Фильтрующие угленаполненные материалы для специальной одежды, защищающие от воздействия высокотоксичных и химически опасных веществ

На современном этапе развития общества многие аспекты его функционирования требуют применения специальных мер по обеспечению безопасности жизни населения. Технический прогресс принес человечеству не только блага, но и множество проблем. Серьезную опасность сегодня представляют крупные запасы ядовитых веществ, 4 которыми располагают предприятия химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, мясомолочной промышленности, станции водоочистки, еще не уничтоженные запасы химического оружия.

Потенциальная опасность аварийных ситуаций с выливом или выбросом химически, опасных веществ на предприятиях и транспорте существовала всегда. В последние годы наметилась тенденция роста числа аварий и катастроф на химически опасных объектах. В случае аварии на производстве, использующем аварийно химически опасные вещества (АХОВ), в окружающую среду может выбрасываться значительное количество высокотоксичных веществ. Образующееся облако их паров распространяется в атмосфере на большие расстояния, создавая зоны заражения с концентрацией этих веществ опасной для жизни людей. В результате таких аварий воздействию опасных химических веществ может подвергаться не только персонал промышленных объектов, но и значительная масса населения, находящегося в зонах возможного заражения.

При разработке мероприятий по защите населения в чрезвычайных ситуациях применяются обычно стандартные способы защиты — строительство убежищ и укрытий, эвакуация населения, применение индивидуальных средств защиты [1,2,3]. Однако обеспеченность этими способами защиты в настоящее время крайне низка.

Согласно ГОСТ 22.3.03−97/ ГОСТ 22.3.03−94 население в этом случае должно использовать простейшие и подручные средства. В этом же документе поясняется, что простейшими и подручными* средствами могут являться противопыльные тканевые маски и повязки [4]. Эффективность защитного действия таких масок крайне невысока. Поэтому задача разработки средств индивидуальной защиты длянаселения с более приемлемым уровнем защитных свойств в настоящее время стала весьма актуальной.

В последние годы участились случаи террористических акций, направленных, на критически важные для национальной безопасности объекты, или совершаемых с применением особо опасных технологийтехнических средств и материалов — химических, биологических, радиационных.

По мнению зарубежных экспертов, возможность применения-террористами химического и биологического оружия в значительной степени связана с его доступностью, открытостью данных о новейших разработках в области химии и биологии в электронных средствах информации, либерализацией торговли, слабостью экспортного контроля.

Наиболее распространенными и доступными химическими веществами и биологическими агентами проведения террористических актов являются химически опасные вещества (хлор, фосген, цианистый водород и др.), токсичные пестициды, психогенные и наркотические вещества, природные яды и токсины, (стрихнин, рицин, бутулотоксин и другие) — возбудители опасных инфекционных заболеваний (сибирской язвы, туляремии, натуральной оспы, гепатита и др.) [5].

Примерами террористических акций могут служить неоднократное применение отравляющих веществ. в Японии членами религиозной секты «Аум' Сенрике», преднамеренное инфицирование фруктов вирусом гепатита в Таджикистане в 1995 году, попытки производства рицина на территории Грузии, в Париже и Лондоне, рассылка, по почте писем со спорами сибирской язвы. В 2000 году в Подмосковье была пресечена попытка использования против жителей Москвы высокоактивного источника радиации, вывезенного с химического завода в г. Грозном. В 2002 году в Чечне в тайниках нашли сулему и мышьяк, а также инструкции по изготовлению отравляющих веществ в полевых условиях.

Особую опасность представляет применение высокотоксичных химических веществ в местах с большим скоплением людей — в метро, аэропортах, железнодорожных вокзалах, развлекательных центрах.

Террористические проявления последних 10 лет отличаются ростом м ущерба и количества человеческих жертв. Теракты в Нью-Йорке, Москве, Беслане, Мадриде и Лондоне подтвердили необходимость принять меры по минимизации потерь в случае их повторения.

Существенно снизить потери от поражающих факторов, образующихся в результате террористических актов, возможно путем разработки различных систем защиты, в том числе и специальных средств индивидуальной защиты населения в местах их массового проживания и скопления.

В нашей стране обеспечение защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также последствий совершения террористических акций относитсяг к сфере-обеспечения национальной безопасности. Средства индивидуальной защиты (противогазы, респираторы, детские защитные камеры, профилактические медицинские препараты), по-прежнему, остаются одними из наиболее эффективных способов защиты населения от поражающих факторов, вызываемых террористическими актами и авариями на химически опасных объектах [6]. Однако, как отмечается в Государственном докладе МЧС России о состоянии защиты населения и территорий РФ от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2003 году, вследствие экономических трудностей в стране продолжается процесс неуклонного снижения обеспеченности ими населения. В 2004 году был подготовлен Федеральный план повышения защищенности критически важных объектов инфраструктуры и населения на 2004;2008гг. В рамках целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2005;2006г.г. получило развитие приоритетное направление «Безопасность и противодействие терроризму». В качестве одного из путей реализации этого направления рассматривалась разработка облегченных средств I ч индивидуальной защиты органов дыхания и кожных покровов для населения на основе специальных защитных материалов.

Задача обеспечения безопасности населения в чрезвычайных ситуациях, связанных с заражением территории химически опасными веществами, требует специфических подходов к ее решению. В отличие от принятых на снабжение в Минобороны и МЧС различных многофункциональных, многослойных, достаточно громоздких и дорогих защитных комплексов многократного применения с высоким уровнем защиты здесь необходимы дешевые, легкие, компактные, обеспечивающие безопасный выход из зоны заражения одноразовые изделия.

Настоящая работа направлена на решение. актуальной задачи — создание эффективных защитных материалов для изготовления облегченных средств индивидуальной защиты кожных покровов и органов дыхания населения от проявлений химического терроризма и техногенных аварий.

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» и ОАО «Казанский химический научно-исследовательский институт» в рамках:

1. Государственного контракта № 02.447.11.6002 от 02.08.2005 г. по теме БТ- 22/2/002 Технология индивидуальной защиты людей в местах их постоянного пребывания от радиационных, химических и биологических воздействий, образующихся в результате террористичебских актов", принятой по решению конкурсной комиссии Роснауки, протокол № 13 от 02.08.2005 г. Федерального агентства по науке и инновациям.

2″. Государственного контракта № 02.513.11.3376 от 12.11.2007 г. по теме «Разработка новых принципов создания средств индивидуальной защиты на основе современных защитных материалов», принятой по решению конкурсной комиссии Федерального агентства по науке и инновациям, протокол № 31 от 09.11.2007 г.

Цель и задачи исследования

.

Целью работы является создание фильтрующих защитных материалов на основе угленаполненной целлюлозы для изготовления специальной одежды, обеспечивающей защиту кожных покровов и органов дыхания людей от химических воздействий, образующихся в результате террористических актов и техногенных аварий.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Исследовано влияние состава целлюлозной композиции и способов ее подготовки на свойствафильтрующе-сорбирующего защитного материала.

2. Изучены особенности пористой структуры и сорбционных свойств угленаполненной целлюлозы. :

3. Исследовано влияние вида и содержания адсорбента на свойства фильтрующе-сорбирующего защитного материала.

4. Исследовано влияние вида и содержания связующего на свойства фильтрующе-сорбирующего защитного материала.

Объекты и методы исследований.

Основными объектами исследований являлись угленаполненные целлюлозные материалы пригодные для использования в защитной одежде и в средствах защиты органов дыхания.

С использованием стандартных и специально разработанных методов исследованы защитные свойства, пористая структура, физикомеханические и физиолого-гигиенические показатели разработанных материалов.

Исследование пористой структуры и сорбционных свойств активированного угля и угленаполненных материалов проводили методом ртутной порометрии, термогравиметрическим методом, а также на высоковакуумной установке по адсорбции паров бензола в изотермических условиях.

Экспресс-оценку защитных свойств материалов проводили путемг определения времени удерживания паров уксусной кислоты.

Оценку защитных свойств материалов от конкретных химических веществ проводили путем определения количества этих веществ, проникших через испытуемый образец за время испытания.

Научная новизна.

1. Впервые создан фильтрующий угленаполненный материал на основе целлюлозы с заданнымисорбционными и защитными свойствами. Исследованы сорбционные и защитные свойства угленаполненных целлюлозных материалов при воздействии высокотоксичных и аварийных химически опасных веществ (АХОВ).

2. Выявлены закономерности изменения сорбционных и защитных свойств угленаполненной целлюлозы в зависимости от вида целлюлозы и активированного угля.

3. Показана возможность повышения защитных характеристик угленаполненных целлюлозных материалов при введении в состав композиции угля-катализатора.

4. Показано,' что введение в композицию аминосодержащей полиамидной модифицированной эпихлоргидрином смолы и полипропиленового волокна обеспечивает необходимые эксплуатационные и физико-механические показатели защитных материалов и не снижает сорбционные свойства активированного угля, содержащегося в материалах.

5. Установлены оптимальные количественные соотношения компонентов угленаполненных целлюлозных материалов для средств защиты кожи и средств защиты органов дыхания.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны фильтрующие защитные угленаполненные материалы, обладающие достаточной прочностью в сухом и влажном состоянии, небольшой массой, необходимой эластичностью и драпируемостью, для изготовления средств индивидуальной защиты кожных покровов и органов дыхания от воздействия высокотоксичных и аварийных химически опасных веществ при техногенных авариях или совершении террористического акта.

2. Разработана технология изготовления угленаполненного целлюлозного материала для средств индивидуальной защиты кожи от высокотоксичных и аварийных химически опасных веществ.

3. Разработана технология изготовления сорбирующего угленаполненного материала с низким сопротивлением воздушному потоку для средств индивидуальной защиты органов дыхания от высокотоксичных и аварийных химически опасных веществ.

4. Разработаны пакеты защитных материалов для СИЗК и СИЗОД и технология их изготовления.

5. Предложена конструкция специальной защитной одежды и фильтрующего бескоробочного респиратора-капюшона для защиты органов дыхания. Технология изготовления средств индивидуальной защиты предусматривает использование традиционных методов пошива швейных изделий.

6. Разработана нормативно-техническая документация (ТУ и ТР) на. комплект защитной фильтрующей одежды и респиратор — капюшон бескоробочный Р-КБФ.

Результаты диссертационной работы внедрены в. ОАО «Казанский химический научно-исследовательский институт» с экономическим эффектом 1,985 млн руб.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований влияния количественного соотношения небеленой сульфатной целлюлозы и активированного угля на свойства угленаполненного материала. Разработка оптимального соотношения небеленой сульфатной целлюлозы и определенной марки активированного угля для получения фильтрующих сорбирующих материалов: 40±5% угля, 60±5% целлюлозы. Закрепление активированного угля в защитном материале определяется степенью.

V"подготовки целлюлозы и дисперсностью угля.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния вида и дисперсности активированного угля на свойства угленаполненного материала.

3. Результаты экспериментальных исследований способов получения фильтрующих защитных угленаполненных материалов для средств индивидуальной защиты кожи и органов дыхания.

4. Результаты экспериментальных исследований по повышению эксплуатационных и физико-механических свойств угленаполненных целлюлозных материалов путем введения в композицию полиамидных смол и полипропиленовых волокон.

5. Результаты экспериментальных исследований адсорбционной способности и защитной эффективности фильтрующих угленаполненных материалов при воздействии паров высокотоксичных химических веществ.

6. Метод изготовления дублированных угленаполненных материалов для СИЗК и СИЗОД.

Личный вклад автора состоит в выборе и обосновании методов проведения экспериментов, непосредственном участии в проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных экспериментальных данных, разработке нормативнотехнической документации.

Полученные в диссертационной работе результаты апробированы в промышленных условиях.

Апробация работы и публикации.

Полученные в диссертационной работе результаты апробированы в промышленных условиях.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической'конференции студентов и молодых ученых КГТУ, научных сессиях КГТУ и научно-технических семинарах ОАО «КазХимНИИ».

Основные результаты работы изложены в 2 статьях, двух патентах, 2 материалах международных конференций, 1 материале научной сессии КГТУ, 1 научно-техническом отчете.

Объем и, структура диссертации.

Работа изложена на 140 стр., содержит 30 таблиц и 11 рисунков, перечень литературы из 81 наименования и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и пяти приложений.

В первой главе приведен обзор современного состояния и перспективы обеспечения безопасности населения от химического воздействия, образующегося в результате террористических актов и техногенных аварий. Дана оценка качества отечественных и зарубежных защитных материалов. Рассмотрены основные принципы создания защитных материалов фильтрующего типа. Сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе описаны методы исследования свойств фильтрующих защитных угленаполненных материалов, представлены объекты исследования. Приведена характеристика целлюлозы и активных углей, а также технологическая схема получения угленаполненного материала на основе целлюлозно-угольной композиции в лабораторных условиях. Проведена оценка погрешности результатов измерений характеристик фильтрующих угленаполненных целлюлозных материалов.

В третьей главе представлены результаты разработки фильтрующих защитных материалов, предназначенных для изготовления индивидуальных средств защиты людей от химического воздействия:

— на основе сульфатной целлюлозы с содержанием активированного угля, связующего (полимеробразующей смолы) и полипропиленовых волокон для изготовления средств индивидуальной защиты кожных покрововсодержащих сульфатную мерсеризованную целлюлозу, активированный уголь с каталитическими добавками, связующего (полимеробразующую смолу) и полипропиленовых волокон, для средств защиты органов дыхания.

Приведены результаты оценки пористой структуры и сорбционных свойств угленаполненных целлюлозных материалов.

В четвертой главе изложена схема получения фильтрующих защитных угленаполненных материалов, конструкция специальной защитной одежды однократного применения для населения — комбинезона и респиратора-капюшона фильтрующего бескоробочного, результаты испытаний опытного образца СИЗ.

выводы.

1. Исследованы сорбционные и защитные свойства угленаполненных целлюлозных материалов с варьированием содержания компонентов, дисперсионного состава и марки активированного угля. Установлено оптимальное соотношение небеленой сульфатной целлюлозы и определенной марки активированного угля для получения фильтрующих сорбирующих материалов: 40±5% угля, 60±5% целлюлозы. Показано, что закрепление активированного угля в защитном материале' определяется степенью подготовки целлюлозы и дисперсностью угля.

2. Показано, что введение в композицию смолы аминосодержащей полиамидной модифицированной эпихлоргидрином в количестве 0,8−1% и полипропиленовых волокон в количестве 5% придает материалу гидрофобные свойства, повышает прочность всухом и влажном состоянии и не снижает сорбционные свойства сорбента.

3. Разработан трехслойный композиционный материал. Основу материала составляет фильтрующий сорбирующий материал с низкой плотностью (0,25 г/см) и низким сопротивлением дыханию (4 Па в одном слое, 8 Па в двойном слое). Пакет материала состоит из двух слоев сорбирующего материала, одного слоя фильтрующего материала ФПП-15−1,5 (или фильтрующего материал а. ФПКС 15−2,0) — внешнего покровного слоя (вискозно-полиэфирной ткани «Панацея-160») и внутреннего гигиенического слоя (марли бытовой хлопчатобумажной).

4. Выявлено, что введение в композицию угля-катализатора марки КТ-1 в смеси с активированным углем марки СКТ-6А в соотношении 3:1, использование мерсеризованной целлюлозы (40% от целлюлозной составляющей), минимальное прессование позволяет получить сорбирующий материал с низким сопротивлением воздушному потоку и высокими защитными-свойствами, пригодный для изготовления средств защиты органов дыхания.

5. Установлен основной объем сорбционного пространства, приходящийся на поры размером 14 нм, что позволяет достигать высоких сорбционных свойств угленаполненных целлюлозных материалов, обеспечивающих защиту органов дыхания от воздействия высокотоксичных веществ и АХОВ в течение не менее 20 минут.

6. Разработана конструкция средства индивидуальной защитыкомбинезон и респиратор-капюшон фильтрующий бескоробочный (Р-КБФ), проведена оценка уровня защитных свойств данного комплекта. Проведена санитарно-эпидемиологическая оценка, получены заключения на разработанные материалы.

7. Даны рекомендации по изготовлению фильтрующего защитного угленаполненного материала и средства индивидуальной защиты от высокотоксичных веществ и АХОВ.