Инновационные решения в области разработки СИЗ человека от последствий чрезвычайных ситуаций

Р.Х.Фатхутдинов

Инновационный путь развития, основанный на знаниях, а не на использовании природных ресурсов или их переработке, на нанотехнологиях и других результатах современной технологической революции, является ключевым направлением развития промышленности и прогресса общества в ХХI веке. По мнению большинства экспертов в области научно-технической политики, начавшаяся нанотехнологическая революция охватит все жизненно важные сферы деятельности человека, а ее последствия будут обширнее и глубже компьютерной революции последней четверти XX века.

ОАО «КазХимНИИ» более 40 лет проводит работу по созданию средств индивидуальной защиты человека от воздействия агрессивных, высокотоксичных и сильнодействующих химических веществ в интересах силовых структур, промышленных предприятий, гражданской обороны и населения. Основной нашей специализацией является разработка специальной защитной одежды и других средств индивидуальной защиты кожных  покровов человека. Поэтому в моем выступлении основное внимание будет уделено  проблематике именно этого направления.

Прежде всего, хотелось бы отметить, что, несмотря на очень тяжелые условия, в которых находилась наша отечественная прикладная наука, и мы в том числе, несмотря на значительные материальные и интеллектуальные потери, которые были понесены в последние два десятка лет, нам удалось сохранить и развить основную приборную, испытательную, технологическую, научно-методическую базу и специалистов, способных в настоящее время развивать и внедрять инновационные подходы в разработке и создании новых средств защиты кожи. И это главное условие  сегодняшнего нашего успешного функционирования..

Сегодня с использованием наших возможностей мы способны решать  проблемы в области совершенствования средств защиты кожи на уровне самых современных технологических прорывов.

Главными направлениями совершенствования защитной одежды сегодня являются повышение ее защитного уровня и защитных свойств, физико-технических характеристик, включающих в себя особенности конструирования, функциональность, эксплуатационные возможности, а также эргономических свойств и качества работы в эксплуатируемой защитной одежде.

Что касается повышения защитных свойств специальной одежды, то здесь речь нужно вести, в первую очередь о защитных материалах.         Стремительное развитие химии и химических технологий, в том числе нанотехнологий, позволяет сегодня привлекать  к конструированию защитной одежды целый ряд новых материалов с повышенными защитными характеристиками, а иногда и с новыми защитными свойствами.

Для защиты от боевых отравляющих веществ и других супертоксикантов сегодня нами разработаны материалы, позволяющие  удовлетворить любое техническое задание Заказчика. Это защита достигающая и превышающая 30-40 часов от самых опасных химических веществ  в любой агрегатной форме в том числе и жидкой. Конечно, такие материалы достаточно тяжелы. Их поверхностная плотность превышает 400-600 г/см.кв. Вопрос здесь сегодня стоит в другом  - нужно ли это? Пользуясь присутствием уважаемых представителей МО и МЧС хотелось бы выразить пожелание больше внимания уделить выработке тактики применения  средств защиты.

 Нужно ли закладывать в технические задания на разработку СИЗ такую большую мощность защиты на материалы и костюмы, если время защиты ограничивается возможностями дыхательных аппаратов, условиями их применения и возможностями самого человека. С другой стороны на местах очень часто не могут разобраться  какие средства защиты при каких  условиях и концентрациях опасных веществ применять и соответственно какие требования для них заказывать. Это существенно усложняет нашу работу разработчиков.

Основными путями совершенствования изолирующих средств защиты является снижение веса изолирующих материалов при сохранении достаточно высоких защитных и эксплуатационных характеристик (здесь нами уже получены материалы с удельной плотностью порядка 200 г/см.кв.) а также повышение универсальности их защитных свойств. Известно, что нашей отечественной промышленностью сегодня выпускаются материалы Т-15 и УНКЛ, обладающие высокими защитными характеристиками по отношению к ОВ, но непригодные для защиты от большинства АХОВ и не стойкие к нефтепродуктам. Для этого нами наряду с бутилкаучуком все больше используются резино-полимерные рецептуры, созданы материалы с двухсторонним покрытием различными защитными композициями, создан материал на основе резинотканевой и полимерно-пленочной композиции.

В области конструирования изолирующих защитных комплектов одним из самых перспективных инновационных решений нами считается применение принудительной очистки и подачи воздуха на дыхание и в подкостюмное пространство. Сегодня нами разработаны на основе эффективных микровентиляторов   узлы очистки и подачи воздуха (УОПВ), которые через систему фильтрующих коробок (до 6), позволяют подавать на дыхание и в подкостюмное пространство от 30 до 300 л. очищенного воздуха в минуту. Использование УОПВ позволяет значительно повысить комфортность пребывания и работы в изолирующем костюме, а также увеличить до 6 часов автономной работы  время пребывания в зоне заражения.   Повышение избыточного давления при применении УОПВ в подкостюмном пространстве также повышает защитный ресурс изолирующего комплекта, особенно в случае частичной потери его герметичности. С использованием УОПВ разработаны наши последние разработки изолирующих СИЗ - это изделия КЗВП-М для МО и ЗКМТ для МЧС, а также разрабатывается эвакуационный комплект для переноски раненых и пораженных из зон аварий и детский самоспасатель.

В современных условиях актуальным становится создание защитных комплектов с  универсальными защитными свойствами, повышенными эксплуатационными и эргономическими характеристиками, небольшой массой и низкой стоимостью позволяющие изготавливать простые и сравнительно дешевые средства защиты.

Поэтому в последние годы за рубежом прослеживается тенденция к замене тяжелых резинотканевых изолирующих материалов многослойными полимерными пленками для средств защиты однократного применения. Преимущество таких изделий заключается в небольшой массе, удобстве и простоте в эксплуатации, относительно небольшой стоимости, отсутствии необходимости в операции дегазации.

Сегодня в ОАО «КазХимНИИ» также разработан дублированный многослойный пленочный материал на основе армированного полиэтилена. Сочетая в себе лучшие свойства нескольких полимеров, он обладает очень высокими защитными и физико-механическими свойствами. Такой материал при изготовлении из него защитной одежды, позволяет успешно применять новые методы конфекции, в частности методы сваривания. Это приводит к  значительному повышению производительности и соответственно снижению    себестоимости изготавливаемых изделий.

На основе этого материала были разработаны защитные пленочные изделия однократного применения: комплект КЗПО, эвакуационный комплект, плащ-накидка, защитный полумешок и капюшон.

Среди новейших инновационных технологий последних лет все более широкое применение находят селективно проницаемые мембраны

Мембраны - это тонкие пленки со специальной структурой, обладающие способностью селективного пропускания веществ. Избирательность мембраны основана на ее способности пропускать или не пропускать частицы в соответствии с их размером и иными свойствами.

Сегодня наибольшее распространение получили мембраны на основе различных полимерных пленок.

Широко известны полупроницаемые мембраны на основе ацетатов целлюлозы, полиимидов, полиолефинов и фторированных полимеров.

В качестве защитных материалов предлагаются трековые мембраны,  получаемые путем бомбардировки полимерных материалов атомными ядрами или ионами.  

Широкое применение находят мембраны на основе кремнийорганических полимеров.

Технологии получения  полимерных мембран достаточно непросты. Однако сегодня зарубежными и отечественными производителями они  предлагаются в достаточно большом количестве. Вопрос в том как выбрать или разработать мембраны, пригодные для создания защитной одежды.

Для повышения комфортности использования защитной одежды мембраны должны быть «дышащими». Они должны позволять проникать молекулам воды лишь в парообразном состоянии и не пропускать воду в виде капель, то есть защищать от влаги снаружи и отводить влагу от тела, которая образуется внутри, поэтому основными характеристиками мембраны являются: водонепроницаемость и паропроницаемость.

Главной проблемой разработки мембран для защитной одежды от высокотоксичных химических веществ сегодня является невозможность их подбора для защиты от достаточно широкого спектра веществ. Нет мембран с достаточно универсальными защитными свойствами. Однако наличие у нас сегодня необходимой экспериментально-методической базы для определения основных свойств мембранных материалов  позволяет нам организовать широкие исследования по разработке   материалов, пригодных для создания эффективной дышащей защитной одежды.

Так нам удалось создать химзащитные комбинированные материалы путем дублирования фильтрующе-сорбирующего материала на основе угленаполненной целлюлозы и газоселективных полимерных мембран - полиэфирблокамидных и полиуретановых.

Получены достаточно широко универсальные материалы, в которых наружная мембрана защищает от капельно-жидкой фазы и частично от газовой и паровой. Внутренний фильтрующе-сорбирующий слой защищает от части проникающей газовой и паровой фазы.

Защитная одежда фильтрующего типа (ФТ),как правило, изготавливается из одного или нескольких слоев специальных материалов, пропускающих воздух и пары воды, но не пропускающих пары и газы токсичных веществ. Эргономические преимущества защитной одежды фильтрующего типа позволяют носить ее в течение длительного периода времени. Для обеспечения комплекса защитных свойств при изготовлении защитной одежды ФТ в нашей стране и за рубежом чаще всего применяются неселективно поглощающие сорбенты, в основном, активированный уголь. Примером такого материала является широко исползуемый на западе материал «Саратога». Существенным недостатком таких материалов является их высокая стоимость обусловленная сложностью закрепления при изготовлении активного угля на поверхности или в массе какого-либо носителя.

В результате проводимых в институте работ была создана инновационная технология получения уникального высокоэффективного фильтрующего защитного материала на основе целлюлозных волокон, наполненных активированным углем. Закрепление углеродного сорбента происходит за счет микрокапсулирования в целлюлозной массе. Для повышения прочности материал дублируется специальными тканями. Такой способ позволяет сохранить сорбционную способность углеродного сорбента и обеспечивает высокие физико-гигиенические свойства материала. Технология изготовления защитного угленаполненного материала базируется на высокопроизводительных процессах, применяемых в целлюлозно-бумажной промышленности. Поэтому его стоимость на порядок ниже всех известных аналогов при не уступающих им защитных характеристиках. Из этого материала нами изготавливается химзащитный слой для общевойсковых защитных комплектов «Нерехта».

Сегодня ОАО «КазХимНИИ» является также обладателем уникальной технологии получения фильтрующе-сорбирующего материала ФЦМ на основе неуглеродного сорбента, изготавливаемого путем пропитки и закрепления на ткани-основе ферроцианида меди.

На основе этого материала мы изготавливаем целый ряд моделей новой фильтрующей защитной одежды промышленного назначения типа ФЗО-МП, ФЗО-МП-А.

Обсуждая инновационные подходы сегодня нельзя не говорить о нанотохнологиях.

В последние несколько лет нанотехнологии стала рассматриваться не только как одна из наиболее многообещающих ветвей высоких технологий, но и как системообразующий фактор экономики XXI века.

К сожалению, российской науке почти не уделялось внимание как раз в те годы, когда в других странах сделали колоссальный рывок в направлении изучения наноструктур и разработки нанотехнологий. В 1990-е годы, особенно в начале этого периода, научные коллективы были фактически поставлены на грань выживания. Это сказалось как на кадровом обеспечении, так и на оснащении институтов, а заниматься такими серьезными вопросами, как изучение наноструктур, создание наноматериалов без самой современной техники невозможно. Поэтому очень важным в настоящее время в изучении наноструктур является правильный выбор приоритетов.

Сегодня мы очень внимательно наблюдаем за развитием химии фуллеренов и углеродных нанотрубок, обладающих высокой сорбционной способностью и прочностными свойствами.. Особенно перспективно применение углеродных нанотрубок (УНТ). Углеродные нанотрубки обладают огромными прочностными свойствами, а их высокая сорбционная способность позволит создавать композитные эффективно фильтрующие системы по мере того, как все более доступными будут становиться способы получения нанотрубок.

Высокими темпами внедряются нанотохнологии в текстильной промышленности.В условиях динамично изменяющейся внешней среды особая роль принадлежит инновационным технологиям получения текстильных материалов

Здесь они внедряются через применение специальных отделочных препаратов, пропиток и обработки тканей различными наноразмерными покрытиями.

Так достижение высокой эффективности защиты от загрязнения нефтепродуктами, нефтяными маслами и другой технической грязью сегодня возможно с помощью продукции фирмы Rudolf Chemie (Германия). Ими на основе нового класса полимеров - дендритов (дендримеры) - гиперразветвленных полимеров разработана специальная текстильная отделка, нанесение которой приводит к получению тонкой мономолекулярной пленки на поверхности полотна за счет самоорганизации полимера на ткани. Препарат применяется как для тканей с масло-, водо-, грязеотталкивающей отделкой, так и совмещенной с огнестойкой отделкой Proban.

Для придания масло-, водо-, и ржавчиноотталкивающих свойств используются также фторированные полимеры. Такое покрытие отталкивает грязь и самоочищается; при дожде капли воды «скатываются» с поверхности, смывая частички пыли и грязи, оставляя поверхность чистой и сухой.

К числу химических компаний, ведущих исследования в области нанотехнологий, принадлежит Du Pont. Ученые из этой компании работают над созданием волокон, которые способны проводить электричество и менять свою форму. Компания собирается применять подобные волокна при разработке одежды, которая бы меняла цвет и размер по желанию заказчика.

Фирма Ermenegildo Zegna представила высокотехнологичную чистошерстяную ткань Micronsphere. Главная особенность ткани - устойчивость к пятнам. Можно испачкать ткань кетчупом, маслом, медом, после этого вылить на пятно стакан воды и оно исчезнет, при этом ткань останется абсолютно сухой. В производстве такой ткани также применены нанотехнологии.

Для создания ткани, содержащей наночастицы палладия, проведено осаждение частиц палладия на хлопковые волокна. Такая ткань разрушает вредные вещества смога. Одежда с такими свойствами защитит от вредных газов, которых достаточно в переполненных и загрязненных городах .

В Южной Корее, Германии, Израиле и ряде других стран разработаны антибактериальные материалы с введением в волокна наночастиц серебра, что представляет возможность производить антимикробную одежду.

Фирмами США  установлено, что наночастицы специально синтезированных окисей металлов (TiO₂, MgО) могут обезвреживать на своей поверхности вредные и опасные химические вещества. Под воздействием наночастиц происходит разрушение химической структуры веществ, вирусов и бактерий. При небольшой массе нанесения были достигнуты результаты, сопоставимые с результатами при использовании активированного угля.

В институте Солдатских Нанотехнологий на базе Массачусетского технологического института (МТИ) разрабатывается одежда «солдата будущего». Для того, чтобы сделать костюм солдата толщиной не более 1 мм достаточно прочным, предполагается создать его на основе структуры паутины. Паутина - один из наиболее эластичных и прочных материалов в природе.  Изучение структуры паутины позволило создать нановолокна из полиуретана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только гибче, легче и прочнее настоящей. 

Исследований и разработок по применению нанотехнологий в текстильной промышленности России, пока еще недостаточно.

В ОАО «ЦНИИЛКА» разработаны ткани для медико-биологической защиты от повышенных электромагнитных полей на основе использования наностуктурированного ферромагнитного микропровода. Ими же совместно с ОАО «ЦНИИПИК» проведены  поисковые работы по созданию биологически активных композиционно-текстильных материалов с использованием нанотехнологий, в том числе мембранного типа. Данные материалы обладают хорошей паропроницаемостью и высокой прочностью.

 В ИГХТУ (г. Иваново) разработана технология плазменно-магнетронного напыления металлов и изготовления текстильных материалов со специальными свойствами. Выработаны пилотные партии текстильных материалов с металлизированным покрытием, которые обладают высокими антимикробными свойствами за счет напыления порошка металла.

Таким образом, в настоящее время инновационные технологии широко проникают в область прикладных наук. Одновременно с работами по использованию мембран в качестве защитных материалов проводятся исследования в области нанотехнологий. Принципиально новые возможности использования мембранных технологий открываются при формировании мембранных слоев наноразмерной толщины и модификации мембран внедрением наночастиц при помощи соответствующей технологии. При этом  получаются материалы с новыми и уникальными свойствами.