Защитная экранирующая термостойкая ткань Российский патент 2018 года по МПК D03D15/00 A41D31/00 

Изобретение относится к области средств защиты человека и аппаратуры от воздействия неблагоприятных внешних факторов. В настоящее время при эксплуатации технических объектов существует целый ряд угроз для жизни и здоровья человека, а также для нормального функционирования разнообразной аппаратуры.

Предлагаемая защитная экранирующая ткань предназначена для предохранения человека и технической аппаратуры от воздействия таких неблагоприятных факторов как: термическое воздействие электрической дуги, электромагнитное поле промышленной частоты, наведенное и шаговое напряжение, электромагнитное поле радиочастотного диапазона, а также воздействие открытого пламени (человека) и электромагнитное поле промышленной частоты, наведенное и шаговое напряжение, электромагнитное поле радиочастотного диапазона (технической аппаратуры).

Известна ткань, вырабатываемая на ткацких станках, которая предназначена для пошива защитной одежды, снижающей воздействие электромагнитного излучения, а также для пошива экранирующих чехлов для аппаратуры, чувствительной к электромагнитным излучениям. Токопроводящая ткань содержит переплетенные между собой основные и уточные комбинированные электропроводные нити, состоящие из электроизоляционной и электропроводной компоненты, в ткань дополнительно введены электроизоляционные основные и уточные нити, причем нити в ткани переплетены с минимальными просветами, а электроизоляционная компонента выполнена из пряжи, используемой при производстве бытовых тканей (Патент RU 2354766, МПК D03D 15/00, опубл. 10.05.2009).

К недостатком технического решения по патенту RU 2354766 следует отнести следующее:

- Ткань предназначена для защиты только от одного вредного фактора - электромагнитного излучения, в то время как на практике приходится сталкиваться одновременно с несколькими вредными факторами, например, электромагнитным излучением, открытым пламенем, термическими рисками электрической дуги и т.д.

- При воздействии на ткань или костюм из этой ткани «больших токов» металлическая составляющая ткани может очень сильно нагреваться, что приводит к плавлению и возгоранию других ее составляющих.

- Структура ткани состоит из двух основных и двух уточных нитей, что увеличивает затраты на наработку ткани и делает невозможным производство ткани на всех видах ткацких станков.

Техническое решение по данному патенту рассматривается как аналог предлагаемого изобретения.

Известна также ткань, обладающая тепло, огне и электро (от электрической дуги) защитными свойствами, предназначенная для защитной одежды, которая содержит, по крайней мере, две различных нити основы, и, по крайней мере, две различных уточных нити, сплетенные вместе таким образом, что образуют смежные, замкнутые квадратные карманы, имеющие верхнюю и нижнюю тканевые поверхности, обладающие различными величинами термической усадки в трех измерениях. Пряжа основы и утка может быть представлена единичными нитями или многонитевыми волокнами. В качестве пряжи основы или утка может быть применен материал независимо выбранный из группы, состоящей из арамидных нитей или волокон, полибензиламидных нитей или волокон, полиамидимидных нитей или волокон, поли(парафенилен бензовисоксазол) нитей или волокон, фенолформальдегидных нитей или волокон, меламирновых нитей или волокон, природных нитей или волокон, стеклянных нитей или волокон, углеродных нитей или волокон, металлических нитей или волокон, а также комбинации перечисленных материалов; причем в ткани, по крайней мере, две различных нити основы и, по крайней мере, две различных нити утка переплетены вместе в чередующемся порядке так, что образуют комбинацию шахматной доски, причем два смежных кармана имеют различные верхние или нижние тканевые поверхности. (Патент США №7932194, МПК D03D 11/00, опубл. 26.05.2011). Техническое решение по данному патенту рассматривается как прототип предлагаемого изобретения.

К недостаткам технического решения по патенту США №7932194 следует отнести следующее:

- Сложная структура ткани, что существенно удорожает процесс ее производства.

- Отсутствие указания на оптимальные диапазоны процентного соотношения составляющих ткани. Данный фактор является основным, поскольку не при каждом процентном соотношении составляющих ткани обеспечивается необходимый баланс всех защитных свойств.

- Не обеспечивается возможность применения ткани для защиты от электрического поля промышленной частоты (50 или 60 Гц), наведенного и шагового напряжения, электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, присущих аналогу и прототипу, создание ткани, обеспечивающей комплексную защиту человека и аппаратуры от поражения шаговым и наведенным напряжением, электромагнитным полем радиочастотного диапазона, электрическим полем промышленной частоты, термическим воздействием электрической дуги и открытым пламенем.

Техническим результатом является создание ткани, обладающей универсальными защитными свойствами и простой в производстве.

Поставленные техническая задача и результат обеспечиваются тем, что в защитной экранирующей ткани, содержащей пряжу из арамидных и металлических волокон пряжа выполнена многокомпонентной из вышеуказанных штапельных волокон, взятых в следующем соотношении:

5-15% - полиамидное волокно

20-41% - арамидное волокно

44-70% - металлическое волокно, причем структура ткани состоит из одной уточной и одной основной нитей.

В качестве арамидного штапельного волокна может быть применен метаарамид, параарамид или их смесь, а металлические штапельные волокна могут быть выполнены из нержавеющей стали. Кроме того, вместо металлических волокон могут быть использованы волокна с гальваническим покрытием. Путем подбора номера пряжи ее поверхностная плотность находится в диапазоне 110-600 г/м². Ткань может быть изготовлена полотняным, саржевым, сатиновым, атласным или смешанным переплетением. Размер штапельных волокон составляет 40-55 мм. Электрическое сопротивление ткани составляет не более 10 Ом.

Принципиально, что в пряже применяются как металлические, так и арамидно-полиамидные штапельные волокна. Применение металлического штапельного волокна позволяет сохранить электрическую проводимость ткани или выполненной из него одежды на высоком уровне, тогда как применение металлической мононити в результате эксплуатации и промышленных стирок (при многократных изгибах ткани) разрушается, «рвется», при этом нарушается электрическая проводимость ткани, что ведет к ухудшению защитных экранирующих свойств ткани. Визуально это никак не проявляется, поэтому человек ошибочно полагает, что он защищен от вредных факторов внешней среды.

Кроме того важно отметить, что применение штапельных волокон в ткани позволяет обеспечивать токопроводящую связь между отдельными элементами защитного комплекта (костюм, система индивидуальной защиты рук, обувь) за счет электрической проводимости ткани.

Проведенные испытания показали высокую эффективность защиты человека и аппаратуры от вредных поражающих факторов.

Ниже приведены результаты исследований по защите человека от поражения шаговым и наведенным напряжением, электромагнитным полем радиочастотного диапазона, электрическим полем промышленной частоты, термическим воздействием электрической дуги и открытым пламенем.

Защита от поражения шаговым и наведенным напряжением.

В случае наведенного (Фиг 1) и шагового (Фиг. 2) напряжения работает принцип «шунтирования» электрического тока через тело человека, попавшего под наведенное или шаговое напряжение. Учитывая низкую величину электрического сопротивления ткани костюма (не более 10 Ом) относительно электрического сопротивления тела человека (электрическое сопротивление тела человека в расчетах принимается равным 1 кОм). При такой схеме ток через тело человека снижается до безопасных значений (до значений ниже порога чувствительности: 0,8-1,5 мА при частоте 50 Гц).

Защита от электрического поля промышленной частоты (50 или 60 Гц).

Объектами защиты в этой сфере являются, в частности, такие устройства и системы как:

- Устройства для производства, распределения и потребления энергии

- Электроснабжение железнодорожного транспорта

- Электроснабжение промышленных предприятий

Принцип защиты состоит в том, что защитный комплект, изготовленный из данного материала, создает вокруг тела человека (защищаемых объектов) замкнутую электропроводящую оболочку (Клетку Фарадея). Эта оболочка позволяет существенно снизить внутри, на поверхности объекта экранирования (в идеальном случае до 0) напряженность электрического поля. Результаты экспериментов по экранированию электрического поля промышленной частоты приведены в таблице 1.

В соответствии ГОСТ 12.4.287-2014 коэффициент экранирования должен составлять 40 dB. Анализ результатов испытаний (табл. 1) показывает, что испытанная ткань имеет коэффициент экранирования в 3-4 раза более высокий, чем предусмотрено названным ГОСТ.

Важной задачей является обеспечение защиты человека и аппаратуры от токов, обусловленных наведенным напряжением в электрическом поле промышленной частоты. Результаты экспериментов, проведенных в этой области представлены в таблице 2. Анализ полученных результатов показывает, что костюм из ткани обладает значительной эффективностью шунтирования токов под наведенным напряжением, поскольку позволил без разрушения защитных элементов и заметного повышения тока через манекен пропускать через одежду ток 40 А в течение 30 сек. Таким образом, обеспечено выполнение требований ГОСТ 12.4.283-2014 «Система стандартов безопасности труда. Комплект защитный от поражения электрическим током. Общие технические требования и методы испытаний».

Защита от электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

В современной технике широко применяются устройства, работающие в радиочастотном диапазоне, который может быть разделен на следующие поддиапазоны:

- НЧ - низкие частоты (30-300 кГц)

- СЧ - средние частоты (0.3-3 МГц)

- ВЧ - высокие частоты (3-3 ОМГц)

- ОВЧ - очень высокие частоты (30-300 МГц)

- УВЧ - ультравысокие частоты (0.3-3 ГТц)

- СВЧ - сверхвысокие частоты (3-30 ГТц)

- КВЧ - крайне высокие частоты (30-300 ГГц)

В этих диапазонах работают следующие установки и системы:

- Базовые станции телекоммуникаций

- системы аэронавигации и управления воздушным движением (маркерные маяки, радиосистемы навигации и посадки)

- Радио и ТВ-передатчики

- Установки ВЧ - нагрева (печи, в т.ч. плавильные)

- Метеорологические системы

- Спутниковое вещание.

Реализация свойств ткани по защите человека и аппаратуры от электромагнитного поля радиочастотного диапазона основана на принципе отражения и поглощения электромагнитных волн. Этот принцип иллюстрируется схемой на фиг. 3

Результаты испытаний свойств ткани по защите от электромагнитного поля радиочастотного диапазона приведены в табл. 3. В этой таблице приведены результаты со стороны спины, поскольку в данном случае они не зависят от конструкции испытуемого защитного комплекта, а отражают только технические характеристики ткани. В таблице под термином «фон» понимается внешнее электромагнитное поле от испытательной рупорной антенны в точке, где установлен зонд внутри радиопрозрачного манекена (в последствии на него одевается костюм для испытаний). При этом для частот 100 и 300 МГц - это величина напряженности электрической составляющей Е, измеряемая в В/м, а для остальных частот - это величина плотности потока мощности Р, измеряемая в мВт/см².

Анализ результатов испытаний приведенных в табл. 3 показывает, что одежда, изготавливаемая из предлагаемой ткани, позволяет обеспечить защиту человека от излучений в широком диапазоне радиочастот, соответствующих большинству групп промышленных и бытовых источников электромагнитных излучений.

Коэффициент экранирования одежды - регламентирован ГОСТ Р 12.4.292-2013 «ССБТ. Комплект экранирующий для защиты персонала от электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Общие технические требования» - 30 дБ.

Фактические показатели выше нормативного значения. Кроме этого, коэффициент экранирования обусловливает значительное ослабление внешнего электромагнитного поля до величин, которые значительно ниже регламентированных в СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях».

Защита от термических ожогов, вызванных электрической дугой.

Способность ткани предохранять человека от термических ожогов, вызванных электрической дугой обусловлена наличием в структуре ткани арамидного волокна. Это волокно обладает высокой термической устойчивостью, низкой теплопроводностью, не поддерживает горение, не плавится, имеет высокие физико-механические показатели.

Защитный механизм ткани действует следующим образом:

под воздействием высокой температуры на поверхности ткани образуется карбонизированный защитный слой, формирующий стабильную пористую структуру материала, препятствующую проникновению тепловой энергии через материал к телу человека, что сводит к минимуму возможность получения человеком ожогов кожи 2 и 3 степени тяжести.

При проведении опытов по воздействию дуги на образцы ткани параметры дуги были следующими: действующее значение тока 7-9 кА, длительность горения дуги 0,2 сек. Наибольшее значение падающей энергии было в диапазоне 377-461 кДж/м². При проведении экспериментов с тремя пакетами ткани коэффициент снижения тепла находился в пределах 79,5-83,8, условия для получения ожога второй степени не возникало, воспламенения ткани не происходило.

Защита от открытого пламени.

Этот вид защиты особенно актуален при возникновении пожаров в производственных и бытовых условиях, и позволяет человеку в данном защитном комплекте покинуть очаг возгорания с минимальным вредом для здоровья.

Защита в этом случае также обеспечивается наличием в ткани арамидных волокон.

При проведении испытаний на огнестойкость в соответствии с ГОСТ 11209-2014 «Ткани для специальной одежды. Общие технические требования. Методы испытаний» опытный образец держали в открытом пламени в течение 30 секунд. По истечение указанного времени на образце,, который был изъят из пламени, следов остаточного горения и остаточного тления не наблюдалось.

Таким образом, комплекс проведенных испытаний показал целесообразность использования разработанной ткани для изготовления средств защиты человека и аппаратуры от воздействия неблагоприятных внешних факторов, что указывает на промышленную применимость предлагаемого изобретения.

Предлагаемая защитная экранирующая ткань предназначена для предохранения человека и технической аппаратуры от воздействия таких неблагоприятных факторов как: термическое воздействие электрической дуги, электромагнитное поле промышленной частоты, наведенное и шаговое напряжение, электромагнитное поле радиочастотного диапазона, а также воздействие открытого пламени (человека) и электромагнитное поле промышленной частоты. В защитной экранирующей ткани, содержащей пряжу из арамидных и металлических волокон, пряжа выполнена многокомпонентной из штапельных волокон, взятых в следующем соотношении: 5-15% - полиамидное волокно, 20-41% - арамидное волокно, 44-70% - металлическое волокно, причем структура ткани состоит из одной уточной и одной основной нитей. В качестве арамида применен метаарамид, параарамид или их смесь. Металлические волокна выполнены из нержавеющей стали. Они могут быть снабжены гальваническим покрытием. Поверхностная плотность пряжи находится в диапазоне 110-600 г/м². Ткань может быть изготовлена полотняным, саржевым, сатиновым, атласным или смешанным переплетением. Размер штапельных волокон составляет 40-55 мм. Электрическое сопротивление ткани составляет не более 10 Ом. Ткань может применяться для изготовления средств защиты человека и аппаратуры от воздействия неблагоприятных внешних факторов. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Защитная экранирующая термостойкая ткань, содержащая пряжу из арамидных и металлических волокон, отличающаяся тем, что пряжа выполнена многокомпонентной из штапельных волокон, взятых в следующем соотношении:

5-15% - полиамидное волокно;

20-41% - арамидное волокно;

44-70% - металлическое волокно,

причем структура ткани состоит из одной уточной и одной основной нитей.

2. Ткань по п. 1, отличающаяся тем. что в качестве арамида применен метаарамид, параарамид или их смесь.

3. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что металлические волокна выполнены из нержавеющей стали.

4. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что металлические волокна снабжены гальваническим покрытием.

5. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что путем подбора номера пряжи ее поверхностная плотность находится в диапазоне 110-600 г/м².

6. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что она может быть изготовлена полотняным, саржевым, сатиновым, атласным или смешанным переплетением.

7. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что размер штапельных волокон составляет 40-55 мм.

8. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что ее электрическое сопротивление составляет не более 10 Ом.

9. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивает защиту человека от поражения шаговым и наведенным напряжением, снижая величину тока через тело человека до безопасных значений - ниже порога чувствительности: 0,8-1,5 мА при частоте 50 Гц.

10. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивает защиту человека от электрического поля промышленной частоты 50 или 60 Гц в диапазоне напряжений от 1 до 70 кВ.

11. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивает шунтирование токов под наведенным напряжением, позволяя без разрушения защитных элементов и заметного повышения тока через манекен пропускать через одежду ток до 40 А в течение 30 с.

12. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивает защиту человека от электромагнитного поля радиочастотного диапазона 100-4000 МГц.

13. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивает защиту человека от термических ожогов, вызванных электрической дугой при действующем значении тока 7-9 кА, длительности горения дуги до 0,2 с, обеспечивая коэффициент снижения тепла в пределах 79,5-83,8, при этом условия для получения ожога второй степени не возникает и воспламенения ткани не происходит.

14. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что после воздействия открытого пламени в течение 30 с остаточного горения и тления не происходит.

15. Применение ткани по любому из пп. 1-14 для изготовления средств защиты человека и аппаратуры от воздействия неблагоприятных внешних факторов.