифузійним процесам як для летких, так і нелетких мінеральних кислот. Тому на підставі результатів проведених досліджень можна стверджувати, що матеріал зразка Б з цієї точки зору може бути більш перспективним в порівнянні з результатами, отриманими на пробах спеціального матеріалу зразка А або “Шторм” . Щодо розчинів гідроксиду натрію слід зазначити, що його 10 %-а концентрація є непроникною для спеціальних матеріалів з полімерним покриттям. Зразки матеріалів арт. 3052 і ЛТВП відносно вказаних розчинів слід вважати проникними, оскільки час проникнення крапле-рідкої фази відповідно дорівнює 8100 с і 6323 с. Також, отримані результати досліджень свідчать, що ПАР миттєво проникає через товщину спеціальних матеріалів арт. 3052 і ЛТВП, а спеціальні матеріали з полімерним покриттям слід вважати непроникними, особливо зразки А і Б.
У п’ятому розділі обґрунтовано науково-методичні основи вивчення і оцінки термо- і агресивнозахисних властивостей спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників. Розроблено схему методичного забезпечення для оцінки захисних властивостей спеціальних матеріалів, а також визначено критерії оцінки захисних показників спеціальних матеріалів з полімерним покриттям під час дії низьких температур в статичних та динамічних умовах експлуатації. Запропоновано новий спосіб оцінки стійкості матеріалів з полімерним покриттям до впливу низької (мінус 40о С) температури при статичних умовах дослідження. Сутність методу полягає в контролюванні зміни таких характеристик спеціального матеріалу як коефіцієнт паропроникності Пh [мг/м2с] так і коефіцієнта повітропроникності Вh [дм3/м2с] після їх обробки в кріокамері в режимі “заморожування-розморожування” (результати експерименту представлені в табл. 5)
Згідно з умовами проведення експерименту, заморожування зразків тривало від однієї до восьми годин з інтервалом в одну годину, а їх розморожування проводилось на протязі однієї години. Для експерименту були взяті проби з полімерним покриттям (зразки А, Б і тканина “Шторм”). Контроль за зміною коефіцієнта паропроникності, в порівнянні з вихідним значенням матеріалів проводили відомим гравіметричним методом, для виміру коефіцієнта повітро-проникності необхідно було розробляти метод та устаткування. Запропоновано метод та прилад ПБТМ-1 для оцінки показників водотривкості спеціальних волокнистих та матеріалів з полімерним покриттям.
Таблиця 5
Вплив багаторазових циклів “заморожування-розморожування” на повітропроникнення та паропроникнення спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників з полімерним покриттям.
Термін
заморожування | Зразок А | Зразок Б | Тканина“Шторм”
Вh,
дм3/м2с | Пh,
мг/м2с | Вh,
дм3/м2с | Пh,
мг/м2с | Вh,
дм3/м2с | Пh,
мг/м2с
вихідне значення | 7,5 | 0,386 | 5,7 | 0,295 | 1,8 | 0,07
одна година | 7,5 | 0,386 | 5,7 | 0,295 | 1,8 | 0,07
дві години | 7,5 | 0,385 | 5,7 | 0,295 | 1,9 | 0,07 | три години | 7,5 | 0,385 | 5,7 | 0,295 | 2,1 | 0,42 | чотири години | 7,4 | 0,385 | 5,7 | 0,295 | 2,7 | 0,79 | п’ять годин | 7,4 | 0,385 | 5,7 | 0,295 | 2,8 | 0,82 |
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлено і вирішено актуальну науково-практичну задачу удосконалення методів оцінки показників якості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників, що полягає в розкритті механізму високотемпературного впливу на тришаровий композиційний матеріал, конкретизації основних параметрів дифузійних процесів, які виникають під час дії факторів агресивного середовища на спеціальний матеріал захисного одягу пожежників, а також теоретичному та експериментальному визначенню дифузійних параметрів і термозахисних характеристик спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників з полімерним покриттям.
Основні наукові і практичні результати:
1. Проведено аналітичні дослідження небезпечних та шкідливих факторів надзвичайних ситуацій та їх вплив на захисний одяг пожежників. Показано, що захисний одяг пожежників повинен здійснювати захист не тільки від небезпечних температурних факторів, але й від впливу агресивних середовищ: соляної, сірчаної, азотної кислот, луги та поверхнево-активних речовин. Визначено перелік спеціальних матеріалів для проведення досліджень їх захисних властивостей.
2. Розроблено математичну модель взаємодії спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників та відповідну методику обчислювального експерименту для аналізу числових значень параметрів, яка розглядає полімерний композитний матеріал захисного одягу пожежника як тришарову композицію з такими складовими:
а) поверхневий шар між одягом і зовнішнім середовищем, в якому відбуваються процеси горіння;
б) сердечник (основа);
в) поверхневий шар між одягом і внутрішнім середовищем (підкостюмний простір). Запропонована модель дозволила визначити шляхи підвищення захисних показників спеціальних матеріалів одягу пожежників щодо впливу високотемпературних факторів.
3. Розроблено прилад ОГМ-Н1 для визначення стійкості спеціальних матеріалів до дії відкритого полум’я, до складу якого входять: блок управління, блок запалювання, утримувач зразків та фотоелектричні елементи, які з’єднані з вимірювачами часу. Новизна приладу та спосіб визначення горючості матеріалів підтверджені деклараційними патентами на винахід № 66999A від 15.06.2004 р. та № 56625А від 15.05.2003 р. відповідно.
4. Удосконалено прилади та методи визначення показників стійкості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників до дії високої температури ( теплостійкість при + 185?С ), ІЧ-випромінення ( тепловий потік 7 кВт/м?), контактного тепла (контакт з поверхнею нагрітою до + 400?С). Для проведення досліджень обрано спеціальні матеріали: арт.3052, ЛТВП, „Шторм” та розроблені матеріали А і Б.
5. Удосконалено методи та прилади для визначення показників якості захисту спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників від впливу агресивних реагентів: соляної, сірчаної, азотної кислот, лугів та ПАР.
6. Проведено дослідження впливу вказаних агресивних реагентів на показники якості захисту спеціальних матеріалів одягу пожежника. Застосовуючи теорію професора С.М. Журкова, запропоновано метод визначення впливу агресивних середовищ на довговічність спеціальних матеріалів одягу пожежників.
7. Розроблено схему методичного забезпечення для оцінки показників якості захисних властивостей спеціальних матеріалів. Розроблено методи та удосконалено прилади для визначення показників повітропроникнення, паро проникнення та водотривкості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників.
8. Обґрунтовано необхідність визначення впливу низьких температур на захисні показники спеціальних матеріалів у статичних та динамічних умовах.
Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в таких роботах:
1. Болібрух Б.В., Петренко А.М. Метод оцінки властивостей спеціальних матеріалів для бойового одягу пожежника. // Пожежна безпека 2001. Збірник наукових праць – Львів: Львівський інститут пожежної безпеки / Сполом, 2001. - С. 347,348
2. Болібрух Б.В., Мичко А.А. Узагальнений аналіз методичних основ вивчення термо-фізичних показників текстильних матеріалів. // Вісник технологічного університету “Поділля”. – Хмельницький; Хмельницька міська типографія, 2002 - С. 176-179.
3. Михайлова Н.В., Болібрух Б.В., Мичко А.А. Вплив товщини адгезиву на міцність з’єднання спеціальних матеріалів // Пожежна безпека 2002: Збірник наукових праць.- Львів:Львівський інститут пожежної безпеки / Сполом, 2002. - С.67-72.
4. Пат. 44110 А Україна, МПК G 01N3/18. Прилад для оцінки термозахисних властивостей матеріалів при дії рідких горючих речовин / Болібрух Б.В., Мичко А.А., Сарана О.М., Троян О.М., Засорнов О.С. – № 2001053033; Заявл. 04.05.2001; 15.01.2002; Бюл. № 1.
5. Пат. 56625А Україна, МПК G01N33/36. Спосіб оцінки горючості матеріалів / Болібрух Б.В., Мичко А.А. Ковалишин В.В., Сарана О.М., Засорнов О.С., Злотніков В.О., Гаврилко О.А.- № 2002086435; Заявл.01.08.2002; Опубл.15.05.2003; Бюл. № 5.
6. Пат. 66999 А Україна, МПК G01 N318 / Прилад для оцінки горючості матеріалів / Болібрух Б.В., Ковалишин В.В., Мичко А.А., Засорнов О.С., Сарана О.М.- № 2003043461; Заявл.16.04.2003 ; Опубл. 15.06. 2004; Бюл. № 6.
7. Пат. 67192А Україна, МПК А6205/00 Агресивно -,морозо -, термостійкий матеріал (АМТС) для одягу спеціального призначення / Болібрух Б.В., Мичко А.А., Михайлова Н.В.- № 2003087434; Заявл. 06.08.2003; Опубл. 15.06.2004; Бюл. № 6.
8. Болибрух Б.В., Мычко А.А., Разработка методики определения защитных качеств специальных материалов для одежды пожарных // FIRECO-2003: Материалы 5-ой Международної конференции. Словакия, г.Тренчин, 2003.-С. 36, 37.
9. Юзевич В.М., Болібрух Б.В., Гук О.В. Моделювання теплових процесів у адгезій них покриттях // Температура-2003: Тези доповідей VIIІ-ї Міжнародної конференції - Львів: НУ „ Львівська політехніка”, 2003.- С. З7.
10. Болібрух Б.В., Ковалишиншин В.В., Мичко А.А. Визначення критеріїв оцінки власти-востей спеціальних матеріалів // Пожежна безпека-2003: Матеріали VI-ї міжнародної науково-практична конференції. – Харків: АПБУ, 2003. - С. 63,64.
11. Болибрух Б.В., Мичко А.А. Методика оценки горючести специальных материалов для защитной одежды пожарных // Чрезвычайные ситуации: проблемы ликвидации и предупреждения: Материалы докладов на II-й международной науч. - практ. конф.- Минск: МЧС Беларуси, 2003.- С. , 272.
12. Болібрух Б.В., Поркуян О.В., Лук’янчук В.І. Розрахунок відбивальних властивостей алюмінієвого покриття теплоізолюючих пакетів // Пожежна безпека-2003. Збірник наукових праць. -Львів: Львівський інститут пожежної безпеки / Сполом, 2003.-С. 40-43.
13. Дудка Н.Г., Михайлова Н.В., Носкова Л.В., Болібрух Б.В., Мичко А.А. Розробка методу оцінки впливу органічних реагентів на хімічну стійкість спеціальних матеріалів // Пожежна безпека-2003. Збірник наукових прац. – Львів: ЛІПБ, 2003.- С. 74-79.
14. Болибрух Б.В., Гаврилко А. А. Допустимая продолжительность работы при эрго-термических нагрузках // Пожежна безпека-2003: Збірник наукових праць -Львів: ЛІПБ, 2003. - С.101-106.
15. Болібрух Б.В., Мичко А.А. Моделювання теплових процесів в елементах одягу пожежника // Пожежна безпека-2004. Збірник наукових праць – Львів: ЛІПБ, 2004.- С.12 – 20 .
16. Болібрух Б.В., Клим’юк М.М., Науково-методичні основи вивчення і оцінювання захисних властивостей матеріалів спеціального захисного одягу і взуття пожежників щодо термічної дії та впливу агресивних середовищ // Актуальні проблеми цивільного захисту: Матеріали VI-ї Всеукраїнської науково-практичної конференції рятувальників.-К: УкрНДІПБ , 2004. - С. 69 - 70.
АНОТАЦІЯ
Болібрух Б.В. Удосконалення методів оцінки показників якості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - Пожежна безпека. Український НДІ пожежної безпеки МНС України, Київ, 2004.
У дисертації вирішено наукова задача щодо удосконалення методів оцінки показників якості спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників в разі впливу температурних факторів та агресивних реагентів. Удосконалено методи оцінки показників якості спеціальних матеріалів від впливу високо температурних факторів: ІЧ-випромінювання ( густина теплового потоку), контактного тепла (нагріта поверхня +400?С), високої температури (середовище з температурою +185?С). Розроблено принципово новий прилад ОГМ-Н1 та удосконалено методику щодо визначення стійкості матеріалів до дії відкритого полумя.
Запропоновано математичну модель для визначення залежності температури в підкостюмному просторі захисного одягу пожежників від густини теплового потоку та товщини спеціального матеріалу. Удосконалено методи визначення часу проникності летких і нелетких кислот через товщину спеціальних матеріалів захисного одягу пожежника. Обґрунтовано критерії оцінки захисних показників спеціальних матеріалів з полімерним покриттям під час дії низьких температур в статичних та динамічних умовах експлуатації. Запропоновано новий спосіб оцінки стійкості матеріалів до впливу низької (-40?С) температури при статичних умовах дослідження. Запропоновано методику визначення впливу агресивних середовищ на довговічність спеціальних матеріалів захисного одягу пожежників.
Результати досліджень впроваджено шляхом розроблення проекту національного стандарту України „ Одяг пожежника захисний. Загальні технічні вимоги та методи випробування”, а прилад ОГМ-Н1 і методика щодо визначення стійкості матеріалів до дії відкритого полум’я впроваджено у виробничий процес лабораторії засобів індивідуального захисту Державного науково-дослідного інститут техніки безпеки хімічних виробництв Міністерства промислової політики України (м.Севєродонецьк).
Ключові слова: захисний одяг пожежників, метод випробувань, температурні та агресивні фактори, спеціальний матеріал.
АННОТАЦИЯ
Болибрух Б.В. Усовершенствование методов оценки показателей качества специальных материалов защитной одежды пожарных. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - Пожарная безопасность. Украинский НИИ пожарной безопасности МЧС Украины, Киев, 2004.
В диссертации решена научная задача усовершенствования методов оценки показателей качества специальных материалов защитной одежды пожарных. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость изучения защитных качеств специальных материалов одежды пожарных в случаях воздействия температурных факторов и агрессивных реагентов (комплексное изучение). Проведены аналитические исследования опасных и вредных факторов чрезвычайных ситуаций, а также их воздействие на защитную одежду пожарных. Определен перечень специальных материалов для проведения комплексных исследований их защитных качеств.
Разработана математическая модель взаимодействия специальных материалов защитной одежды пожарных с температурными факторами и соответствующая методика расчетного эксперимента для анализа числовых значений параметров, которая рассматривает полимерный композитный материал защитной одежды пожарных как трехслойную композицию в составе:
а) поверхностный слой между одеждой и внешней средой, в которой происходит процесс горения;
б) сердечник (основа);
в) поверхностный слой между одеждой и внутренней средой (подкостюмное пространство).
Предложенная модель позволила определить пути повышения защитных качеств специальных материалов одежды пожарных от высокотемпературных факторов. Разработан принципиально новый прибор ОГМ-Н1 для определения стойкости специальных материалов к воздействию открытого пламени, который состоит из блока управления, блока зажигания, держателя проб и фотоэлектрических элементов, соединенных с измерителями времени. Новизна прибора и способ определения горючести материалов подтверждены патентами на изобретения № 66999A от 15.06.2004 г. и № 56625А от 15.05.2003г. соответственно.
Усовершенствованы приборы и методики определения показателей стойкости специальных материалов защитной одежды пожарных от воздействия высокотемпературных факторов (теплостойкость при +185?С), инфракрасное излучение (тепловой поток 7 кВ/м?), контактного тепла (контакт с нагретой до + 400?С поверхностью). Усовершенствованы методы и приборы для определения показателей качества защиты специальных материалов одежды пожарных от
