Огнестойкость и жаростойкость

Огнестойкость и жаростойкость текстильных материалов связаны с горючестью этих материалов и способностью противостоять передаче тепловой энергии от источника высокой температуры при непосредственном контакте (теплопроводность/конвекция) либо через лучистое тепло. Требования к огнестойкости и жаростойкости текстильной продукции определяются требованиями к конечному изделию и зависят от сферы применения. Например к СИЗ (Средствам Индивидуальной Защиты), которые входят в состав группы Рабочая и защитная одежда, относится одежда пожарных. Технические спецификации к защитному обмундированию пожарных отличаются в зависимости от того, одевается ли рассматриваемая деталь обмундирования под верхнюю одежду, либо является верхней одеждой. Требования к верхней одежде пожарных отличаются в зависимости от того, предназначено обмундирование для работы в небольшом очаге пожара, для тушения пожаров огнеопасных материалов (нефтегазовая промышленность) либо для повседневного ношения (форменная одежда). С другой стороны, к рабочей одежде литейщиков и сварщиков предъявляются менее строгие требования. Подобные примеры различий в эксплуатационных требованиях к материалам для изготовления похожих изделий можно обнаружить при производстве деталей для транспорта, сравнив сиденья и материал их обшивки, используемые в авиации, с их аналогами, используемыми в автомобильной промышленности. Аналогичным образом отличается обшивка для бытовой мягкой мебели от обшивки мебели, используемой в лечебных учреждениях и общественных местах. Минимальные требования к техническим характеристикам (МТТХ) и стандартные процедуры испытания различных технических групп текстильной продукции устанавливаются многочисленными регулирующими органами. Эти требования могут отличаться в зависимости от рассматриваемой отрасли и страны. Многие производители СИЗ маркируют продукцию символом СЕ (сокр. Conformité Européenne), что является обязательным для декларации того, что продукция соответствует требованиям Европейских директив по технике безопасности и охране окружающей среды.

Для обозначения того, как ткани реагируют на контакт с пламенем, используются различные термины. Ткани, которые практически не боятся воздействия пламени, называются огнестойкими. Если ткань воспламеняется, но самозатухает при прекращении воздействия источника пламени - она относится к огнезащищенным тканям, являющимся слабогорючими. Если материал не воспламеняется, но плавится либо разрушается при воздействии высоких температур  - он относится к пламястойким тканям, которые являются негорючими - не способными к воспламенению и горению. Важным аспектом огнестойкости текстильных материалов является их температурная стабильность: они не воспламеняются и не сжимаются при воздействии пламени либо интенсивного нагревания (жаростойкость/жароупорность).  

Горение материалов - химический процесс, в ходе которого молекулы кислорода либо другого окислителя вступают в реакцию с молекулами горючих газов, выделяемых нагретым материалом. Происходящая реакция относится к экзотермическим - сопровождающимся выделением энергии в виде пламени (тепла и света), которое продолжает нагревать материал, приводя к образованию большего количества горючего газа, вступающего в реакцию с большим количеством кислорода и таким образом поддерживая горение. Таким образом, основной принцип горения материалов основан на воздействии трех факторов: (1) температура /тепло, (2) окислитель / кислород, (3) непрерывное высвобождение горючих газов /топливо; эти три фактора обычно формируют графическое представление процесса горения в виде треугольника, в котором они связаны неингибируемой химической экзотермической реакцией.

Горения может быть предотвращено или прекращено следующими методами:

• ингибирование высвобождения горючих газов (например, гашение материала проводником/абсорбером тепла);
• использование материала с высокой прочностью молекулярных связей, противостоящих разрушению, либо содержащих химические элементы, такие как азот и сера, которые при разрушении молекулярных связей выделяют негорючие газы;
• введения добавки, обеспечивающей эндотермическую химическую реакцию с кислородом (т.е. обеспечивающей поглощение тепла).

Химические и физические реакции текстильных материалов на высокую тепловую энергию пламени, либо на прямой контакт или лучистое тепловое излучение являются довольно сложными и зависят в основном от типа(-ов) волокна, входящего в состав ткани и способа обработки тканей. Поскольку при разработке тканей учитывается стоимость, требования защиты окружающей среды и другие параметры, не связанные с воздействием высоких температур, рассматривается множество вариантов достижения требуемых параметров огнестойкости тканей.

Ткани, которые считаются по своей природе негорючими изготовлены из того, что называется высокоэффективными волокнами (ВЭВ), либо неорганических волокон, таких как стеклянные или керамические волокна или волокна, спряденные из термостойких синтетических полимеров, обычно волокон, таких как кевлар и Nomex, которые изготовлены из арамидных полимеров. Имеется ряд других полностью негорючих синтетических полимеров, из которых изготавливаются высокоэффективные волокна. Химические структуры этих полимеров содержат сильные молекулярные связи и химические элементы, которые образуют негорючие газы при разрыве химических связей. Их основным преимуществом является высокое содержание углерода, который при выделении газов образуют негорючую сажу, покрывающую материал. Высокоэффективные волокна, изготовленные из таких полимеров, обладают огнестойкостью на молекулярном уровне.

Как правило, высокоэффективные волокна дороги, характеризуются низкими параметрами комфортности и окрашиваемости, требуемыми для многих типов огнезащитных тканей. При изготовлении деталей интерьера транспортных средств и строений, когда на реализацию одного проекта требуется огромное количество ткани, себестоимость является чрезвычайно важным параметром, что может привести к полному отказу от использования тканей из высокоэффективных волокон.  При определенных требованиях к воспламеняемости, высокоэффективные волокна могут комбинироваться с натуральными волокнами, такими как шерсть, обеспечивая снижение себестоимости ткани. В химический состав шерсти входят азот и сера, однако она обладает и другими преимуществами, такими как высокое содержание влаги и склонностью к образованию самоизолирующего сажевого слоя, препятствующего распространению пламени. При нагревании шерсти до температуры воспламенения ее структура вспенивается, образуя изолирующий слой пиролизованного материала (сажи), отделяющего тепло и кислород от горючего вещества (например, материала основы).

Кроме определения того, содержатся ли в химической структуре ли волокна определенные элементы, образующие при нагреве негорючие газы, либо обеспечивающие обугливание материала, имеется ряд других свойств, на которые нужно обращать внимание при выборе материалов:

• Температура воспламенения - минимальная температура, при которой волокна загораются  
  • при наличии искры либо пламени (принудительное воспламенение), 
  • в отсутствии искры либо пламени (самовозгорание/самовоспламенение/точка вспышки)
• Температура плавления /Точка плавления – плавящиеся полимеры при горении обычно образуют горящие капли расплавленного материала, которые могут  стать причиной возгорания других материалов.
• Тепловыделение /Теплота сгорания – количество тепла, выделяемого при горении
• Кислородный индекс –  минимальное объемное процентное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно горение материала
• Дымообразование - объем и оптическая плотность для заданного количества материала
• Токсичность продуктов горения – Концентрация (частей на миллион) в продуктах горения
• Распространение пламени – расстояние, преодолеваемое пламенем за заданное время.

Эти свойства определяются для выбранного типа волокон либо для готовой ткани согласно стандартных методик испытания ISO либо ASTM.

Если параметры огнестойкости и жаростойкости материала не соответствуют требованиям спецификаций, они могут быть обработаны химическими замедлителями горения либо при изготовлении тканей могут быть использованы огнестойкие добавки (представляющие собой микро- и наночастицы), которые добавляются в полимеры, используемые для покрытия тканей, либо смешиваются с полимером, используемым при изготовлении волокон. Таким образом, для обработки замедлителями горения и использования огнестойких добавок используются обычные технологии обработки тканей и нанесения на них покрытия. Синтетические полимеры, компаундированные огнестойкими добавками, обычно используются для изготовления волокон методом прядения из расплава. 

Кроме того, на сегодняшний день внедряются технологии с использованием плазменных, лазерных и микроволновых систем. Относясь к процессам, не требующим расхода большого количества воды и оказывающим незначительное негативное воздействие на окружающую среду в связи с низким энергопотреблением и малым количеством промышленных отходов, эти процессы отнесены к чистым технологиям с огромным потенциалом для разработки новых продуктов и снижения себестоимости.