І Г Дейнека - Дослідження ступеня надійності кислотозахисних костюмів від волокнистого складу текстильних матеріалів - страница 1

Страницы:
1  2  3 

УДК 677.017.636

Дейнека І.Г.

ДОСЛІДЖЕННЯ СТУПЕНЯ НАДІЙНОСТІ КИСЛОТОЗАХИСНИХ КОСТЮМІВ ВІД ВОЛОКНИСТОГО СКЛАДУ ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ

У статті обґрунтовано використання показників повітропроникності і водотривкості для оцінки ступеня надійності кислотозахисного одягу працівників хімічних підприємств. Приведені результати свідчать про залежність цих показників від природи і співвідношення волокнистого складу текстильних матеріалів, його стійкості до небезпечно-шкідливих факторів, виду переплетення, товщини матеріалу.

Ключові слова: повітропроникність, водотривкість, волокнистий склад, надійність.

Вступ. Відомо, що для виготовлення кислотозахисних костюмів від впливу мінеральних кислот, концентрація яких знаходиться в межах 50...80 % і більше, необхідно використовувати спеціальні тканини з різним вмістом, насамперед, шерстяних волокон, додаючи в структуру пряжі поліпропіленові, лавсанові, віскозні, капронові та інші волокна хімічного походження. Оцінка кислотозахисних властивостей, а відтак їх вибір, проводиться за допомогою контролювання зміни розривальних характеристик проб матеріалів після часової обробки агресивним розчином - це перший показник, та відсутністю моменту проникнення його крапель через товщу тканини за 20 хв експозиції - другий показник. Отже, щоб стверджувати про високі, або достатні кислотозахисні якості розробленої тканини, її проби можуть зменшувати розривальне навантаження до 15 % від вихідного, а краплі кислоти, нанесені на лицеву поверхню зразка не проникати в його структуру на протязі 20 хв. Якщо указані в стандарті [1] умови дослідження, що проводяться тільки по відношенню до розчинів H2SO4 без врахування HCl, HNO3 і H3PO4, витримуються, то матеріал вважається кислотозахисним і рекомендується для виготовлення спеціального одягу від впливу мінеральних кислот.

Загальні недоліки указаної методики очевидні. Окрім цього, запропонований процес вибору кислотозахисних матеріалів для спеціального одягу хімікам з допомогою таких двох показників як кислотостійкість проб та їх кислотопроникність, на нашу думку, недостатньо інформативний. Це відноситься до таких тканин, які у своєму складі мають хімічно нестійкі волокна (шерсть, бавовна, віскоза, капрон та інші), такі синтетичні волокна, як наприклад, поліпропіленові. Якщо їх у складі пряжі більше 40 %, то вони, після часової обробки агресивною рідиною і в зв'язку з тим, що не руйнуються, забезпечують вимоги указаного стандарту, не зважаючи на те, що наприклад, шерстяні волокна деструктуючись не несуть відповідальності за збереження розривальних характеристик спеціального матеріалу.

Коли одяг знаходиться на підприємстві, контроль за зміною його кислотозахисних характеристик від часу використання, або від кількості циклів очистки, завжди був відсутній, як і відсутнє обґрунтування терміну експлуатації на протязі 6...12 місяців.

Постановка завдання. В зв'язку з цим, була розроблена принципово нова гіпотеза про вивчення зміни властивостей спеціальних матеріалів для кислотозахисного одягу, максимально моделюючи умови його експозиції на підприємстві. Оскільки матеріал розроблявся як кислотозахисний і був досліджений згідно методики стандарту [1], недоліки якої були охарактеризовані і, очевидно, ще потребують удосконалення, необхідно оцінювати спеціальні тканини не розривальними характеристиками зразків та проникністю агресивної рідини через їх товщину, а наявністю руйнування тих хімічно нестійких волокон, які формують пряжу, а відтак і загальну її структуру. Тобто, якщо до складу тканини залучені бавовняні, шерстяні, віскозні та інші хімічно нестійкі волокна навіть в незначній кількості, то після їх обробки агресивною рідиною заданої концентрації на протязі 120 годин, її нейтралізації і з послідуючим, обов'язковим пранням проб в мильно-содовому розчині, контролювати не уже згадані фізико-механічні показники, які із-за умов стандарту [1] є мало інформативними, а коефіцієнтом повітропроникності (дм3/м2 с) і водотривкості (мм вод.стовпа).

Отримані результати. Оцінка ступеня надійності (Сн) проб спеціальних матеріалів для кислотозахисних костюмів проводилась з використанням двох незалежних між собою показників: коефіцієнт повітропроникності Кп та водотривкості В. Перший із них характеризує здатність зразків пропускати повітря при постійному перепаді тиску Р, що дорівнює 49 Па, а другий - пропускати воду, але при наростаючому значенні тиску, який утворюється висотою водяного стовпа [2]. Указані показники відносяться до тих, з допомогою яких проводять дослідження, пов'язані із такими фізичними властивостями текстильних матеріалів як гігроскопічність, проникність тепла, води, повітря, пари, агресивних рідин, радіоактивних речовин та інше. Тому очевидно, що необхідні властивості тканин формуються на етапі їх розробки, в залежності від їх функціональногопризначення і головну роль при цьому відіграє волокнистий склад. В разі, коли волокна під дією НШФ руйнуються, так як це відбувається в нашому випадку, то показники, що контролюють фізичні характеристики матеріалів, теж змінюють свої значення в порівнянні з вихідними, незалежно від їх рангу, призначення та значимості. Отже, при руйнуванні волокон, структура матеріалу порушується, що приводить до збільшення його пористості, а відтак і до збільшення значення коефіцієнта повітропроникності та зменшення показника водотривкості. Тому, коли Ск дорівнює одиниці і Св теж дорівнює одиниці, тобто Ск = Св = 1,0, то ступінь надійності Сн кислотозахисного одягу найвища і теж дорівнює одиниці, а саме: Сн = Ск = Св = 1,0. Але, якщо навіть одна із указаних складових (Ск або Св) при обрахуванні виявиться меншою за 0,8 або більшою за 1,0, то незважаючи на отримане значення іншої складової, кислотозахисний одяг слід вважати ненадійним по відношенню до впливу конкретної мінеральної кислоти заданої концентрації.

Експерименти, проведені відносно проб матеріалу арт. 8В11-Д1/2 і розчинів сірчаної кислоти, свідчать про те, що із збільшенням її концентрації, за 120 годин безперервного контакту з послідуючим пранням в мильно-содовому розчині, такі показники як коефіцієнт повітропроникності Кк збільшується, а водотривкість Вк - зменшується в порівнянні з вихідними.

Так, 50 % H2SO4 приводить до збільшення Кк від 189 дм3/м2с до 233 дм3/м2с, тобто на 23,3 % і ступінь надійності Ск дорівнює 0,81, що відповідає нормі. Значення водотривкості при цьому зменшилось від 6,7 мм вод.стовпа до 4,8 мм вод.стовпа (на 28,4 %) і ступінь надійності Св, розрахована за згаданим показником, уже дорівнює 0,71, що не відповідає вимогам розглянутої методики. Тому, за результатами проведених досліджень, стає очевидно, що даний матеріал ненадійний і не може бути використаний для виготовлення кислотозахисного одягу від впливу сірчаної кислоти, концентрація якої дорівнює 50 % і більше (табл. 1).

Таблиця 1

Зміна ступеня надійності Ск і Св арт. 8В11-Д1/2 "Хімік" в залежності від природи і концентрації мінеральних кислот

№ з/п

Агресивне середовище, концентрація

 

H2SO4, %                 HCl, %                 HNO3, %               H3PO4, %

 

50     70     80    90     10     20     35     50    70    80    90     50     70 80

1

233   318     -      -     243   285     -      -      -      -      -     262     - -

2

0,81   0,59     -      -     0,77   0,66     -----     0,72     - -

3

4,8    4,0     -      -     4,2    3,4     -       -      -      -      -     3,7      - -

4

0,71   0,59     -      -     0,62   0,80     -----     0,55     - -

Примітка: знак "мінус" свідчить про те, що проба матеріалу зруйнувалась агресивним розчином

1 - коефіцієнт повітропроникності Кк, дм /м с

2 - ступінь надійності, Ск = Кп/Кк = 189/Кк

3 - водотривкість Вк, мм вод.стовпа

4 - ступінь надійності, Св = Вк/В = Вк/6,7

Аналогічні дослідження були проведені і по відношенню до соляної, азотної і фосфорної кислот. Отримані результати свідчать насамперед про те, що створити кислотозахисні тканину від впливу мінеральних кислот указаних концентрацій, до волокнистого складу якої входить 70 % вовни, 20% віскози і 10 % капрону, практично не можливо у зв'язку з їх гідролізом, особливо в розчинах азотної кислоти (табл. 1).

Процес зміни коефіцієнта повітропроникності Кк в залежності від природи агресивної рідини та її концентрації описується приведеними рівняннями регресії. Так, при обробці матеріалу 50 %, 60 % і 70 % H2SO4 були отримані слідуючи закономірності:

у = 201,7 + 0,254х (1) у = 204,1 + 0,629х (2)

у = 213,1 + 0,804х (3)

Критерії Кохрена і Фішера (розраховані і табличні), а також кореляційні відношення R, які дорівнюють 0,997; 0,984 і 0,975 відповідно, свідчать про адекватність отриманих моделей.

Аналогічні рівняння були отримані при обробці результатів досліджень відносно соляної кислоти 10 %, 20 % і 30 % концентрації (відповідно):

у = 204,9 + 0,313х (4)

у = 214,2 + 0,575х (5) у = 227,2 + 0,908х (6)

Отримані кореляційні відношення, критерій Кохрена і критерій Фішера також свідчать про адекватність моделей. Це можна сказати і про вплив на матеріал арт. 8В11-Д1/2, наприклад, 50 % фосфорної кислоти.

Отже приведена статистична обробка результатів підтверджує наявність залежності між волокнистим складом спеціального матеріалу та ступенем його надійності в процесі впливу агресивних середовищ.

При вивчені ступеня надійності кислотозахисного матеріалу арт. 6929 було установлено, що зменшення в пряжі кількості шерстяного, хімічно нестійкого волокна до 40 %, суттєво покращує його функціональні можливості по відношенню до впливу указаних мінеральних кислот, але певних концентрацій. Так, якщо проаналізувати експерименти проведені із сірчаною кислотою, то ступінь надійності матеріалу, обробленого 50 % її розчином, за величиною зміни коефіцієнта повітропроникності дорівнює 1,0, а за водотривкістю - 0,87. Математична модель цього процесу адекватна і при кореляційному відношенні 0,991, описується наступним рівнянням регресії:

у = 73,9 + 0,771х (7)

Отримана закономірність зберігається і втому випадку, коли проби контактували з розчином 60 % і 70 % сірчаної кислоти. Так, в першому випадку Ск = 0,92 і Св = 0,85, а в другому - Ск і Св = 0,81. Математична модель указаних процесів, а саме залежність зміни величини коефіцієнта повітропроникності Кк від часу експозиції може бути описана наступними рівняннями регресії:

у = 108,6 + 0,038х (8)

у = 99,5 + 0,846х (9)

Якщо концентрацію сірчаної кислоти збільшити до 80 % і 90 %, то коефіцієнт повітропроникності зменшується від 78 дм3/м2с до 53 дм3/м2с. В зв'язку з цим, ступінь надійності проб матеріалу арт. 6929 в даному випадку не відповідає раніше зазначеним вимогам (табл. 2).

В разі, коли зразки указаної тканини обробляють 10 % і 20 % соляної кислотою, то ступінь надійності відносно коефіцієнта повітропроникності Ск = 0,95, а відносно водотривкості Св = 0,81, а тому матеріал, для захисту від впливу цих концентрацій слід вважати надійним.

Якщо концентрацію HCl збільшити до 30 %, то значення Ск (коефіцієнт повітропроникності) дорівнює 0,54, а значення Св (водотривкість) дорівнює 0,53, тобто матеріал ненадійний. Аналогічні залежності були отримані і при концентрації проб з концентрованою, 35 % соляною кислотою, де за рахунок руйнування шерстяного волокна коефіцієнт повітропроникності збільшився на 105% (від 177 до 240 дм3/м2с), а водотривкість зменшилась на 58,4 % (від 12 до 5 мм вод.стовпа), що і обумовило їх ненадійність (табл. 2).

Таблиця 2

Зміна ступеня надійності Ск і Св арт. 6929 в залежності від природи і концентрації мінеральних кислот

№ з/ п

Агресивне середовище, концентрація

 

H2SO4, %

HCl, %

HNO3, %

H3PO4, %

 

50

70

80

90

10

20

35

50

70

80

90

50

70

80

1

115

144

78

53

123

147

240

132

247

270

270

117

161

100

2

1,0

0,81

1,5

2,2

0,95

0,80

0,48

0,89

0,47

0,44

0,44

1,0

0,73

1,17

3

10,4

9,7

6,5

5,0

9,7

9,7

5,0

9,9

6,1

3,8

3,8

11,8

8,5

7,4

4

0,87

0,81

0,54

0,42

0,81

0,81

0,42

0,83

0,51

0,32

0,25

0,98

0,71

0,62

1 - коефіцієнт повітропроникності Кк, дм Л

2 - ступінь надійності, Ск = Кп/Кк = 117/Кк

3 - водотривкість Вк, мм вод.стовпа

4 - ступінь надійності, Св = Вк/В = Вк/12

Що ж стосується розчинів азотної кислоти, то проведені експерименти і аналіз отриманих результатів свідчать про різке збільшення показників повітропроникності та зменшення водотривкості окрім 50 % її концентрації. Це свідчить про те, що тільки 50 % HNO3, згідно прийнятих умов дослідження, не приводить до повного руйнування шерстяних волокон, а тому ступінь надійності за значенням коефіцієнта повітропроникності Ск = 0,89, а за значенням водотривкості    Св = 0,83 (табл. 2).

Математична модель указаного процесу адекватна і при значному кореляційному відношенню (R = 0,993) описується слідуючим рівнянням регресії:

у = 114,1 + 0,154х (10)

Якщо концентрацію азотної кислоти збільшувати до 80 %, то значення коефіцієнта повітропроникності Кк стає рівним 270 дм3/м2с і відносно вихідного його значення (117 дм3/м2с) збільшується на 130,8 %. Тому ступінь надійності в даному випадку дорівнює всього 0,44, а за показниками водотривкості - 0,32, тобто указаний матеріал є ненадійним і не може використовуватись для кислотозахисту від впливу HNO3 80 % концентрації. Математично, отримані залежності при кореляційному відношенню 0,981, описуються слідуючим рівнянням регресії:

у = 210,2 + 0,467х (11)

Аналогічні результати були отримані і в тому випадку, коли концентрацію кислоти збільшили до 90 %. Коефіцієнт повітропроникності залищився незмінним (270 дм3/м2с), а значення водотривкості проби зменшилось до 3,0 мм вод.стовпа (табл. 2). Тому ступінь надійності проб матеріалу, при Ск = 0,44 і Св = 0,25, не відповідає раніше зазначеним вимогам. Про це свідчить також і отримане рівняння регресії.

Раніше зазначалось, що розчини фосфорної кислоти, не зважаючи на їх летку природу, за значеннями коефіцієнтів дисоціації, відносяться до найменш активних, особливо при середніх концентраціях, а тому їх вплив на шерстяне волокна повинен бути не значним. Дійсно, експерименти показали, що 50 % H3PO4 практично не впливає на шерстяне волокно, а тому ступінь надійності за ознакою Ск = 1,0. При незначному зменшенні водотривкості (до 11,8 мм вод.стовпа), надійність матеріалу за ознакою Св = 0,98, що також відповідає нормі (табл. 2). Отримане рівняння регресії за критерієм Фішера адекватне процесу, а тому матеріал слід вважати надійним.

Подібні залежності були отримані і при 60 % концентрації фосфорної кислоти, а тому матеріал також можна віднести до надійних, оскільки Ск = 0,84, в Св = 0,87 (табл. 2).

В разі, коли концентрацію кислоти збільшити до 70 % або 80 % концентрації, то закономірності, пов'язані із захисними властивостями матеріалу, зменшуються завдяки деструкції шерстяного волокна, що обумовлює зміну показників повітропроникності та водотривкості. Так, за 120 годин контакту, з послідуючим пранням в мильно-содовому розчині, коефіцієнт повітропроникності Кк збільшився до 161 дм /м2 с, а саме на 37,6 % від вихідного (117 дм3/м с) і ступінь надійності Ск відносно захисту 70 % Н3РО4 став дорівнювати 0,73, що не відповідає запропонованим нормам. Що ж стосується ступеня надійності Св, розрахованої за водотривкістю, то вона дорівнює 0,71, що суттєво менша за рекомендовані показники (табл. 2).

Якщо концентрацію Н3РО4 збільшити до 80 %, то коефіцієнт повітропроникності Кк, як і при 80 % та 90 % сірчаної кислоті, зменшується від вихідного значення на 14,5 % і стає дорівнювати 100 дм3/м2 с, а ступінь надійності Ск = 1,17 (табл. 2). Але значення водотривкості Вк при цьому зменшилось від 12 мм вод.стовпа до 7,4 мм вод.стовпа (на 38,4 %), що логічно, і ступінь надійності матеріалу, дорівнюючи 0,62, також не відповідає вимогам. Математично, указаний процес, при достатньому значному кореляційному відношенню (R = 0,973), описується слідуючим рівнянням регресії першого порядку:

у = 87,0 + 0,1х (12) А що стосується зменшення значення коефіцієнта повітропроникності Кк, то воно є причиною хімічної деструкції шерстяного волокна не в його об'ємі, коли кислота має незначну концентрацію, а по поверхні. Отже, якщо кислота висококонцентрована і кількість в ній води, як розчинника і основного "транспортуючого агента" в пористу систему об'єкта, незначна, то за рахунок зменшення дифузії по товщині, деструктивні процеси відбуваються у зовнішній дифузійно-кінетичній області зразка [3]. А це приводить до зсідання, в даному випадку шерстяного волокна, збільшення товщини проби та зменшення її пористості, що зумовлює і зменшення такого показника як, наприклад, повітропроникності. Що ж стосується водотривкості матеріалу, то указаний показник, який досліджується при постійному наростаючому тиску води під пробою дає змогу засвідчити зміну в її структурі і тим самим оцінити ступінь надійності.

Таким чаном, якщо проаналізувати отримані результати проведених досліджень, то на їх основі можна зробити слідуючи висновки:

- спеціальний матеріал арт. 6929, до волокнистого складу якого входить 40 % шерсті і 60 % поліпропілену, може бути використаний для виготовлення кислотозахисного одягу від впливу 50...70 % сірчаної кислоти, 10...20 % соляної кислоти, 50 % азотної і 50...60 % фосфорної кислоти;

- найбільш агресивним середовищем для указаної вовнополіпропіленової тканини за показниками ступеня надійності Ск і Св слід вважати азотну, соляну, сірчану і фосфорну кислоти.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

І Г Дейнека - Дослідження ступеня надійності кислотозахисних костюмів від волокнистого складу текстильних матеріалів