10.3 Принципы защиты кожных покровов от сияв и теплового излучения горящих зажигательных веществ, их реализация в средствах защиты кожи

В результате рассмотрения процессов, происходящих при взаимодействии СИЯВ, а также лучистых потоков горящих зажигательных веществ и горящих объектов, с материалами средств защиты, можно сформулировать принципы, лежащие в основе обеспечения защиты кожных покровов от термических поражений. Этими принципами являются:

1) экранирование кожных покровов от потока лучистой энергии. Сформулированный принцип подразумевает либо полное прерывание светового потока к объекту воздействия, либо его снижение до безопасного уровня. Он основан на явлениях рассеяния и поглощения светового потока на преградах;

2) повышение отражательных свойств защитных материалов, особенно наружного слоя. Использование этого принципа имеет целью уменьшить количество поглощаемой материалами энергии. Он основан на явлениях рассеяния света на преградах и распространения в средах с различной диэлектрической проницаемостью;

3) отвод поглощенной световой энергии. Этот принцип предусматривает снижение темпов нагрева материалов и уменьшение максимальной температуры нагрева покровного слоя материалов. Названные условия могут быть обусловлены явлениями термической деструкции и фазовыми переходами, вызванными поглощенной энергией;

4) повышение теплового сопротивления пакета защитных материалов. Принцип предусматривает уменьшение плотности теплового потока от нагретого покровного слоя к кожным покровам за счет уменьшения теплопроводности. Он основан на явлении распространения энергии в средах с различной теплопроводностью (скоростью передачи энергии);

5) уменьшение (либо исключение) внутреннего массопереноса от нагретого покровного слоя к кожным покровам. Этот принцип основан на уменьшении количества энергии, переносимой продуктами деструкции материала и продуктами испарения влаги с движением среды. При этом движении среды вызвано диффузией и градиентом давления;

6) придание негорючести материалам покровного слоя. Принцип основан на явлениях химического окисления и диффузионно-конвективного переноса. Предусматривает преимущественное протекание процессов окисления радикалов галоген-радикалами. Использование этого принципа позволяет исключить вторичные ожоги от горящих средств защиты.

Пути, предусматривающие реализацию принципа экранирования кожи от лучистого потока. Здесь следует рассмотреть два варианта обеспечения защиты, взаимно дополняющих друг друга. Это варианты пассивной и активной защиты. Под вариантом пассивной защиты имеется в виду экран из материалов защитной одежды, который либо полностью прерывает, либо существенно ослабляет световой поток к кожным покровам человека. Предполагается, что оптические характеристики (пропускающая способность этого экрана) остаются неизменными во времени при действии светового потока. Экранирование происходит из-за рассеяния светового потока на волокнах тканых и нетканых материалов и поглощения светового потока частицами красителя защитных материалов.

Под вариантом активной защиты подразумевается экран из паров и частиц (дымовая завеса), возникающий в газовой фазе у поверхности покровного слоя в результате термической деструкции материала покровного слоя и специальных пропиток этого слоя, генерирующих дым. Ослабление (экранирование) светового потока происходит за счет рассеяния и поглощения световой энергии в слое дымовой завесы. Оптические характеристики этого экрана переменны во времени.

В практике создания средств защиты кожи от СИЯВ оба варианта – активная и пассивная защита – дополняют друг друга. В качестве примера можно привести общевойсковой комплексный защитный костюм (ОКЗК) и его модификации (ОКЗК-М и ОКЗК-Д). Двухслойный пакет защитных материалов, из которых изготовлен костюм, является достаточно плотным оптическим экраном, не пропускающим световое излучение к кожным покровам, а пропитки покровного слоя – титано-сурьмянистый комплекс (пропитка ТСУ) в ОКЗК и трис-2,3-дибромпропилфосфат (пропитка АБ) в ОКЗК-М (-Д) генерируют дым, дополнительно экранирующий поверхность материала от СИЯВ. Другим примером сочетания пассивной и активной защиты является костюм защитный КЗС, который надевается поверх ОКЗК, либо летнего армейского обмундирования (ЛАО). Материал – сетка-канва обеспечивает первоначальную защиту покровного слоя ОКЗК от светового излучения и является поглощающим экраном. Пропитка ОП на основе дициандиамида и ортофосорной кислоты, нанесенная на сетку-канву, генерирует дым и обеспечивает дополнительное экранирование от светового потока.

Принятый в 2000 году на снабжение войск общевойсковой защитный комплект фильтрующий ОЗК-Ф также имеет экран в виде двухслойного пакета, на покровный слой которого нанесено дискретное полимерное покрытие в форме полусфер из ПВХ. При поглощении СИЯВ полусферами начинается выделение дыма продуктов деструкции ПВХ и тройной системы антипиренов. Выделяющийся дым экранирует от воздействия светового потока тканевую основу материала покровного слоя, тем самым, предохраняя его от термической деструкции.

Реализация второго принципа обеспечения термозащиты при воздействии СИЯВ – повышение отражательной способности (отражательных свойств материалов), также может быть основана на двух вариантах защиты: пассивном и активном. В случае пассивной защиты может быть проведена металлизация поверхности защитных материалов, в результате которой слой напыленного металла будет отражать световой поток в видимой и инфракрасной области. Частицы металла при этом сильно рассеивают световой поток и практически не поглощают его. Материал не нагревается даже при больших плотностях светового потока. Еще одним техническим решением варианта пассивной защиты является окраска материалов пигментами, размер частиц и оптические свойства которых дают поглощение только в некоторых полосах видимой области спектра, обеспечивая материалам камуфлирующую (защитную) окраску. В инфракрасной же области они хорошо (до 80 - 90 %) отражают световую энергию за счет рассеяния на волокнах, имеющих диаметр 1…3 мкм.

В качестве варианта активной защиты, основанного на принципе отражения, может быть приведен пример, когда материал покровного слоя окрашивается фотохромными либо термохромными красителями (пигментами), придающими ему камуфлирующую окраску в видимой части спектра при нормальном освещении. При воздействии СИЯВ эти красители поглощают энергию в определенных полосах видимой части спектра, за счет энергетических переходов в молекулах меняются полосы поглощения и они начинают поглощать излучение в определенных полосах ИК-области, тем самым делая материал не поглощающим, а только рассеивающим (белым, светло-серым) в видимой области. Энергия, полученная в полосах поглощения ИК-области меньше, чем энергия первичного поглощения. При этом коэффициенты отражения такого материала являются величинами, переменными во времени в процессе воздействия СИЯВ. За счет увеличения отражения и уменьшения поглощения в ходе облучения защитный материал меньше нагревается. В результате уменьшается вероятность термической деструкции и теплопередача к кожным покровам.

Для снижения скорости нагрева, а также максимальной температуры нагрева покровного слоя материалов наряду с принципами отражения используется принцип отвода энергии от слоя, получившего эту энергию.

В этом случае также можно выделить два варианта обеспечения защиты: пассивный и активный. Под пассивным вариантом подразумевается использование добавок с высокой теплоемкостью.

Под активным вариантом предусматриваются два пути обеспечения отвода энергии. Первый путь – введение термопротекторов – добавок, которые подвергаются термической деструкции с эндотермическим эффектом, тем самым обеспечивая отвод энергии и сохраняя основу материала от разрушения. Второй путь – введение добавок, обеспечивающих испарение и микровзрывное разрушение слоя при воздействии СИЯВ, с выбросом продуктов испарения или разрушения в газовую фазу. Эти процессы приводят также к отводу энергии от поглощающего слоя.

Реализация принципа повышения теплового сопротивления основана на различной скорости передачи энергии в неподвижной газовой фазе и конденсированных средах. Численные значения коэффициента теплопроводности воздушной среды на два десятичных порядка ниже, чем численные значения коэффициента теплопроводности полимеров. На этом различии и основано создание теплозащитных материалов, являющихся композитами на основе полимера и воздуха. Можно отметить три типа материалов: многослойные материалы с воздушными зазорами между слоями, нетканые волокнистые материалы и вспененные полимерные материалы. Вариант многослойности реализован во многих защитных костюмах: ОКЗК, ОКЗК-М, КЗО-Т, КЗО-Л, ОЗК-Ф. В практике создания средств защиты названные типы технических решений, как правило, сочетаются. Примером может служить зимний вариант ОКЗК-Д. Куртка и брюки этого костюма изготовлены из четырехслойного пакета материалов. Верхний слой – хлопчатобумажная ткань с огнезащитной пропиткой АБ, далее – слой байки, промежуточный слой – нетканый материал (шинельное сукно), четвертый слой – хлопчатобумажная ткань.

Вспененные полимерные материалы использованы в опытных образцах защитных перчаток и материалов средств защиты в виды наружных и внутренних накладок.

Принцип повышения теплового сопротивления может быть реализован также и в варианте активной защиты. Известны технические решения в виде опытных разработок, когда при действии СИЯВ и теплового излучения горящих огнесмесей многослойные полимерные материалы расслаиваются с образованием газонаполненных зазоров между слоями. Известны варианты наполненных полимерных материалов, которые вспениваются в результате нагрева световым излучением. В обоих случаях существенно снижается теплопроводность вторичных структур и тем самым повышаются термозащитные свойства.

Использование принципа уменьшения внутреннего массопереноса. Здесь можно выделить два направления: повышение термостойкости материалов покровного слоя – в этом случае необходимо существенное увеличение количества поглощаемой энергии для появления продуктов деструкции в газовой фазе и возникновения градиента давления, являющегося движущей силой проникания продуктов деструкции к кожным покровам. Второе направление – это уменьшение пористости слоев пакета защитных материалов с целью ослабления массопереноса при движении нагретых паров и газов к кожным покровам.

В качестве примеров защитных материалов, основанных на этом принципе действия, можно привести ткани из ароматических полиамидов, а также многослойные ткани с переменной пористостью, используемые в зарубежных средствах защиты.

Пути, предусматривающие использование принципа придания негорючести защитным материалам, могут быть основаны, также как и предыдущие, на двух вариантах защиты: пассивной и активной. В случае пассивной защиты материалы изготавливаются из термостойких и трудно сгораемых полимеров. Эти полимеры (ароматические полиамиды и полиимиды) имеют высокую температуру начала термической деструкции – порядка 300 - 400 °С. Поэтому для воспламенения продуктов деструкции материалов из этих полимеров необходимо затратить значительно большее количество энергии, чем для обычных полимеров. Такие материалы выдерживают воздействие импульсов СИЯВ до 60…80 Дж/см². В качестве примеров материалов из термостойких и трудно сгораемых полимеров можно привести полиамидные ткани «Фенилон» и «Номекс».

В качестве вариантов активной защиты известны и широко используются материалы с антипирирующими добавками. Антипирирующие составы – пламезамедлители – подразделяются на химически активные и физически активные.

Химически активные антипирены, в свою очередь, делятся на первичные, которые непосредственно вступают в химическое взаимодействие с продуктами термической деструкции материалов, и вторичные, которые могут усиливать (оказывать синергическое действие) антиперирующие возможности первичных. К первичным пламезамедлителям можно отнести фосфорсодержащие соединения, которые в процессе термического взаимодействия образуют газонепроницаемую оболочку вокруг волокна деструктирующего полимера. Галогенсодержащие пламезамедлители также относятся к первичным, однако механизм их действия иной. При термическом взаимодействии они разрушаются с выделением в газовую фазу радикалов фтора, хлора, либо брома, которые являются сильными окислителями, взаимодействующими с радикалами полимерных молекул вместо кислородных радикалов. В связи с этим воспламенения не происходит. Синергические антипирены – это, в основном, соединения сурьмы и азотсодержащие вещества. Азотсодержащие усиливают антиперирующие действие фосфорных соединений, уменьшая содержание кислорода в зоне реакции, а соединения сурьмы усиливают действие галогенсодержащих антипиренов.

К физически активным пламезамедлителям, в основном, относят гидратсодержащие соединения – тригидрат алюминия, бораты, силикаты, карбонаты, механизм антипирирующего действия которых заключается в разбавлении продуктов горения парами выделяющейся воды.

Органические соединения, содержащие большое количество азота, также могут рассматриваться как антипирены разбавляющего действия, так как при их термической деструкции выделяется химически инертный молекулярный азот.