СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ Российский патент 1998 года по МПК A62B17/00 G01N25/00 

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью тепловых средств, а именно к созданию инструментальных способов определения защитных свойств средств индивидуальной защиты кожи (СИЗК) человека от высокоинтенсивных термических поражающих факторов (ТПФ), к которым относятся световое излучение взрыва, пламя пожаров и т.д.

Известны способы определения термозащитных свойств СИЗК путем применения манекенной системы теплофизических имитаторов (ТФИ) кожи и тела человека с расположенными на ее поверхности датчиками температуры, по величине которой судят о термическом поражении человека (появлении ожогов кожи определенной степени на соответствующей площади поверхности тела) [1 - 4]. В частности, известны ТФИ, характеристики которых приближаются к теплофизическим характеристикам (ТФХ) кожи и тела человека. Таковыми являются жидкостные [5] и твердотельные [1 - 4] ТФИ. Жидкостные ТФИ, хотя и в наибольшей степени приближаются по своим ТФХ к соответствующим параметрам кожи, однако, их практически невозможно использовать в манекенной системе при полномасштабной оценке защитных свойств комплекса СИЗК вследствие возможного разрушения поверхностных оболочек имитаторов в условиях непосредственного воздействия высокоинтенсивных ТПФ, а также высокотемпературных конвективных потоков продуктов термического разложения защитных материалов. У твердотельных ТФИ характеристики значительно отличаются от ТФХ кожи и тела. Рабочее тело таких ТФИ изготавливают из композитных материалов, для которых без соответствующего наполнения нельзя получить объемную теплоемкость, соответствующего коже человека при равенстве коэффициентов теплопроводности и температуропроводности. Например, значения объемных теплоемкостей материалов, используемых в ТФИ [1 - 3], близки между собой и приближаются к значениям (1,6 - 1,8)•10³ кДж/(м³•К), которые существенно отличаются от данного показателя для кожи человека. У композитного материала ТФИ, используемого при создании манекенной системы, выбранного в качестве прототипа [4], следующие ТФХ: удельная теплоемкость - 1,64 кДж/(кг•К) при плотности 1100 - 1200 кг/м³; коэффициент теплопроводности - 16,8•10³ кДж/(м³•К), что не соответствует значениям для тела человека - (3,2 - 4,2)•10³ Вт/(см•К) и (40 - 60)•10⁴ Вт/(см•К), соответственно.

Датчиком температуры у твердотельных ТФИ являются поверхностные термопары. Поражение кожи человека в значительной степени определяется абсолютным значением температуры [6], поэтому при ее измерении возникает необходимость в поддержании постоянной температуры холодных спаев. Учитывая существенное отличие ТФХ твердотельных ТФИ от ТФХ кожи, использование в качестве датчика температур термопар приводит к значительной погрешности при измерениях и в конечном итоге при расчетах защитных свойств СИЗК.

Более точная оценка ожогового действия, а, следовательно, и термозащитных свойств СИЗК возможна при измерении проходящих в подкостюмное пространство тепловых потоков и времени их действия. Реализация такого технического решения требует и в этом случае адекватного воспроизведения условий теплопередачи через защитные материалы к телу человека.

Задачей данного изобретения является повышение достоверности оценки термического поражения человека, использующего СИЗК, в условиях воздействия ТПФ путем обеспечения адекватных условий теплопередачи в подкостюмном пространстве СИЗК.

Поставленная задача достигается тем, что рабочее тело предлагаемого ТФИ изготавливают из композитного материала в виде полуограниченного тела. Его толщина (l) с учетом формулы Фурье (значение критерия F₀ равно 0,04, для условий поверхностного нагрева, соответствующего полуограниченному телу) составляет

где
a - коэффициент температуропроводности, (13 - 15)•10^-4 см²/с;
F₀ - критерий Фурье, F₀ = 0,04;
τ - длительность теплопередачи, с.

Толщина рабочего тела ТФИ, рассчитанная по формуле 1, описывающей условие, при котором имитатор является полуограниченным телом составит в зависимости от длительности теплопередачи - 10...15 мм при 10 - 20 % погрешности измерения тепловых потоков и при любом законе изменения во времени этого потока.

Длительность теплопередачи в реальных условиях ограничена минимальной плотностью теплового потока, не вызывающего ожог кожи при максимальной длительности воздействия - 0,2...0,3 Вт/см² [7].

Рабочее тело изготавливают из полимерной композиции на основе эпоксидной смолы, отвердителя и наполнителя. Тип наполнителя и его количественное содержание выбраны, исходя из результатов экспериментальной оценки ТФХ модельных образцов (см. табл. 1).

Благодаря оптимальному сочетанию ингредиентов полимерной композиции: эпоксидная смола ЭД-20 (основа) - 100 мас.ч.; гексаметилендиамин (отвердитель) - 10. . .15 мас.ч.; бронзовая пудра (наполнитель) - 20...25 мас.ч., рабочее тело ТФИ на ее основе при соответствующей его толщине, обеспечивающей условие полуограниченного тела (формула 1), создает адекватные условия теплопередачи и по своим теплофизическим характеристикам приближается к соответствующим характеристикам кожи человека.

На поверхности ТФИ посредством неотвержденного композитного состава закрепляют датчик в виде дифференциальной термобатареи с количеством спаев не менее 20...40 (необходимо для регистрации требуемой плотности теплового потока с точностью 0,02 Вт/см²) на основе вспомогательной стенки. Ее толщина выбрана такой, чтобы задержка времени отсчета проходящего теплового потока была не более 0,1 с. Это обусловлено тем, что при длительности воздействия ТПФ, например, светового излучения взрыва, около 1,0 с дискретностью отсчета около 0,1 с вполне достаточной для достоверного определения (90 %) проходящих через поверхность ТФИ тепловых потоков.

Учитывая, что вспомогательная стенка должна быть равномерно прогрета по толщине за 0,1 с, критерий Фурье должен быть не менее 0,3. Тогда толщина вспомогательной стенки составит

где
a - коэффициент температуропроводности (принят равным 5•10^-4 см²/с;
τ = 0,1 с;
F₀ > 0,3.

Толщина стенки для этих условий должна быть не более 0,17 мм. Вспомогательная стенка выбрана оптически непрозрачной для того, чтобы обеспечить поверхностное поглощение лучистой составляющей воздействующих ТПФ, а также возможность калибровал при помощи вспомогательного источника излучения.

Результаты экспериментальной оценки погрешности измерения энергетического импульса в зависимости от начальной температуры ТФИ представлены в табл. 2.

Анализ представленных данных показывает приемлемость использования предложенного технического решения.

Схема ТФИ приведена на фигуре. На корпусе ТФИ 1 наклеена вспомогательная стенка 2, на которой до наклейки смонтирована дифференциальная термобатарея (выводы - 3, спаи - 4, термоэлектроды - 5 и 6), покрытая слоем черного полиэфирного лака 7.

Для обоснования достаточного количества ТФИ манекенной системы рассчитана площадь, за информацию о термическом поражении, на которой отвечает один датчик для манекенной системы - прототипа /4/, имеющей 122 датчика. Она составляет величину 160 см². Очевидно, что такое количество датчиков является недостаточным, т.к. участков СИЗК, занимающих такую площадь и обеспечивающих воспроизведение условий одномерной (по толщине пакета) теплопередачи, в реальных условиях не существует. Установлено, что с достаточно высокой достоверностью СИЗК можно аппроксимировать множеством защитных пакетов с площадью 25 см² (см. табл. 3).

Примечания:
1. Время облучения составляло 1,0 с.

2. В качестве биообъектов использовали молочных поросят.

3. Площадь облучаемого участка пакета материалов составляет 25 см³.

В таком случае требуемое количество датчиков для полноразмерной манекенной системы составит не менее 500, которое, с учетом допустимой погрешности (15...20%), можно снизить до 400...420.

Таким образом определено, что на поверхности манекена необходимо разместить дискретно и равномерно не менее 400 датчиков, причем площадь, с которой производится сбор информации одного датчика должна составлять не более 25 см².

Для оценки возможности осуществления изобретения датчики ТФИ калибровали в абсолютных единицах поверхностной плотности теплового потока (Вт/см²). Для этого применяли вспомогательный излучатель, который калибровали по калориметру типа ТПИ-2-5 /8/. ТФИ подключали ко вторичному преобразователю (персональному компьютеру с соответствующим обеспечением: коммутатор, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи).

При применении предлагаемой манекенной системы ТФИ определяли тепловые поля в подкостюмном пространстве СИЗК, по величине которых с использованием справочных данных, например, представленных в работах /6, 7/, судили о появлении ожогов кожи человека определенной степени. Для определения термозащитных свойств СИЗК допускали возможность появления ожогов I степени на площади тела не более 5%, II степени - 3%.

Испытания по определению термозащитных свойств СИЗК в составе комплекса с использованием разработанного способа показали следующее:
в условиях воздействия импульса высокоэнергетического кратковременного (время облучения 1,0 с) излучения на двухслойное СИЗК, состоящее из огнезащитного костюма (ткань арт. 3303 с пропиткой ОП) и нательного белья (бязь арт. 276) - 42,32 Дж/см², для открытых участков кожи кистей рук и лица - 33,52 Дж/см². Полученные результаты хорошо согласуются с общеизвестными литературными данными.

Таким образом, применение заявляемого способа и устройства позволяет с высокой степенью достоверности определять термозащитные свойства СИЗК при их полномасштабных испытаниях в составе комплексов защитной одежды, используемых, личным составом подразделений противопожарной обороны, отрядов ликвидации последствий аварии различного характера и т.д.

Источники информации:
1. Apparel flammability: accident simulation and bench-scale tests.Text. Ress.J. - 1986, 56, 5, 287 - 303.

2. Protective clothing new research stated. Fire Int. - 1993, 17, 140, 27.

3. Thermo-Man. Zelte-Planen-Markisen. - 1989, 9, 8, 23.

4. Thermoman - Du Pont's burns test manicin. Fire, - 1989, 82, 1012, 34 (прототип).

5. Патент Японии N 3-76701 кл. G 01 N 25/18, Манекен для испытаний на воздействие окружающей среды //РЖ Изобретения стран мира. - 1993. - Вып. 84, - N 11.

6. Relationship Between Pain and Tissue Damage Due to Thermal Radiation. J. Appl. Phys. - 1959, 14, 373 - 377.

7. Effects of Extreme Heat on Man. J. of Am.Med.Ass. - 1950, 10, 144, 732 - 738.

8. Преобразователь первичный измерительный калориметрический. Паспорт ПН 40.000 ПС.

Способ может быть использован в создании инструментальных способов определения защитных свойств средств индивидуальной защиты кожи человека от высокоинтенсивных термических поражающих факторов, к которым относятся световое излучение взрыва, пламя пожаров и т.д. Применяют манекенную систему теплофизических имитаторов кожи человека. На поверхности манекена располагают дискретно и равномерно датчики температуры в количестве 400. По величине температуры судят о появлении ожогов. Рабочее тело манекенной системы изготавливают из полимерной композиции с составом ингредиентов: эпоксидная смола ЭД-20 (основа) - 100 мас.ч., гексаметилендиамин (отвердитель) - 10 - 15 мас. ч., бронзовая пудра (наполнитель) - 20 - 25 мас.ч., с теплофизическими характеристиками, приближающимися к соответствующим характеристикам кожи человека. Способ позволяет повысить достоверность оценки термического поражения человека путем обеспечения адекватных условий теплопередачи через защитные материалы. 1 ил., 3 табл.

Способ определения термозащитных свойств средств индивидуальной защиты путем применения манекенной системы теплофизических имитаторов кожи человека с расположенными на ее поверхности датчиками температуры, по величине которой судят о появлении ожогов, отличающийся тем, что рабочее тело манекенной системы изготавливают из полимерной композиции с составом ингредиентов: эпоксидная смола ЭВ-20 (основа) - 100 мас.ч., гексаметилендиамин (отвердитель) - 10 - 15 мас.ч., бронзовая пудра (наполнитель) - 20 - 25 мас. ч. , с теплофизическим характеристиками, приближающимися к соответствующим характеристикам кожи человека, с толщиной, обеспечивающей условия нагрева полуограниченного тела, а датчики температуры располагают дискретно и равномерно по поверхности манекена в количестве 400.