Арамидные волокна и ткани выдерживают испытания агрессивной средой и находят новые области применения

Среди текстиля есть материи, созданные для особого применения. Они предназначены для защиты человека в самых экстремальных ситуациях и на самой опасной работе. Сварщиков и пилотов, полицейских и пожарных, нефтяников и сотрудников МЧС от огня, высоких температур и агрессивных жидкостей спасает одежда, основу которой составляет арамидная ткань.
Арамидное волокно имеет особую структуру. Сложное строение волокон определяет уникальные качества тканей — высочайшая прочность, значительно превосходящая нейлон и не уступающая стальным изделиям. Материал разрывается при приложении гигантских усилий: от 250 до 600 кг на квадратный сантиметр.
Легкость. Материал имеет плотность 1,44 кг/м3, что почти в 2 раза легче стекловолокна. Высочайшее сопротивление механическим воздействиям.
Непревзойденная термостойкость. Арамидные ткани не теряют своих качеств при температуре до 250–400 °C. Они выдерживают кратковременный тепловой удар в 1000 °C.
Абсолютная биоустойчивость. Материалу не страшны не грибки, ни бактерии, поэтому он не гниет и не впитывает неприятные запахи.
Стабильность размеров. Арамиды сохраняют форму на протяжении всего срока эксплуатации.
Жизнь — это абсолютная ценность. Профессионалы, подвергающиеся рискам на рабочем месте, нуждаются в бескомпромиссной защите. Поэтому основными сферами использования арамидных тканей в народном хозяйстве и структурах обеспечения безопасности являются:

• нефтегазовая промышленность;
• нефтехимическая промышленность;
• энергетика;
• металлургия;
• пожарные и спасательные службы;

Защита в агрессивной среде

В промышленности термические риски — это высокие температуры и пламя, тепловое воздействие электрической дуги и брызги расплавленного металла. Термостойкая арамидная ткань обеспечивает защиту от теплового излучения свыше 5 кВт/м2, при контакте с нагретыми поверхностями (до 500 °C). Пара-арамидная (кевларовая) ткань обладает высокой стойкостью к прожиганию (более 50 сек).
Благодаря высокому кислородному индексу (37 %), эта ткань не горит и не тлеет не только после выноса из пламени, но и в самом пламени.
Термическая усадка ткани и ее усадка после стирки равна 0 %. Ткань предназначена для изготовления боевой одежды пожарного 1‑го уровня защиты (по НПБ 157–99), для изготовления спецодежды, защищающей от искр и брызг расплавленного металла, от вспышек пламени, для изготовления спецодежды и костюмов сварщика/сталевара, защиты от повышенных температур, защиты от теплового излучения свыше 5 кВт/м2, защиты от контакта с открытым пламенем и с нагретыми поверхностями, для термо- и огнеизоляции помещений, оборудования, защиты от различных механических воздействий.
Ткань идеально подходит для работы в высокотемпературных режимах:

• долговременный температурный режим от — 40 °C до + 180 °C;
• высокотемпературный режим кратковременный (до 5 мин) от + 260 °C до + 300 °C;
• сверхвысокотемпературный режим, открытый огонь (до 1 мин) от + 400 °C до + 600 °C;
• пиковый температурный режим (брызги металла, огонь 5–10 секунд) до + 1000 °C.

Обращает на себя внимание тот факт, что огнезащитные свойства являются «родными» для данной ткани и не требуют какой-то дополнительной обработки, пропитки и т. д.
Это выгодно отличает ее от многих тканей, где огнестойкость достигается с помощью пропиток. Ткани с огнестойкими пропитками/отделками (хлопковые или смесовые) производятся путем нанесения антипиренов — химических составов, замедляющих горение — на готовую ткань, пряжу либо непосредственно в волокно. Антипирен «активизируется» при высоких температурах, вызывая обугливание и выделение газов, которые сдерживают процесс горения в течение определенного времени. При этом нередко выделяются опасные для здоровья человека вещества.
Обычные ткани, не обработанные антипиренами, не обеспечивают защиты от пламени и высоких температур. Они могут воспламеняться, плавиться или продолжать гореть на теле работника, увеличивая распространение ожоговых травм.
Защитные свойства термостойкой одежды зависят не только от свойств тканей, но и от дизайна изделия и фурнитуры. Поэтому при выборе защитной одежды необходимо протестировать готовые изделия. Термостойкая одежда из арамидных тканей в среднем обеспечивает при равных условиях сокращение ожогов 2‑й и 3‑й степеней в 2,5–3 раза по сравнению с хлопковой тканью с огнестойкой пропиткой. При этом масса арамидной ткани примерно в 1,3 раза меньше.
При повсеместном распространении электросетей и элкетроустройств важным является защита работников от воздействия электричества, особенно высоковольтной электрической дуги. Электрическая дуга — это продолжительный электрический разряд высокой силы тока между двумя проводниками, которому сопутствует выделение яркого света и тепловой энергии. Ее появление сопровождается мгновенным разогревом воздуха до температуры 10000 °C, при которой плавится и испаряется металл.
Электрическая дуга является одним из наиболее травмоопасных факторов на производстве. Нахождение в непосредственной близости от электрической дуги подвергает работника риску тяжелых ожоговых травм, вызываемых интенсивным потоком тепла. Человек может выжить в таких условиях, только если будет надежно защищен. Такую защиту обеспечивают комплекты, сочетающие арамидные ткани и антистатические материалы.
Для количественной оценки дугостойкости материалов чаще всего используется показатель ATPV (Arc Thermal Performance Value), который измеряется при испытании открытой дугой. ATPV определяется как максимальное количество энергии на единицу площади (кал/см2), которое выдерживает ткань или пакет материалов до появления у пользователя ожогов второй степени. Специальные комплекты из двухслойной термостойкой арамидной ткани и антистатического материала обеспечивают показатель ATPV свыше 80 единиц, что считается выдающимся результатом. При этом арамидные ткани пропускают пар и воздух, обладают высокими гигиеническими и гигроскопическими свойствами. Уникальная форма волокон обеспечивает хорошее прохождение пара и влаги по волокну, гарантируя комфортные условия работы даже в жарком климате и в «горячих» цехах.

Арамидные материалы в строительстве и промышленности

К настоящему времени на мостах и путепроводах автомобильных дорог Российской Федерации эксплуатируется более сорока тысяч железобетонных пролетных строений, которые отличаются и конструктивными решениями, и примененными при их проектировании нормативными документами, и технологией их возведения. Причем эти сооружения работают в весьма различных климатических условиях и подвергаются воздействию различных агрессивных эксплуатационных сред. Следовательно, железобетонные конструктивные элементы мостовых сооружений в процессе эксплуатации подвергаются воздействию не только эксплуатационных нагрузок, но и агрессивных сред. Результаты натурных наблюдений и экспериментальных исследований, выполненных многими исследователями, свидетельствуют о том, что воздействие карбонизации, хлоридсодержащих, сульфатсодержащих и других эксплуатационных сред приводит к существенным изменениям механических свойств материала конструкции, а в некоторых случаях и к изменению характера работы конструкции. По мере проникания агрессивных сред в конструктивные элементы и взаимодействия их с материалом происходит деградация материала, коррозия армирующих элементов, появление и развитие не только силовых, но и коррозионных трещин. В результате снижается грузоподъемность, повышается деформативность и, в целом, сокращается долговечность мостовых сооружений.
Российские ученые из Москвы, Саратова и Перми (Овчинников И. Г., Зиновьев В. С., Валиев Ш. Н. и др.) разработали и предложили методы упрочнения пролетных строений конструкциями из композиционных материалов, в том числе на основе арамидных волокон и тканей. Они отмечают, что арамидные материалы анизотропны по своей структуре и по сравнению со стеклянными имеют более высокие прочность и модуль упругости. Они более пластичны при действии растягивающих нагрузок, а при сжатии остаются упругими до разрушения. Арамидные волокна обладают хорошей выносливостью и жесткостью, а также низкими электро- и теплопроводимостью. По результатам натурных экспериментов стало очевидно, что усиленные композитными материалами пролетные железобетонные конструкции примерно вдвое увеличили свою несущую способность. При этом высокая стойкость композитов к агрессивной среде позволяет радикально продлить сроки безопасной эксплуатации строений.
Еще одним новым и перспективным направлением использования арамидных материалов является изготовление трубопроводов для транспортировки сжиженных углеводородных газов. Появляются новые, более безопасные конструкции, более прочные и стойкие материалы, которые, к сожалению, Государственная система стандартов, а за ней и стандарты организаций не успевают «переварить». Например, в нашей стране с существенным запозданием было нормировано применение полиамидных армированных труб. А между тем, эти конструкции существенно увеличивают безопасность и надежность эксплуатации, имеют уникальные характеристики.
Сама труба состоит из внутренней герметизирующей полимерной оболочки, на внешнюю поверхность которой нанесено два слоя армирующей нити под разными углами к оси трубы. Поверх армировки положен еще один полимерный слой для защиты армирующей системы от механических повреждений.
Материалы слоев:

• внутренний слой — нейлон на основе полиамида, наполнитель — стекло, оксиды;
• оплетка продольно-поперечная из арамидной нити;
• внешний слой — полипропиленовая пленка.

Арамидная нить принимает на себя всю нагрузку от внутреннего давления. Полимерные слои в силу малой деформации системы нагружены незначительно. В связи с этим прочностные (кратковременные и долговременные) свойства таких труб в первую очередь определяются характеристиками нити, а выбор параметров армирующей системы (прочность нити и ее количество) может производиться без учета прочностных и деформационных характеристик полимерных слоев.
Трубопровод рассчитан на рабочее давление до 3,5 МПа, температурные пределы его применения от –50 до +65 °C. Прочностные характеристики труб подтверждаются результатами испытаний, при которых давление разрушения более чем в 6 раз превышает заявленное максимальное рабочее давление.
Длительные испытания подтверждают, что максимальный срок службы труб, упрочненных арамидным волокном, составляет 50 лет. Накоплен немалый опыт эксплуатации подобных трубопроводов. По данным ООО «СиДжиЭйч РУС», их используют свыше 250 газозаправочных станций компаний Shell, BP, ЛУКОЙЛ, Esso, Texaco/Delec, Totalgaz, Repsol, Q8, Eni, Agip и около 100 независимых частных автогазозаправочных станций (АГЗС).
Для сетей горячего водоснабжения и отопления с температурой теплоносителя до 95 °C и давлением до 1 МПа используются трубы из сшитого полиэтилена, армированного высокопрочными арамидными нитями. Армирующий каркас — это основной элемент, определяющий прочность многослойной конструкции, и, соответственно, от материалов, из которых он изготавливается, требуются высокие прочностные показатели. Применение для этих целей нитей из высокопрочного арамидного волокна позволяет снизить материалоемкость труб до 40 % при сохранении эксплуатационных характеристик за счет уменьшения толщины стенки.
Эти трубы иностранного производителя уже на протяжении более 10 лет эксплуатируются в сетях Москвы, Московской области и других регионов нашей страны.
В современных условиях встает вопрос импортозамещения продукции иностранных производителей на отечественную. По крайней мере, в сфере государственных и муниципальных закупок, закупок предприятий с государственным участием. Пора уже осваивать отечественным предприятиям и самые передовые, перспективные виды продукции, в том числе армированные трубы самой широкой номенклатуры.
Российские ведущие производители арамидных волокон и тканей (ОАО «Каменскволокно», ЗАО «КШФ «Передовая текстильщица» и др.) готовы обеспечить промышленность соответствующими материалами и комплектующими самого высокого качества.

Примечание: Кислородный индекс (КИ) — минимальное объемное процентное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материала в условиях специальных испытаний. Характеризует пожароопасность полимеров, волокнистых материалов, тканей и др. горючих материалов.

Материал опубликован в журнале «Арсенал Отечества». Автор: Виктор Мураховский