RU215904U1 - Composite sorption-protective material on an elastic matrix for personal respiratory protection - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к защитным материалам сорбционно-фильтрующего типа, используемым в средствах индивидуальной защиты органов дыхания человека для очистки вдыхаемого воздуха от паров и газов вредных веществ, а также аэрозолей различной природы и фазовых состояний. Композитный сорбционно-защитный материал состоит из внешнего фильтрующего противоаэрозольного, промежуточного сорбционно-фильтрующего и внутреннего каркасного слоев, скрепленных в единый композит. При этом внешний фильтрующий противоаэрозольный слой выполнен из нетканого материала на основе полимерных волокон с диаметром 0,8-1,5 мкм, имеющих высокую степень фильтрации различных агрегатных состояний аэрозоля, и прочно закреплен на внешней стороне промежуточного слоя. Сорбционно-фильтрующий промежуточный слой выполнен в виде полимерной эластичной сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника, заполненными сорбентом с открытой поверхностью в количестве до 80 мас.% от общей массы промежуточного слоя. Каркасный внутренний слой выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону сорбционно-фильтрующего слоя. Техническим результатом является повышение защитных свойств композитного сорбционно-защитного материала. 5 ил., 2 пр.The utility model relates to protective materials of a sorption-filtering type used in personal respiratory protection equipment for cleaning inhaled air from vapors and gases of harmful substances, as well as aerosols of various nature and phase states. Composite sorption-protective material consists of external filtering antiaerosol, intermediate sorption-filtering and internal frame layers bonded into a single composite. At the same time, the outer filtering anti-aerosol layer is made of a non-woven material based on polymer fibers with a diameter of 0.8-1.5 μm, having a high degree of filtration of various aggregate states of the aerosol, and is firmly fixed on the outer side of the intermediate layer. The sorption-filtering intermediate layer is made in the form of a polymeric elastic honeycomb structure with cells in the form of a regular hexagon filled with an open-surface sorbent in an amount of up to 80 wt.% of the total mass of the intermediate layer. The frame inner layer is made of a synthetic hygienic breathable fabric with an interthread space of not more than 50 μm, with a discrete dotted one-sided hot-melt adhesive coating, fixed by thermal lamination to the inside of the sorption-filtering layer. The technical result is to increase the protective properties of the composite sorption-protective material. 5 ill., 2 pr.

Description

Полезная модель относится к защитным материалам сорбционно-фильтрующего типа, используемым в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) человека для очистки вдыхаемого воздуха от паров и газов вредных веществ, а также аэрозолей различной природы и фазовых состояний.The utility model relates to protective materials of a sorption-filtering type used in personal respiratory protection equipment (PPE) for cleaning inhaled air from vapors and gases of harmful substances, as well as aerosols of various nature and phase states.

Для защиты органов дыхания человека от твердых и жидких аэрозолей, а также для снижения воздействия паров и газов вредных веществ, в настоящее время широко используют более комфортные в отличие от противогазоаэрозольных СИЗОД с изолирующей лицевой частью противоаэрозольные фильтрующие полумаски с дополнительной защитой от паров и газов [ГОСТ Р 59959-2021 «Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Полумаски фильтрующие для защиты от аэрозолей с дополнительной защитой от паров и газов. Общие технические требования Методы испытаний. Маркировка»], такие полумаски, предназначены для защиты от паров и газов вредных веществ, содержание которых в воздухе рабочей зоны не превышает трех значений предельно допустимой концентрации (3 ПДК).To protect the human respiratory organs from solid and liquid aerosols, as well as to reduce the impact of vapors and gases of harmful substances, more comfortable anti-aerosol filtering half masks with additional protection against vapors and gases [GOST R 59959-2021 “Personal respiratory protection equipment. Filtering half masks for protection against aerosols with additional protection against vapors and gases. General technical requirements Test methods. Marking "], such half masks are designed to protect against vapors and gases of harmful substances, the content of which in the air of the working area does not exceed three values of the maximum allowable concentration (3 MPC).

Анализ существующего уровня техники в указанной области показал, что защитные материалы сорбционно-фильтрующего типа для этих СИЗОД в основном представлены многослойными неткаными волокнистыми материалами, имеющими в своем составе угольные адсорбенты.An analysis of the current state of the art in this area has shown that protective materials of the sorption-filtering type for these RPEs are mainly represented by multilayer non-woven fibrous materials containing carbon adsorbents.

Наиболее близкими по техническим решениям к предлагаемой полезной модели являются различные (многослойные, композиционные) сорбционно-фильтрующие защитные материалы [патенты RU 2281798 С2, RU 2379089 C1, RU 2339429 C1 и др.], которые отличаются составом фильтрующих и фильтрующе-сорбционных слоев нетканых материалов образованных ультратонкими волокнами, из расплавов или растворов различных полимеров с введенными в их объем или закрепленный на их поверхности твердых сорбирующих наполнителей.The closest technical solutions to the proposed utility model are various (multilayer, composite) sorption-filtering protective materials [patents RU 2281798 C2, RU 2379089 C1, RU 2339429 C1, etc.], which differ in the composition of the filtering and filtering-sorption layers of non-woven materials formed by ultrathin fibers, from melts or solutions of various polymers with solid sorbent fillers introduced into their volume or fixed on their surface.

Основными недостатками этих материалов являются: высокий коэффициент проницаемости тонкодисперсных аэрозолей с размерами частиц 0,3 мкм и ниже (стандартный масляный туман), при этом коэффициент проницаемости его достигает величин от 0,1 до 20%, что делает невозможным использование данного материала в средствах защиты органов дыхания, обеспечивающих уровень противоаэрозольной защиты FFP2, FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015 [патенты RU 2281798 С2, RU 2379089 С1];The main disadvantages of these materials are: high permeability coefficient of fine aerosols with particle sizes of 0.3 μm and below (standard oil mist), while its permeability coefficient reaches values from 0.1 to 20%, which makes it impossible to use this material in protective equipment respiratory organs providing the level of aerosol protection FFP2, FFP3 according to GOST 12.4.294-2015 [patents RU 2281798 C2, RU 2379089 C1];

недостаточная, согласно ГОСТ Р 59959-2021, эффективность защиты от паров и газов вредных веществ;insufficient, according to GOST R 59959-2021, the effectiveness of protection against vapors and gases of harmful substances;

с введением в объем волокон активного мелкодисперсного наполнителя от 40 до 100 мкм свыше 45 мас.% снижаются механические характеристики материала, а при уменьшении массовой доли угля происходит снижение его адсорбционных свойств [патенты RU 2281798 С2, RU 2379089 C1, RU 2339429 С1].with the introduction of an active fine filler from 40 to 100 μm into the volume of the fibers, more than 45 wt.%, the mechanical characteristics of the material decrease, and with a decrease in the mass fraction of coal, its adsorption properties decrease [patents RU 2281798 C2, RU 2379089 C1, RU 2339429 C1].

Наиболее близким по достигаемому техническому результату и имеющим назначение, совпадающее с назначением заявляемой полезной модели (прототипом), является «Многослойный фильтровально-сорбционный нетканый материал» [патент RU 2607585 С1], состоящий из фильтрующей части, сорбционной части и наружного армирующего слоя из тканого или нетканого материала, размещенного с одной или двух сторон. Фильтрующая часть материала содержит от 1 до 3 слоев нетканого волокнистого материала, полученного аэродинамическим формованием из расплава полимера и содержащего смесь волокон диаметром от 0,5 до 2,0 мкм и от 2,0 до 4,0 мкм. Сорбционная часть представляет собой от 2 до 5 слоев нетканого волокнистого материала, полученного аэродинамическим формованием из смеси растворов полиуретана и полиакрилонитрила, наполненного частицами активного твердого наполнителя с размером от 10 до 80 мкм.The closest technical result achieved and having a purpose coinciding with the purpose of the claimed utility model (prototype) is "Multilayer filtration-sorption non-woven material" [patent RU 2607585 C1], consisting of a filter part, a sorption part and an outer reinforcing layer of woven or non-woven material placed on one or two sides. The filtering part of the material contains from 1 to 3 layers of non-woven fibrous material obtained by blow molding from a polymer melt and containing a mixture of fibers with a diameter of 0.5 to 2.0 μm and 2.0 to 4.0 μm. The sorption part is from 2 to 5 layers of non-woven fibrous material obtained by aerodynamic molding from a mixture of polyurethane and polyacrylonitrile solutions filled with active solid filler particles with a size of 10 to 80 microns.

В зависимости от вида изделия (респираторы, маски, защитная фильтрующая одежда) используемые фильтрующие слои отличаются различной проницаемостью, которая в допустимых пределах регулируется за счет изменения толщины каждого слоя вследствие регулирования степени склеивания между волокнами в процессе формования, а также путем варьирования количеством слоев от 1 до 3. Тем самым изменяется длина и площадь боковой поверхности поровых каналов для сорбции стандартного масляного тумана в фильтрующей части многослойного фильтровально-сорбционного нетканого материала. Причем отношение суммарной толщины слоев фильтрующей части к среднему диаметру волокон в фильтрующих слоях находится в пределах от 40 до 700. При отношении меньше 40 фильтрующие слои обладают повышенным диаметром пор свыше 50 мкм, высокой склеенностью между волокнами, что приводит к уменьшению драпируемости меньше допустимой и увеличивает показатель проницаемости стандартного масляного тумана выше допустимого верхнего предела в 20% [ГОСТ 12.4.294-2015], не позволяющего использовать фильтровальную часть многослойных нетканых материалов для таких целей. При отношении более 700 снижается воздухопроницаемость меньше допустимого нижнего предела в 100 дм³/(м²⋅с), характерного для СИЗОД, и уменьшается драпируемость фильтровальных слоев, имеющих суммарную повышенную толщину.Depending on the type of product (respirators, masks, protective filter clothing), the filter layers used differ in their permeability, which is regulated within acceptable limits by changing the thickness of each layer due to the regulation of the degree of bonding between the fibers during the molding process, as well as by varying the number of layers from 1 up to 3. This changes the length and side surface area of the pore channels for sorption of standard oil mist in the filter part of the multilayer filter-sorption non-woven material. Moreover, the ratio of the total thickness of the layers of the filtering part to the average diameter of the fibers in the filter layers is in the range from 40 to 700. At a ratio of less than 40, the filter layers have an increased pore diameter of more than 50 microns, high adhesion between the fibers, which leads to a decrease in drape less than acceptable and increases the permeability index of a standard oil mist is higher than the permissible upper limit of 20% [GOST 12.4.294-2015], which does not allow the use of the filter part of multilayer nonwoven materials for such purposes. At a ratio of more than 700, air permeability decreases below the permissible lower limit of 100 dm ³ /(m ² ⋅ s), characteristic of RPE, and the drape of filter layers with a total increased thickness decreases.

В процессе аэродинамического формования и вытягивания крупнодисперсный наполнитель с диапазоном от 40 до 80 мкм при формовании сорбционно-упрочненных слоев выдавливается из середины волокон и остается закрепленным на их поверхности. Мелкодисперсный наполнитель с диапазоном от 10 до 40 мкм остается внутри волокна сорбционно-активного слоя.In the process of aerodynamic molding and drawing, a coarse filler with a range of 40 to 80 μm is squeezed out from the middle of the fibers during the formation of sorption-strengthened layers and remains fixed on their surface. The finely dispersed filler with a range of 10 to 40 µm remains inside the fiber of the sorption-active layer.

Изобретение иллюстрируется несколькими примерами с различным числом расположенных в разной последовательности сорбционно-упрочненных и сорбционно-активных слоев количеством от 2 до 5, составляющих сорбирующую часть таких материалов.The invention is illustrated by several examples with a different number of sorption-strengthened and sorption-active layers located in different sequences from 2 to 5, which make up the sorption part of such materials.

Многослойный фильтровально-сорбционный материал, предлагаемый для изготовления СИЗОД, показан в примере 3 данного патента, и состоит из трех фильтрующих, двух сорбционных слоев и армирующего слоя, расположенного с двух наружных сторон относительно фильтрующих и сорбирующих слоев.The multilayer filter-sorption material proposed for the manufacture of RPE is shown in example 3 of this patent, and consists of three filtering, two sorption layers and a reinforcing layer located on both outer sides relative to the filtering and sorbing layers.

Фильтрующая часть представляет собой три фильтрующих слоя из полипропиленовых нетканых холстов, полученных аэродинамическим расплавным формованием. Каждый слой включает ультратонкие волокна диаметром от 0,5 до 2,0 мкм и от 2,0 до 4,0 мкм с отношением числовой доли первых ко вторым 1,2. Общая толщина трех фильтрующих слоев составляет 0,58 мм.The filter part consists of three filter layers of polypropylene non-woven canvases obtained by aerodynamic melt molding. Each layer includes ultrathin fibers with a diameter of 0.5 to 2.0 µm and 2.0 to 4.0 µm with a ratio of the numerical fraction of the former to the latter of 1.2. The total thickness of the three filter layers is 0.58 mm.

Сорбционная часть включает два слоя, первый из которых является сорбционно-упрочненным и представляет собой наполненный нетканый материал, содержащий крупнодисперсный наполнитель (от 40 до 80 мкм), полученный растворным аэродинамическим формованием из смеси дисперсных растворов полиакрилонитрила и полиуретана с преобладающим содержанием полиуретана. Второй слой представляет собой сорбционно-активный слой с мелкодисперсным наполнителем (от 10 до 40 мкм), полученный растворным аэродинамическим формованием из смеси дисперсных растворов полимеров полиакрилонитрила и полиуретана с преобладающим содержанием полиакрилонитрила.The sorption part includes two layers, the first of which is sorption-strengthened and is a filled non-woven material containing a coarse filler (from 40 to 80 μm) obtained by solution aerodynamic molding from a mixture of dispersed solutions of polyacrylonitrile and polyurethane with a predominant content of polyurethane. The second layer is a sorption-active layer with a finely dispersed filler (from 10 to 40 μm), obtained by solution aerodynamic molding from a mixture of dispersed solutions of polyacrylonitrile and polyurethane polymers with a predominant content of polyacrylonitrile.

Сорбционно-упрочненный и сорбционно-активный слои нетканого материала наполнены активированным углем СКТ-7. Общее содержание угля в сорбционной части достигает 60%. Суммарная толщина сорбирующих слоев составляет 2,6 мм.Sorption-strengthened and sorption-active layers of non-woven material are filled with activated carbon SKT-7. The total content of coal in the sorption part reaches 60%. The total thickness of the sorbing layers is 2.6 mm.

Динамическая сорбционная активность по циклогексану составляет от 180 до 185 мг/г. Коэффициент проникновения масляного тумана составляет от 6,7 до 8,3%, обеспечивая противоаэрозольную защиту по I классу, соответствуя FFP1 по ГОСТР 12.4.294-2015.Dynamic sorption activity for cyclohexane ranges from 180 to 185 mg/g. The oil mist penetration coefficient is from 6.7 to 8.3%, providing antiaerosol protection according to class I, corresponding to FFP1 according to GOSTR 12.4.294-2015.

Готовый многослойный фильтровально-сорбционный материал обладает воздухопроницаемостью от 150 до 160 дм³/м²с.The finished multilayer filtering and sorption material has an air permeability of 150 to 160 dm ³ /m ² s.

Однако, не смотря на все достоинства многослойного фильтровально-сорбционного материала, он обладает следующими недостатками:However, despite all the advantages of a multilayer filter-sorption material, it has the following disadvantages:

1. Соответствие степени противоаэрозольной защиты (FFP1 по ГОСТ 12.4.294-2015), заявленной в примере материала, достигается только при наличии в его фильтрующей части не менее трех фильтрующих слоев.1. Compliance with the degree of antiaerosol protection (FFP1 according to GOST 12.4.294-2015), declared in the material example, is achieved only if there are at least three filter layers in its filtering part.

2. Не смотря на высокие значения динамической сорбционной активности многослойных фильтровально-сорбционных материалов по тест-веществам (циклогексан, аммиак, диоксид серы), в указанном патенте отсутствуют данные о динамической сорбционной активности используемых сорбентов до их введения в состав материала. Очевидно, что имеет место снижение динамической активности мелкодисперсного сорбента (от 10 до 40 мкм), введенного в объем волокна сорбционно-активного слоя, а также закрепленного на поверхности волокна сорбционно-упрочненного слоя и имеющего адгезионный контакт с ним. Волокна, изготовленные на основе химически стойких полимеров (полиуретан, полиакрилонитрил), не способны абсорбировать большую часть токсичных химикатов. В патенте указано, что подвод молекул токсичного вещества к пористой поверхности сорбента, находящегося в объеме волокна, происходит по макропорам этого волокна, однако сорбция в данном случае происходит при относительно малой толщине слоя адсорбента и достаточно высокой скорости движения паро (газо)- воздушной смеси, что обуславливает минимальное время контакта паров химиката с ним. Очевидно, что закрытая поверхность сорбента снижает его динамическую сорбционную активность.2. Despite the high values of the dynamic sorption activity of multilayer filtering and sorption materials for test substances (cyclohexane, ammonia, sulfur dioxide), there is no data in the said patent on the dynamic sorption activity of the sorbents used before they are introduced into the composition of the material. Obviously, there is a decrease in the dynamic activity of the finely dispersed sorbent (from 10 to 40 μm) introduced into the volume of the fiber of the sorption-active layer, as well as the sorption-hardened layer fixed on the fiber surface and having adhesive contact with it. Fibers made from chemically resistant polymers (polyurethane, polyacrylonitrile) are unable to absorb most of the toxic chemicals. The patent states that the supply of molecules of a toxic substance to the porous surface of the sorbent located in the bulk of the fiber occurs through the macropores of this fiber, however, sorption in this case occurs at a relatively small thickness of the adsorbent layer and a sufficiently high velocity of the vapor (gas)-air mixture, which determines the minimum contact time of chemical vapors with it. Obviously, the closed surface of the sorbent reduces its dynamic sorption activity.

3. При приложении механической нагрузки имеет место осыпание крупнодисперсного угольного наполнителя (от 40 до 80 мкм) с поверхности сорбционно-упрочненного слоя, где он закреплен на поверхности волокон, и локальное его перераспределение между слоями, что в конечном итоге снижает защитные характеристики материала.3. When a mechanical load is applied, coarse coal filler (from 40 to 80 μm) is shed from the surface of the sorption-strengthened layer, where it is fixed on the surface of the fibers, and its local redistribution between the layers, which ultimately reduces the protective characteristics of the material.

Целью настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков и увеличение защитных характеристик сорбционно-фильтрующего материала (в том числе уровня противоаэрозольной и противогазовой защиты в отношении широкого спектра токсичных химикатов), с сохранением необходимых механических характеристик.The purpose of this utility model is to eliminate these shortcomings and increase the protective characteristics of the sorption-filtering material (including the level of antiaerosol and gas protection against a wide range of toxic chemicals), while maintaining the necessary mechanical characteristics.

При использовании полезной модели достигается следующий технический результат: повышение защитных свойств композитного сорбционно-защитного материала.When using the utility model, the following technical result is achieved: an increase in the protective properties of the composite sorption-protective material.

Сущность полезной модели заключается в том, что конструктивно композитный сорбционно-защитный материал состоит из внешнего фильтрующего (противоаэрозольного), сорбционно-фильтрующего и внутреннего каркасного слоев, скрепленных в единый композит. При этом внешний фильтрующий (противоаэрозольный) слой выполнен из нетканого материала на основе ультратонких (диаметр волокна 0,8-1,5 мкм) полимерных волокон с высокой степенью фильтрации различных агрегатных состояний аэрозоля, и прочно закреплен на внешней стороне промежуточного слоя, сорбционно-фильтрующий промежуточный слой выполнен в виде полимерной эластичной сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника, заполненными сорбентом с открытой поверхностью в количестве до 80% масс. от общей массы промежуточного слоя, каркасный внутренний слой выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону сорбционно-фильтрующего слоя.The essence of the utility model lies in the fact that the structurally composite sorption-protective material consists of an external filtering (aerosol), sorption-filtering and internal frame layers bonded into a single composite. At the same time, the outer filtering (anti-aerosol) layer is made of a non-woven material based on ultra-thin (fiber diameter 0.8-1.5 μm) polymer fibers with a high degree of filtration of various aggregate states of the aerosol, and is firmly fixed on the outer side of the intermediate layer, sorption-filtering the intermediate layer is made in the form of a polymeric elastic honeycomb structure with cells in the form of a regular hexagon filled with a sorbent with an open surface in an amount of up to 80% of the mass. of the total mass of the intermediate layer, the frame inner layer is made of a synthetic hygienic breathable fabric with an interthread space of not more than 50 microns, with a discrete dotted one-sided hot-melt adhesive coating, fixed by thermal lamination to the inside of the sorption-filtering layer.

Патентуемое техническое решение поясняется чертежами, представленными на Фиг. 1-5.The patented technical solution is illustrated by the drawings shown in Fig. 1-5.

На Фиг. 1 изображена схема конструкции композитного сорбционно-защитного материала.On FIG. 1 shows a diagram of the construction of a composite sorption-protective material.

На Фиг. 2 изображена полимерная эластичная матрица в виде сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника.On FIG. 2 shows a polymeric elastic matrix in the form of a honeycomb structure with cells in the form of a regular hexagon.

На Фиг. 3 изображены ячейки полимерной эластичной сотовой структуры в форме правильного шестигранника, заполненные зернами сорбента.On FIG. 3 shows cells of a polymeric elastic honeycomb structure in the form of a regular hexagon filled with sorbent grains.

На Фиг. 4 изображены различные формы ячеек сотовых структур.On FIG. 4 shows various cell shapes of honeycomb structures.

На Фиг. 5 изображены основные геометрические размеры ячейки структуры в форме правильного шестигранника.On FIG. 5 shows the main geometric dimensions of the structure cell in the form of a regular hexagon.

Патентуемое техническое решение по сравнению с известными техническими решениями аналогов и прототипа представляет собой конструкцию, которой присущи следующие существенные отличительные признаки:The patented technical solution, in comparison with the known technical solutions of analogs and prototype, is a design, which has the following significant distinguishing features:

1. конструктивно материал состоит из внешнего фильтрующего (противоаэрозольного), промежуточного сорбционно-фильтрующего и внутреннего каркасного слоев, скрепленных в единый композит;1. Structurally, the material consists of an external filtering (anti-aerosol), intermediate sorption-filtering and internal frame layers bonded into a single composite;

2. сорбционно-фильтрующий (промежуточный) слой ((2) на Фиг. 1) выполнен в виде полимерной эластичной сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника (Фиг. 2), заполненными сорбентом с открытой поверхностью в количестве до 80% масс.от общей массы промежуточного слоя (Фиг. 3);2. The sorption-filtering (intermediate) layer ((2) in Fig. 1) is made in the form of a polymer elastic honeycomb structure with cells in the form of a regular hexagon (Fig. 2) filled with an open-surface sorbent in an amount of up to 80% wt. the total mass of the intermediate layer (Fig. 3);

3. фильтрующий противоаэрозольный (внешний) слой ((1) на Фиг. 1) нетканого материала на основе ультратонких (диаметр волокна 0,8-1,5 мкм) полимерных волокон прочно закреплен на внешней стороне полимерной матрицы промежуточного слоя, дополнительно выполняя функцию ее каркасного слоя с целью надежного удержания сорбента в ее ячейках;3. filtering antiaerosol (outer) layer ((1) in Fig. 1) of non-woven material based on ultra-thin (fiber diameter 0.8-1.5 microns) polymer fibers is firmly fixed on the outer side of the polymer matrix of the intermediate layer, additionally performing the function of its frame layer to securely retain the sorbent in its cells;

4. каркасный (внутренний) слой ((3) на Фиг. 1) выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы промежуточного слоя.4. The frame (inner) layer ((3) in Fig. 1) is made of a synthetic hygienic breathable fabric with an interthread space of not more than 50 microns, with a discrete dotted one-sided hot-melt adhesive coating, fixed by thermal lamination to the inner side of the polymer matrix of the intermediate layer.

Повышение защитных и достижение необходимых механических свойств заявленной полезной модели обеспечивается отличительными признаками материала и достигается за счет того, что зернистый сорбент, размещенный в ячейках в виде правильного шестигранника полимерной матрицы сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя, имеет открытую внешнюю поверхность, обеспечивая тем самым его максимально возможную адсорбционную активность.The increase in the protective and achievement of the necessary mechanical properties of the claimed utility model is ensured by the distinctive features of the material and is achieved due to the fact that the granular sorbent, placed in the cells in the form of a regular hexagon of the polymer matrix of the sorption-filtering (intermediate) layer, has an open outer surface, thereby providing its maximum possible adsorption activity.

Форма ячеек в виде правильного шестигранника имеет в сравнении с другими известными формами ячеек (прямоугольная ((1) на Фиг 4), флексорная ((2) на Фиг 4), шестигранная смещенная ((3) на Фиг 4), гибкая (флексорная) ((4) на Фиг 4) и т.п.) наибольшую площадь, используемую для заполнения сорбентом. Выбор оптимальных геометрических размеров ячейки (размер грани (a), толщина стенок (b) на Фиг. 5) позволяет минимизировать количество материала полимерной матрицы, повышая массовую долю активного сорбента в сорбционно-фильтрующем слое, которая, в свою очередь, может достигать 80 мас.% от общей массы промежуточного слоя в зависимости от марки и типа сорбента (в частности, для синтетического углеродного сорбента марки ФАД - 72 мас.%). Длина сорбирующего слоя (l на Фиг. 5) определяется глубиной ячейки и влияет непосредственно на объем размещаемого в ней сорбента, поэтому подбирается в зависимости от назначения, необходимой степени защиты готового материала, и может составлять от 1,0 до 5,0 мм для СИЗОД фильтрующего типа (ФТ).The shape of the cells in the form of a regular hexagon has, in comparison with other known cell shapes (rectangular ((1) in Fig. 4), flexor ((2) in Fig. 4), hexagonal offset ((3) in Fig. 4), flexible (flexor) ((4) in FIG. 4), etc.) the largest area used for filling with the sorbent. The choice of the optimal geometric dimensions of the cell (face size ( a ), wall thickness ( b ) in Fig. 5) allows minimizing the amount of polymer matrix material by increasing the mass fraction of the active sorbent in the sorption-filtering layer, which, in turn, can reach 80 wt .% of the total mass of the intermediate layer, depending on the brand and type of sorbent (in particular, for a synthetic carbon sorbent brand FAD - 72 wt.%). The length of the sorbent layer ( l in Fig. 5) is determined by the depth of the cell and directly affects the volume of the sorbent placed in it, therefore it is selected depending on the purpose, the required degree of protection of the finished material, and can range from 1.0 to 5.0 mm for RPE filter type (FT).

Зерна (гранулы) сорбента, размещенные в ячейках полимерной матрицы на основе термопластичного полиуретана (ТГГУ) надежно удерживаются стенками ячеек (граничащие со стенкой ТПУ зерна вдавлены в нее), так как ТПУ обладает высокой эластичностью и низкой уязвимостью к пластической деформации (модуль упругости на изгиб - 68 МПа, модуль упругости на сжатие - 44 МПа, максимальная нагрузка на растяжение - 662 Н, коэффициент удлинения - 617%), то есть хорошо сохраняет форму при продолжительной и многократной деформации, поэтому проникновение токсичного вещества вдоль стенок ячейки минимизировано, причем данное свойство сохраняется при механических деформациях материала, в том числе при изгибе.Grains (granules) of the sorbent placed in the cells of a polymer matrix based on thermoplastic polyurethane (TGPU) are reliably held by the cell walls (the grains bordering the TPU wall are pressed into it), since TPU has high elasticity and low vulnerability to plastic deformation (flexural modulus - 68 MPa, modulus of elasticity in compression - 44 MPa, maximum tensile load - 662 N, elongation coefficient - 617%), that is, it retains its shape well during prolonged and repeated deformation, therefore the penetration of a toxic substance along the cell walls is minimized, and this property is retained during mechanical deformations of the material, including bending.

Полимерная матрица данной сотовой структуры, обеспечивая необходимую механическую устойчивость всех слоев материала за счет перераспределения механической нагрузки между слоями, позволяет сохранять заданное расстояния между внутренней и внешней поверхностью по всей площади композитного материала, исключая локальное уменьшение длины фильтрующего слоя или его уплотнение, тем самым предотвращает возрастание сопротивления воздушному потоку или проскок токсичного химиката в этих локальных областях.The polymer matrix of this honeycomb structure, providing the necessary mechanical stability of all layers of the material due to the redistribution of the mechanical load between the layers, allows you to maintain the specified distance between the inner and outer surfaces over the entire area of the composite material, excluding a local reduction in the length of the filter layer or its compaction, thereby preventing an increase in resistance to airflow or the passage of a toxic chemical in these local areas.

Прочно закрепленный на внешней стороне полимерной матрицы с помощью эластичного адгезива нетканый материала на основе ультратонких (диаметр волокна 0,8-1,5 мкм) полимерных волокон характеризуется низким сопротивлением воздушному потоку (при 1 см/с - 1,5 мм вод.ст.) и коэффициентом проникания стандартного масляного тумана со средним радиусом частиц от 0,15 до 0,17 мкм при скорости воздушного потока 1,5 см/с не более 0,01%, что позволяет повысить уровень противоаэрозольной защиты композитного материала до степени FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015, одновременно выполняя функцию ее каркасного слоя с целью надежного удержания сорбента в ячейках.Firmly attached to the outer side of the polymer matrix with an elastic adhesive, a nonwoven material based on ultra-thin (fiber diameter 0.8–1.5 μm) polymer fibers is characterized by low resistance to air flow (at 1 cm/s - 1.5 mm w.c.). ) and the penetration coefficient of a standard oil mist with an average particle radius of 0.15 to 0.17 µm at an air flow rate of 1.5 cm/s no more than 0.01%, which makes it possible to increase the level of antiaerosol protection of the composite material to the FFP3 degree according to GOST 12.4.294-2015, simultaneously performing the function of its frame layer in order to reliably retain the sorbent in the cells.

Прочно закрепленная способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы синтетическая гигиеническая ткань с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием имеет размер межниточного пространства не более 50 мкм, что позволяет надежно удерживать зерна сорбента в ячейках матрицы и предотвращать их высыпание. При этом она обладает необходимой воздухопроницаемостью (при 1 см/с - не более 1,0 мм вод.ст.).The synthetic hygienic fabric with a discrete dotted one-sided hot-melt adhesive coating, firmly fixed by thermal lamination to the inner side of the polymer matrix, has an interfilament space of no more than 50 μm, which makes it possible to reliably hold the sorbent grains in the matrix cells and prevent their spillage. At the same time, it has the necessary air permeability (at 1 cm / s - no more than 1.0 mm of water column).

Полезная модель иллюстрируется двумя примерами, защитные свойства которых по парам и аэрозолям определялись по утвержденными методиками, соответствующим ГОСТ 12.4.159-90, механические характеристики - по ГОСТ 56785-2015.The utility model is illustrated by two examples, the protective properties of which for vapors and aerosols were determined according to approved methods corresponding to GOST 12.4.159-90, mechanical characteristics - according to GOST 56785-2015.

Пример 1.Example 1

Композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал состоит из фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя, сорбционно-фильтрующего слоя (промежуточного) и каркасного слоя (внутреннего), скрепленных в единый композитный материал.Composite sorption-filtering protective material consists of a filtering anti-aerosol (outer) layer, a sorption-filtering layer (intermediate) and a frame layer (inner), bonded into a single composite material.

В качестве фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя использован материал марки ФПП 15 - 1,5 на основе ультратонких (диаметр волокна 1,5 мкм) волокон из перхлорвиниловой смолы, полученных методом электропрядения. Нетканое полотно прочно закреплено на внешней стороне полимерной матрицы (на гранях стенок ячеек) с помощью эластичного адгезива на основе полиуретана.As a filtering antiaerosol (outer) layer, material of the FPP 15 - 1.5 brand was used based on ultra-thin (fiber diameter 1.5 μm) fibers from perchlorovinyl resin obtained by electrospinning. The non-woven fabric is firmly attached to the outer side of the polymer matrix (on the edges of the cell walls) with the help of an elastic adhesive based on polyurethane.

Полимерная матрица сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя изготовлена из термопластичного полиуретана в виде сотовой структуры с ячейками, имеющими форму правильного шестигранника, с длиной стенки ячейки 4,0 мм, толщиной стенки 1,0 мм и длиной сорбирующего слоя 2,5 мм (a= 4,0 мм, b= 1,0 мм, l= 2,5 мм на Фиг. 5).The polymer matrix of the sorption-filtering (intermediate) layer is made of thermoplastic polyurethane in the form of a honeycomb structure with cells in the shape of a regular hexagon, with a cell wall length of 4.0 mm, a wall thickness of 1.0 mm, and a sorption layer length of 2.5 mm ( a = 4.0 mm, b = 1.0 mm, l = 2.5 mm in Fig. 5).

В качестве сорбента (наполнителя ячеек сотовой структуры) использован гидрофобный синтетический углеродный сорбент марки ФАД (дробленый) со средним размером гранул от 0,4 до 0,5 мм, получаемый ступенчатой карбонизацией и последующей парогазовой активацией фурфурольного сополимера ГФС-98 в электрических вращающихся печах. Содержание сорбента марки ФАД, размещенного в ячейках матрицы, составляет 72% от массы сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя.As a sorbent (filler of honeycomb structure cells), a hydrophobic synthetic carbon sorbent of the FAD brand (crushed) with an average granule size of 0.4 to 0.5 mm, obtained by stepwise carbonization and subsequent steam-gas activation of the HFS-98 furfural copolymer in electric rotary kilns, was used. The content of the FAD sorbent placed in the cells of the matrix is 72% by weight of the sorption-filtering (intermediate) layer.

Каркасный (внутренний) слой выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием на основе полиэстера с поверхностной плотностью 50 г/м², закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы (на грани стенок ячеек).The frame (inner) layer is made of a synthetic hygienic breathable fabric with an interthread space of no more than 50 microns, with a discrete dotted one-sided hot-melt adhesive coating based on polyester with a surface density of 50 g/m ² , fixed by thermal lamination to the inside of the polymer matrix (on the edge cell walls).

В результате исследований по указанным методикам выявлены следующие основные свойства полученного композитного сорбционно-фильтрующего защитного материала:As a result of studies using these methods, the following main properties of the obtained composite sorption-filtering protective material were revealed:

общая толщина - 2,6 мм;total thickness - 2.6 mm;

сопротивление материала, имеющего площадь 100 см², постоянному воздушному потоку при объемном расходе воздуха 30 л/мин - 5,0 мм вод.ст.;the resistance of a material having an area of 100 cm ² to a constant air flow at a volumetric air flow of 30 l/min - 5.0 mm water column;

коэффициент проникания стандартного масляного тумана со средним радиусом частиц от 0,15 до 0,17 мкм при скорости воздушного потока 1,5 см/с - не более 0,01%, что соответствует степени защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015;penetration coefficient of a standard oil mist with an average particle radius of 0.15 to 0.17 microns at an air flow rate of 1.5 cm/s - no more than 0.01%, which corresponds to the degree of protection FFP3 according to GOST 12.4.294-2015;

время защитного действия по тест-веществу (пары аммиака) с начальной массовой концентрацией 30 мг/м³, с проскоковой концентрацией 20 мг/м³, при объемном расходе паровоздушной смеси 30 л/мин - не менее 15,0 минут, что соответствует классу 1 эффективности защиты от вредных веществ по ГОСТ Р 59959-2021;the protective action time for the test substance (ammonia vapor) with an initial mass concentration of 30 mg/m ³ , with a breakthrough concentration of 20 mg/m ³ , at a volumetric flow rate of the steam-air mixture of 30 l/min - at least 15.0 minutes, which corresponds to the class 1 effectiveness of protection against harmful substances in accordance with GOST R 59959-2021;

условная прочность при растяжении - не менее 2,3 МПа;conditional tensile strength - not less than 2.3 MPa;

разрывная нагрузка образца материала шириной 25 мм - 140 Н;breaking load of a material sample 25 mm wide - 140 N;

относительное удлинение при разрыве образца материала шириной 25 мм - 104%.relative elongation at break of a sample of material with a width of 25 mm - 104%.

Данный композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал рекомендуется использовать в полумасках фильтрующих для защиты от высокодисперсных аэрозолей со степенью защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015 с дополнительной защитой от паров и газов вредных веществ с эффективностью защиты, соответствующей классу 1 по ГОСТ Р 59959-2021, а также в других СИЗОД ФТ.This composite sorption-filtering protective material is recommended for use in filtering half masks for protection against fine aerosols with a degree of protection FFP3 according to GOST 12.4.294-2015 with additional protection against vapors and gases of harmful substances with a protection efficiency corresponding to class 1 according to GOST R 59959-2021 , as well as in other RPE FT.

Пример 2.Example 2

Композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал состоит из фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя, сорбционно-фильтрующего слоя (промежуточного) и каркасного слоя (внутреннего), скрепленных в единый композитный материал.Composite sorption-filtering protective material consists of a filtering anti-aerosol (outer) layer, a sorption-filtering layer (intermediate) and a frame layer (inner), bonded into a single composite material.

В качестве фильтрующего противоаэрозольного (внешнего) слоя использован материал марки ФПП 15 - 1,5 на основе ультратонких (диаметр волокна 1,5 мкм) волокон из перхлорвиниловой смолы, полученных методом электропрядения. Нетканое полотно прочно закреплено на внешней стороне полимерной матрицы (на гранях стенок ячеек) с помощью эластичного адгезива на основе полиуретана.As a filtering antiaerosol (outer) layer, material of the FPP 15 - 1.5 brand was used based on ultra-thin (fiber diameter 1.5 μm) fibers from perchlorovinyl resin obtained by electrospinning. The non-woven fabric is firmly attached to the outer side of the polymer matrix (on the edges of the cell walls) with the help of an elastic adhesive based on polyurethane.

Полимерная матрица сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя изготовлена из термопластичного полиуретана в виде сотовой структуры с ячейками, имеющими форму правильного шестигранника, с длиной стенки ячейки 4,0 мм, толщиной стенки 1,0 мм и длиной сорбирующего слоя 4,5 мм (a = 4,0 мм, b = 1,0 мм, l= 4,5 мм на Фиг. 5).The polymer matrix of the sorption-filtering (intermediate) layer is made of thermoplastic polyurethane in the form of a honeycomb structure with cells shaped like a regular hexagon, with a cell wall length of 4.0 mm, a wall thickness of 1.0 mm, and a sorption layer length of 4.5 mm ( a = 4.0 mm, b = 1.0 mm, l = 4.5 mm in Fig. 5).

В качестве сорбента (наполнителя ячеек сотовой структуры) использован гидрофобный синтетический углеродный сорбент марки ФАД (дробленый) со средним размером гранул от 0,4 до 0,5 мм, получаемый ступенчатой карбонизацией и последующей парогазовой активацией фурфурольного сополимера ГФС-98 в электрических вращающихся печах. Содержание сорбента марки ФАД, размещенного в ячейках матрицы, составляет 72% от массы сорбционно-фильтрующего (промежуточного) слоя.As a sorbent (filler of honeycomb structure cells), a hydrophobic synthetic carbon sorbent of the FAD brand (crushed) with an average granule size of 0.4 to 0.5 mm, obtained by stepwise carbonization and subsequent steam-gas activation of the HFS-98 furfural copolymer in electric rotary kilns, was used. The content of the FAD sorbent placed in the cells of the matrix is 72% by weight of the sorption-filtering (intermediate) layer.

Каркасный (внутренний) слой выполнен из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием на основе полиэстера с поверхностной плотностью 50 г/м², закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы (на грани стенок ячеек).The frame (inner) layer is made of a synthetic hygienic breathable fabric with an interthread space of no more than 50 microns, with a discrete dotted one-sided hot-melt adhesive coating based on polyester with a surface density of 50 g/m ² , fixed by thermal lamination to the inside of the polymer matrix (on the edge cell walls).

В результате исследований по указанным методикам выявлены следующие основные свойства полученного композитного сорбционно-фильтрующего защитного материала:As a result of studies using these methods, the following main properties of the obtained composite sorption-filtering protective material were revealed:

общая толщина - 4,6 мм;total thickness - 4.6 mm;

сопротивление материала, имеющего площадь 100 см², постоянному воздушному потоку при объемном расходе воздуха 30 л/мин - 8,0 мм вод.ст.;the resistance of a material having an area of 100 cm ² , a constant air flow at a volumetric air flow of 30 l/min - 8.0 mm water column;

коэффициент проникания стандартного масляного тумана со средним радиусом частиц от 0,15 до 0,17 мкм при скорости воздушного потока 1,5 см/с - не более 0,01%, что соответствует степени защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015;penetration coefficient of a standard oil mist with an average particle radius of 0.15 to 0.17 microns at an air flow rate of 1.5 cm/s - no more than 0.01%, which corresponds to the degree of protection FFP3 according to GOST 12.4.294-2015;

время защитного действия по тест-веществу (пары аммиака) с начальной массовой концентрацией 100 мг/м³, с проскоковой концентрацией 20 мг/м³, при объемном расходе паровоздушной смеси 30 л/мин - не менее 15,0 минут, что соответствует классу 2 эффективности защиты от вредных веществ по ГОСТ Р 59959-2021;the time of protective action for the test substance (ammonia vapor) with an initial mass concentration of 100 mg/m ³ , with a breakthrough concentration of 20 mg/m ³ , at a volumetric flow rate of the steam-air mixture of 30 l/min - at least 15.0 minutes, which corresponds to the class 2 effectiveness of protection against harmful substances according to GOST R 59959-2021;

условная прочность при растяжении - не менее 2,3 МПа;conditional tensile strength - not less than 2.3 MPa;

разрывная нагрузка образца материала шириной 25 мм - 260 Н;breaking load of a material sample 25 mm wide - 260 N;

относительное удлинение при разрыве образца материала шириной 25 мм - 106%.relative elongation at break of a sample of material with a width of 25 mm - 106%.

Данный композитный сорбционно-фильтрующий защитный материал рекомендуется использовать в полумасках фильтрующих для защиты от высокодисперсных аэрозолей со степенью защиты FFP3 по ГОСТ 12.4.294-2015 с дополнительной защитой от паров и газов вредных веществ с эффективностью защиты, соответствующей классу 2 по ГОСТ Р 59959-2021, а также в других СИЗОД ФТ.This composite sorption-filtering protective material is recommended for use in filtering half masks for protection against fine aerosols with a degree of protection FFP3 according to GOST 12.4.294-2015 with additional protection against vapors and gases of harmful substances with a protection efficiency corresponding to class 2 according to GOST R 59959-2021 , as well as in other RPE FT.

Проведенные патентные исследования не выявили технических решений, ставших общедоступными до даты приоритета заявленной полезной модели и характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».The conducted patent research did not reveal technical solutions that became publicly available before the priority date of the claimed utility model and are characterized by the claimed set of features, therefore, it can be assumed that the specified technical solution meets the condition of patentability "novelty".

Заявляемое полезная модель является простой в разработке, для изготовления используются доступные материалы и стандартное технологическое оборудование. Модель апробирована в опытно-промышленных условиях, что соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».The claimed utility model is easy to develop; available materials and standard technological equipment are used for manufacturing. The model has been tested in pilot industrial conditions, which corresponds to the condition of patentability "industrial applicability".

Claims (1)

Композитный сорбционно-защитный материал на эластичной матрице для средств индивидуальной защиты органов дыхания, отличающийся тем, что конструктивно он состоит из трех скрепленных в единый композит слоев: промежуточного сорбционно-фильтрующего слоя, выполненного в виде полимерной эластичной сотовой структуры с ячейками в форме правильного шестигранника, заполненными сорбентом с открытой поверхностью в количестве до 80 мас.% от общей массы промежуточного слоя; внешнего фильтрующего противоаэрозольного слоя из нетканого материала на основе полимерных волокон с диаметром 0,8-1,5 мкм, прочно закрепленного на внешней стороне полимерной матрицы промежуточного слоя; внутреннего каркасного слоя, выполненного из синтетической гигиенической воздухопроницаемой ткани, имеющей размер межниточного пространства не более 50 мкм, с дискретным точечным односторонним термоклеевым покрытием, закрепленной способом термоламинирования на внутреннюю сторону полимерной матрицы промежуточного слоя.Composite sorption-protective material on an elastic matrix for personal respiratory protection, characterized in that it structurally consists of three layers fastened into a single composite: an intermediate sorption-filtering layer made in the form of a polymeric elastic honeycomb structure with cells in the shape of a regular hexagon, filled with a sorbent with an open surface in an amount of up to 80 wt.% of the total mass of the intermediate layer; an outer anti-aerosol filtering layer made of non-woven material based on polymer fibers with a diameter of 0.8-1.5 μm, firmly fixed on the outer side of the polymer matrix of the intermediate layer; an inner frame layer made of a synthetic hygienic breathable fabric with an interthread space of not more than 50 μm, with a discrete dotted one-sided hot-melt adhesive coating, fixed by thermal lamination to the inner side of the polymer matrix of the intermediate layer.

Images