Полотно противопожарное на основе микрокапсулированных огнетушащих веществ Российский патент 2021 года по МПК A62D1/00 

Область техники

Изобретение относится к автономным средствам пожаротушения, а именно к полимерным композиционным материалам, содержащим огнетушащее вещество в форме микрокапсул и предназначенным для создания автономных устройств тушения огня, не требующих применения автоматизации и участия человека.

Предшествующий уровень техники

Принцип действия микрокапсулированного огнетушащего вещества (ОТВ) основан на импульсном (взрывоподобном и/или ударном) выбросе инкапсулированного в ядре микрокапсулы огнетушащего термоактивируемого вещества в зону активного горения при превышении в защищаемом объеме температуры активации и/или прямом контакте с пламенем.

Из информационных источников известно, что противопожарное полотно (ПП) (кошма, покрывало) является одним из самых простых средств огнетушения применяемых для тушения локальных очагов возгорания. Оно входит в состав стандартного оборудования противопожарных щитов как бытовых, так и производственных зданий. Основными критериями для выбора материала для изготовления ПП являются высокая огнестойкость и низкая воздухопроницаемость. Для этих целей, в основном, применяются асбестовые полотна и стекло - минеральные ткани. В качестве примера ПП можно привести имеющиеся в продаже ПП «Асбестовая кошма, 1.5×2.0 ЩИТ» ТУ 38114293-85 и ПП на основе стеклоткани «ПРЕСТИЖ ПП-600 2.0×1.5» ТУ 4854-001-63453197-2009, (https://spb.vseinstrumenti.ru/bezopasnost/oborudovanie/pozharnoe/polotna-protivopozharnye/prestizh/pp-600-2-0h1-5/).

Асбестовые ткани обладают наибольшей огнестойкостью и низкой воздухопроницаемостью, однако содержат канцерогены и признаны вредными для здоровья. Поэтому в настоящее время применяются полотна на основе стеклоткани.

Наиболее распространенные модели полотна - ПП 300, 600, 1000 рассчитаны на гашение очагов возгорания различной температуры.

Применяются ПП посредством набрасывания полотна на очаг возгорания и последующего плотного прижима краев полотна к земле (полу) для предотвращения доступа воздуха.

Недостатком ПП является длительное время тушения возгорания (до нескольких минут), возможность повторного возгорания после снятия полотна при поступлении новой порции кислорода к тлеющим фрагментам очага и ограниченность применения, поскольку не всегда форма объекта возгорания позволяет полностью изолировать его от воздуха с помощью ПП.

Для повышения эффективности ПП их основу пропитывают различными составами.

Так, в патенте на полезную модель RU 126945, А62С 8/06, опубл. 20.04.13 Бюл. №11 для увеличения эффективности тушения на поверхность полотна наносят гель, содержащий воду, загущенную полисахаридами типа агар, крахмал и др. В состав геля вводят ингибиторы горения и адсорберы тепла. Недостатками такого покрывала являются необходимость хранения в герметичной упаковке во избежание высыхания и низкая стойкость к плесневым грибам, т.к. водные гели полисахаридов являются хорошей питательной средой для их размножения.

В патенте на полезную модель RU 126945, А62С 8/06, опубл. 20.04.13 на поверхность полотна наносят аэрозольобразующие составы на основе пластифицированных органических полимеров с добавками нитрата калия или перхлората аммония. Увеличение эффективности тушения происходит за счет того, что при нагреве выше (334,5-400)°С для нитрата калия или (200-300)°С для перхлората аммония соли начинают разлагаться с выделением активного кислорода, который при высокой температуре провоцирует возгорание органического полимера. В результате быстрого сгорания аэрозольобразующего состава в окружающее пространство выделяется большое количество аэрозоля (дыма), приводящего к тушению возгорания. Недостатком такого полотна является высокая начальная температура срабатывания и значительное количество дыма, содержащего вредные и коррозионно активные вещества типа хлора и его производных, которые образуются при разложении перхлората аммония.

В патентах на изобретения RU 2389525 А62 D 1/00, опубл. 20.05.10 Бюл. №14 и RU 2469761, А62 D 1/00, опубл. 20.12.2012 Бюл. №35 предлагается на полотно наносить полимерный компаунд, содержащий микрокапсулированные огнетушащие вещества типа хладона 114В2, или перфторэтил-перфторизопропил-кетон, или дибромметан, бромзамещенные углеводороды, фторбромзамещенные углеводороды в жидком состоянии. Высокая эффективность тушения такими материалами достигается за счет импульсной доставки огнетушащего вещества из вскрывающихся микрокапсул непосредственно в очаг возгорания. Попадая в очаг возгорания, молекулы огнегасящего вещества распадаются с образованием свободных радикалов, обрывающих кинетические цепи процесса горения, прекращая его развитие в течение нескольких секунд. Продукты термодеструкции, кроме того, обеспечивают изоляцию очага возгорания от воздуха и препятствуют повторному возгоранию. Применение микрокапсулированных ОТВ позволяет снизить температуру начала срабатывания до (120-140)°С и избавиться от дымовыделения. Пожаротушащие материалы такого типа относится к пассивно термоактивируемым, выделение огнегасящего агента из которых происходит при повышении температуры и прекращается после ее снижения. Недостатком такого покрывала является медленное выделение огнетушащего вещества при повышении температуры, поскольку микрокапсулы вскрываются не единовременно, а последовательно по мере прогрева материала полотна. Такой механизм срабатывания приводит к подавлению возгорания и только в зоне прямого контакта с огнем. Кроме того, такое покрывало неэффективно при тушении возгорания в пространствах с циркуляцией воздуха, т.е. в условиях, когда не удается полностью перекрыть доступ кислорода, например, при тушении двигательных отсеков автомобиля.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент на изобретение RU 2559480, А62D 1/00, опубл. 10.08.14 Бюл. №22, в котором для повышения скорости прогрева материала на поверхность микрокапсул наносят дополнительную оболочку черного цвета, которая способствует увеличению интенсивности поглощения лучистой энергии, и, соответственно, увеличению скорости прогрева микрокапсул и скорости их вскрытия с выделением огнетушащих веществ.

Несмотря на некоторое увеличение интенсивности выделения огнетушащих веществ, такое покрывало также относится к пассивным средствам пожаротушения. Кроме того, нанесение дополнительной оболочки приводит к усложнению технологии, а, следовательно, и к удорожанию покрывала.

Раскрытие изобретения

Задачей создания настоящего изобретения является разработка нового противопожарного полотна на основе микрокапсулированного ОТВ, свободного от недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности пожаротушения локальных очагов возгорания.

Поставленная задача была решена путем создания противопожарного полотна (ПП) в виде многослойной конструкции, которая включает функциональный слой и несущий слой. Отличие конструкции заключается в том, что функциональный слой выполнен из композиционного материала, состоящего из термоактивируемой полимерной матрицы и микрокапсул с ядром из огнетушащего вещества, при этом в качестве термоактивируемой полимерной матрицы используют нитроцеллюлозу-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2%, при следующем соотношении компонентов, масс%:

термоактивируемая матрица - нитроцеллюлоза-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% 20-50 микрокапсулы с ядром из огнегасящего вещества 50-80,

при этом композиционный материал получен с использованием стабилизатора и пластификатора, при следующем соотношении компонентов в масс% в пересчете на нитроцеллюлозу:

стабилизатор 1-2 пластификатор 0-25.

Кроме того, в качестве огнетушащего вещества используют микрокапсулированные жидкие и/или газообразные галогенсодержащие углеводороды, например, 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.

Кроме того, в качестве стабилизатора используют дифенилметан, централиты.

Кроме того, в качестве пластификатора используют дибутилфталат.

Поставленная задача была решена новым, не известным ранее, применением горючего вещества - нитроцеллюлозы-коллоксилин (НЦК) с содержанием азота от 10,7% до 12,2% в качестве термоактивируемой полимерной матрицы микрокапсулированного ОТВ.

Выбор в качестве вещества матрицы нитроцеллюлозы-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% обусловлен несколькими факторами, а именно:

- технической доступностью, промышленно выпускается коллоксилин лаковый по ГОСТ Р 50461-92,

- верхний предел по содержанию азота ограничен концентрацией нитрогрупп, при которой НЦ переходит в категорию взрывчатых веществ,

- нижний предел ограничен техническими условиями, что не исключает возможности использования нестандартного продукта, если его применение не ограничено растворимостью в применяемых растворителях, обеспечивающих возможность образовывать однородный раствор для диспергирования микрокапсул.

Новый вариант конструкции полотна с функциональным слоем на основе композиционного материала с термоактивируемой полимерной матрицей обладает повышенной эффективностью тушения за счет практически единовременного вскрытия микрокапсул с ОТВ с одновременным деструктивным разрушением матрицы и выделения значительного количества нейтральных газов, дополнительно блокирующих очаг возгорания. При этом активация полимерной матрицы и срабатывание функционального слоя происходит не только в зоне прямого контакта с огнем, но и в прилегающих фрагментах полотна под воздействием повышенных температур. При этом происходит залповый выброс всего огнетушащего агента, приводящий к эффективному подавлению очага возгорания. Применение ПП с термоактивируемой полимерной матрицей значительно сокращает время тушения возгорания, причем даже в условиях, когда невозможно полностью изолировать очаг от доступа воздуха и предотвращает возможность повторного возгорания.

Отличительные признаки изобретения проявили в заявляемой совокупности существенных признаков новые свойства, явным образом не вытекающие из уровня техники в данной области и неочевидные для специалиста.

Идентичной совокупности признаков не обнаружено в патентной и научно-технической литературе.

Следует учесть, что при создании настоящего изобретения возможности повышения огнетушащей способности микрокапсулированного ОТВ далеко не исчерпаны.

Осуществление изобретения

В заявляемом изобретении предложена конструкция ПП, состоящая из функционального и несущего слоев, в которой функциональный слой представляет собой композиционный материал, состоящий из термоактивируемой полимерной матрицы, микрокапсул с ядром из ОТВ, стабилизатора и пластификатора.

При этом в качестве термоактивируемой матрицы использован горючий полимерный материал, способный самостоятельно, после кратковременного огневого воздействия, поддерживать горение композита с микрокапсулами ОТВ и обеспечивать, таким образом, залповый выброс всего огнетушащего агента и быстрое подавление очага возгорания в защищаемом объеме.

В качестве матрицы такого материала предложено использовать горючий полимерное вещество - нитроцеллюлозу-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2%.

Неограниченная растворимость НЦК в таких относительно полярных растворителях, как кетоны, сложные эфиры и совместимость с такими пластификаторами, как дибу-тилфталат, позволяет получать вязкие растворы, пригодные для наполнения микрокапсулами в широком диапазоне - до 80% вес (по отношению к композиции с НЦК), при этом нет ограничений по применению других растворителей, пластификаторов, в том числе, полимерных, и стабилизаторов. Удаление из готовых изделий легко летучих растворителей, содержащихся в относительно небольшом количестве, не вызывает каких-либо технических трудностей.

В состав термоактивируемой полимерной матрицы вводят микрокапсулы с ядром из огнетушащего вещества, в качестве которого используют жидкие игалогенсодержащие углеводороды, например, 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.

Для обеспечения стабильности композитов с матрицей из НЦ при эксплуатации при повышенных температурах и прямом доступе атмосферной влаги в состав вводят один из известных стабилизаторов, таких как дифенилметан, централиты и др.

Для регулировки эластичности материала в его состав вводят пластификаторы, например, дибутилфталат.

Композиционный материал функционального слоя имеет следующее соотношение компонентов, масс %,

термоактивируемая матрица - нитроцеллюлоза-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% 20-50 микрокапсулы с ядром из огнегасящего вещества 50-80,

при этом композиционный материал получен с использованием стабилизатора и пластификатора, при следующем соотношении компонентов в масс% в пересчете на нитроцеллюлозу:

стабилизатор 1-2 пластификатор 0-25.

Предлагаемая полезная модель поясняется рисунками - фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 показан разрез конструкции огнегасящего противопожарного полотна, на фиг. 2 - устройство деревянного штабеля (модельного очага пожара класса А) для проведения огневых испытаний.

ПП представляет собой многослойную конструкцию и состоит из функционального огнегасящего композиционного материала 1 с распределенными в нем микрокапсулами, несущей основы 2. В качестве основы можно применять стеклоткани или минеральные ткани, обладающие хорошими механическими свойствами и высокой термостойкостью.

При тушении ПП набрасывают на очаг возгорания функциональным слоем вниз перекрывая всю площадь очага. При соприкосновении с пламенем происходит возгорание функционального слоя и его беспламенное горение за счет кислорода, входящего в состав самой нитроцеллюлозы. При этом скорость распространения возгорания по поверхности материала на порядок выше ее прогорания внутрь материала. Это приводит к практически одновременному вскрытию микрокапсул с ОТВ по всему материалу. Горение матрицы сопровождается ее полной деструкцией, что обеспечивает беспрепятственный залповый выброс огнетушащего вещества в очаг возгорания, его локализацию и тушение.

Дополнительным фактором, обеспечивающим повышенную эффективность предлагаемого композиционного материала, является выделение при сгорании НЦК значительного количества не поддерживающих горение газообразных продуктов, в среднем 10 л на 10 г нитроцеллюлозы-коллоксилин, основными из которых являются азот (45%), углекислый газ (13,3%), окись углерода (31,6%) и вода, которые дополнительно блокируют доступ кислорода и осуществляют быструю доставку ОТВ к очагу возгорания.

Испытания автономной установки пожаротушения «Противопожарное полотно» проводили на образцах полотна размером 90×80 см. При этом масса композиционного материала на полотне, при ее наличии, составила 160-170 г. Результаты сравнительных испытаний известных противопожарных полотен и предлагаемого технического решения приведены в таблице. Испытания проводили на модельных очагах пожара класса А категории 0,1 А и класса В категории 8 В по следующей методике.

Модельный очаг пожара класса А категории 0,1 А (фиг. 2) представляет собой деревянный штабель в виде куба, состоящего из деревянных брусков 3 длиной 200 мм и сечением 40×40 мм, уложенных в шесть слоев по три штуки в слое. Бруски 3 установлены на стальные уголки 4 и бетонные (металлические) блоки 5.

Под штабелем размещают поддон с бензином АИ-92. Через 7 мин после по джига бензина, поддон убирают и приступают к тушению. Тушение проводят с помощью противопожарного полотна размером 90×80 см. При тушении с помощью ПП, содержащего композицию на основе микрокапсулированного ОТВ, количество композиции составляло 160-170 г на полотно.

При тушении модельный очаг пожара накрывают движением «от себя» рабочей стороной покрывала к очагу. Плотно прижимают покрывало со всех сторон штабеля, для минимизации доступа кислорода к модельному очагу. Через 10 мин или после визуально наблюдаемого окончания тушения модельного очага противопожарное полотно убирают и фиксируют:

- отсутствие повторных возгораний;

- результат тушения;

- отсутствие сквозных прогаров рабочей (и внешней) сторон покрывала.

Очаг считают потушенным, если в течение 1 мин не произошло его самовоспламенение.

Модельный очаг возгорания класса В категории 8 В представляет собой круглый противень, изготовленный из листовой стали, диаметром 800 мм с высотой борта 150 мм. В противень заливают 5 л бензина АИ-92 и поджигают. Через 60 сек приступают к тушению. При тушении модельный очаг пожара накрывают движением «от себя» рабочей стороной покрывала к очагу. Прижимают покрывало со всех сторон противня, для минимизации доступа кислорода воздуха к модельному очагу.

После визуально наблюдаемого окончания тушения модельного очага противопожарное полотно убирают и фиксируют:

- отсутствие повторного воспламенения;

- результат тушения;

- отсутствие сквозных прогаров рабочей (и внешней) сторон покрывала.

Очаг считают потушенным, если в течение 1 мин не произошло его самовоспламенение.

Из представленных в таблице данных, очевидно, что эффективность тушения очага возгорания ПП с предлагаемой активной термоактивируемой матрицей существенно выше, чем у аналогов.

Способ получения противопожарного полотна для огнетушения содержит следующую последовательность операций.

Для изготовления ПП с заявляемым функциональным слоем готовят 20-60%-ный раствор нитроцеллюлозы-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% в ацетоне, или в этилацетате, или в бутилацетате, или в смеси указанных растворителей. В приготовленный раствор вводят стабилизатор 1-2 масс% в пересчете на НЦК, дибутилфталат 0÷25 масс% в пересчете на НЦК и микрокапсулы 50÷80% масс. в пересчете на композицию с нитроцеллюлозой-коллоксилин. Из полученной массы изготавливают ПП путем ее нанесения через открытый трафарет на несущую основу с последующей сушкой в вытяжном шкафу. Функциональный слой так же можно наносить методом экструзии через фигурные или щелеобразные фильеры с последующим удалением из них растворителя. В качестве подложки используют стеклоткань.

Приведенные ниже примеры реализации изобретения не ограничивают иные возможности осуществления изобретения.

Пример 1.

Для приготовления композиции для формирования функционального огнегасящего слоя готовят 20-60%-ный раствор нитроцеллюлозы в ацетоне, или в этилацетате, или в бутилацетате, или в смеси указанных растворителей. В приготовленный раствор вводят стабилизатор 1-2 масс% в пересчете на нитроцеллюлозу, дибутилфталат 0÷25 масс% в пересчете на нитроцеллюлозу-коллоксилин и микрокапсулы с огнегасящим агентом (перфтор (этил-изопропилкетон) в оболочке из резорцино-мочевино-формальдегидной смолы в трехкратном количестве относительно содержания нитроцеллюлозы-коллоксилин. 50÷80 масс% в пересчете на композицию нитроцеллюлозой-коллоксилин. Из полученной композиции изготавливают пожаротушащее полотно путем ее нанесения через открытый трафарет на основу из стеклоткани марки PS-600 с последующей сушкой в вытяжном шкафу.

Пример 2.

Способ по примеру 1, отличается тем, что композит наносят на основу из минеральной ткани повышенной термостойкости.

Пример 3.

В отличие от примеров 1-2 в качестве, по меньшей мере, одного из микрокапсулированных огнетушащих веществ использовались 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.

Промышленная применимость

Применение нитроцеллюлозы-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% в качестве полимерной матрицы в огнетушащем материале - новая область использования НЦК, при котором используется ее основной недостаток - а именно высокая горючесть. Применение НЦК в таком аспекте позволяет создать высокоэффективные средства тушения огня в ограниченных объемах, срабатывающих в автономном режиме без применения автоматики и участия человека при кратковременном непосредственном огневом воздействии на них.

Изобретение относится к автономным средствам пожаротушения. Полотно противопожарное на основе микрокапсулированных огнетушащих веществ, включающее функциональный и несущий слои, отличающееся тем, что функциональный слой выполнен из композиционного материала, состоящего из полимерной матрицы и микрокапсул с ядром из огнетушащего вещества, при этом в качестве термоактивируемой полимерной матрицы используют нитроцеллюлозу-коллоксилин с содержанием азота от 10,7 до 12,2%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: термоактивируемая матрица - нитроцеллюлоза-коллоксилин с содержанием азота от 10,7 до 12,2% - 20-50; микрокапсулы с ядром из огнегасящего вещества - 50-80, при этом композиционный материал получен с использованием стабилизатора и пластификатора, при следующем соотношении компонентов, мас.%, в пересчете на нитроцеллюлозу:стабилизатор - 1-2; пластификатор - 0-25. Технический результат - повышение эффективности пожаротушения локальных очагов возгорания. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Полотно противопожарное на основе микрокапсулированных огнетушащих веществ, включающее функциональный и несущий слои, отличающееся тем, что функциональный слой выполнен из композиционного материала, состоящего из полимерной матрицы и микрокапсул с ядром из огнетушащего вещества, при этом в качестве термоактивируемой полимерной матрицы используют нитроцеллюлозу-коллоксилин с содержанием азота от 10,7 до 12,2%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

термоактивируемая матрица - нитроцеллюлоза-коллоксилин с содержанием азота от 10,7 до 12,2% 20-50 микрокапсулы с ядром из огнегасящего вещества 50-80,

при этом композиционный материал получен с использованием стабилизатора и пластификатора, при следующем соотношении компонентов, мас.%, в пересчете на нитроцеллюлозу:

стабилизатор 1-2 пластификатор 0-25

2. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что в качестве огнетушащего вещества используют жидкие и/или газообразные галогенсодержащие углеводороды, например 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.

3. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что в качестве стабилизатора используют дифенилметан, централиты.

4. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что в качестве пластификатора используют дибутилфталат.