Научный подход к защите

В Барнауле представили серийный комплект боевой одежды пожарного, разработанный российскими учеными и инженерами. Защита от открытого пламени у новой экипировки в 10 раз превышает минимальные требования, устойчивость к тепловому потоку — в 1,5 раза выше норматива.

Помимо этого, в конструкцию интегрированы мембранные барьеры, встроенная страховочная система и элементы, повышающие видимость в дыму и темноте. Производство организовано по полному циклу — от синтеза волокна до пошива готового изделия. Как ученым удалось совместить, казалось бы, несовместимые свойства — сверхзащиту, паропроницаемость и эргономику, в интервью «Ъ-Науке» рассказывает руководитель команды разработчиков боевой одежды пожарного группы компаний БТК Марина Лобжанидзе.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— С чего вообще начинается разработка боевой одежды пожарного? С какого перечня требований и угроз? Какие исследования предшествовали созданию этого комплекта: изучалась ли статистика травматизма, термических поражений, онкозаболеваний среди пожарных?

— Разработка начинается не с чертежей и не с красивых картинок. Она начинается с вопроса: «А что на самом деле угрожает пожарному?» Мы разбираем все риски — от очевидных, как открытый огонь, до тех, что проявляются спустя годы: онкология, болезни сердца.

Мы изучили статистику гибели личного состава МЧС за последние годы, с разбивкой по причинам: ДТП, суициды, болезни, несчастные случаи. Это дает понимание масштаба. Но важнее другое: помимо МЧС, есть и другие виды пожарной охраны, по которым общей статистики почти нет, поэтому мы не ограничиваемся цифрами.

Дальше — смотрим, что уже есть на рынке: материалы, технологии, цены. И обязательно едем к тем, кто каждый день надевает эту одежду,— от Якутии до Крыма. Спрашиваем: что раздражает, что быстро изнашивается, что мешает двигаться, что спасает, а что — нет.

И только когда сходятся три вещи — безопасность, комфорт и надежность,— рождается продукт.

— Что такое «минимальные требования» с точки зрения физики? Какое время контакта с пламенем или температурный режим они гарантируют? И как выглядит десятикратное превышение: это значит, что ткань не горит в 10 раз дольше или выдерживает в 10 раз более высокую температуру?

— Минимальные требования — это нижний порог, ниже которого опускаться нельзя. Как подушка безопасности: она должна сработать, но вы же не хотите проверять, насколько она «минимальная» в реальной аварии?

В цифрах это выглядит так. Стандарт (ГОСТ Р 53264-2019) требует, чтобы костюм выдерживал тепловой поток 5 кВт/м в течение четырех минут. Тепловой поток — это инфракрасное излучение от раскаленных стен и потолка, а не прямое пламя. Мы проверили: наша система держит его 11 минут. С открытым пламенем по стандарту надо продержаться 5 сек. У нас получается 60 сек. Испытания проводились на стенде «Термоманекен» с 11 датчиками температуры, имитирующими реальные условия пожара. Мы даем пожарному реальный запас времени. Не в 10 раз горячее, а в 10 раз дольше. А значит, шанс уйти, не получить ожог, не перегреться.

— Какими методами это достигается? За счет химического состава волокна, способа переплетения нитей, пропитки или комбинации всего сразу? Есть ли у этого «рецепта» научное название?

— Все вместе, но главное — сырье. Мы используем арамидные и углеродные волокна, у которых огнестойкость заложена на молекулярном уровне. Это не пропитка, которая выстирается, а свойство самого материала.

Дальше — переплетение нитей, специальные покрытия, мембраны. Каждый слой делает свою работу. Верхняя ткань — защита от искр и порезов, с масловодоотталкивающей отделкой. Мембранный слой — паропроницаемый и водонепроницаемый. Теплоизоляционный слой и подкладка не горят и сохраняют свойства до –50°C.

Это как хороший торт: важны и коржи, и крем, и пропитка. Вместе они дают то, что называют «мультизащитой».

— Почему разработчики выделили именно эти четыре фактора? Чем они принципиально отличаются с точки зрения физики воздействия на материал и на человека? Например, тепловой поток — это ведь не просто высокая температура, а интенсивность излучения. Как она измеряется и как от нее защищаться иначе, чем от прямого контакта с огнем?

— Потому что это разные угрозы. Открытое пламя — страшно, но с ним пожарный сталкивается редко и чаще всего кратковременно. А вот тепловой поток — это постоянное ИК-излучение от раскаленных предметов, стен, потолка. Как стоять рядом с открытой печкой — пламени нет, а жарит нещадно.

Мы защищаемся от теплового потока многослойностью: воздух между слоями работает как изолятор. Чем больше таких «воздушных подушек», тем дольше тело не нагревается. Прямое пламя — это кратковременный контакт, и тут важна не столько изоляция, сколько то, чтобы материал не загорелся и не оплавился. Поэтому мы даем запас по времени и в том, и в другом случае.

— Что касается продуктов горения — здесь уже не физика, а химия и токсикология. Международное агентство по изучению рака отнесло профессиональное воздействие при тушении пожаров к группе 1 — доказанные канцерогены для человека. Как именно продукты горения (сажа, ПАУ, диоксины) взаимодействуют с тканью? Они оседают на поверхности, проникают внутрь волокна, проходят сквозь мембрану? И как конструкция костюма мешает этому контакту?

— Дым и сажа — это не просто грязь. Это частицы, которые проникают сквозь ткань, оседают на коже. Страшная цифра: до 95% канцерогенов попадают в организм через кожу. И когда пожарный нагревается, впитываемость кожи растет колоссально — на 400% при повышении температуры всего на 5°C.

Мы сделали две вещи. Первое — конструкция: все уязвимые места (шея, запястья, пояс) сделаны глухими, без щелей. Второе — материалы: используем мембраны, которые не пропускают мелкие частицы, но при этом выпускают пар. Даже подшлемник у нас трехслойный: он дышит, но не пропускает сажу.

Потому что мы знаем: после пожара, когда снимаешь одежду, канцерогены не должны остаться на теле.

— Мембрана — это самый сложный элемент с точки зрения материаловедения. Она должна быть одновременно непроницаемой для внешних загрязнений и паропроницаемой для испарений тела. Какой физико-химический принцип здесь заложен? Это микропористая структура, гидрофильный полимерный слой или комбинация? И как проверяли, что мембрана действительно «дышит» в условиях интенсивной физической нагрузки?

— Это тонкая пленка из PTFE (тефлон), приклеенная к ткани. У нее микропористая структура: поры такие маленькие, что капли воды не проходят, а молекулы пара — легко. Поэтому снаружи не промокаешь, а пот выходит наружу.

Мы проверяли в аккредитованной лаборатории: мембрана пропускает влаги в три раза больше, чем у многих аналогов. А значит, меньше парникового эффекта, меньше перегрева, больше времени в работе. И она огнестойкая и не теряет свойств после 50 стирок. Мы это тоже проверили.

— Страховочная система встроена прямо в конструкцию — это технически сложное решение. Как удалось распределить силовые элементы (лямки, стропы, точки крепления) так, чтобы они не мешали движениям, но при этом выдерживали рывковые нагрузки при срыве?

— Это было сложно. Мы убрали громоздкие лямки и пояса, а вместо них сделали страховочную систему, которая стала частью брюк. Она не добавляет вес, не сковывает движения, но при этом держит тело при падении и распределяет нагрузку не на поясницу, как старый пожарный пояс, а на бедра и плечи, как у альпинистов.

Система прошла краш-тесты: манекен сбрасывали с четырех метров — ни одна деталь не разрушилась.

И главное: пожарному больше не нужно тратить время на то, чтобы «пристегнуть себя» в экстренной ситуации — он уже готов. Время подготовки к выходу из окна мы сократили с 60 до 5 сек., а подготовку самого пожарного к спасению — с 24 до 3 сек.

— Элементы видимости — светоотражающие и люминесцентные полосы. Люминесценция — это физический процесс преобразования ультрафиолета или другого излучения в видимый свет. Какие люминофоры использованы, чтобы они сохраняли свойства при высоких температурах и не выгорали?

— Мы используем два типа материалов. Светоотражающие — они ярко светятся в свете фар, как дорожные знаки. И люминесцентные — они накапливают свет днем и светятся в темноте, позволяя найти пожарного в абсолютной темноте и дыму.

И те, и другие держат высокую температуру, не плавятся и не теряют свойства от мороза или стирок. Мы специально подобрали покрытия и подложки на основе арамидных волокон, чтобы они работали так же надежно, как и вся экипировка.

— Многослойность, мембрана, встроенная страховка — все это потенциально увеличивает вес и снижает подвижность. Как решалась эта инженерная задача? Проводились ли испытания в движении — в рабочей позе, согнувшись, ползком, с поднятыми руками? Учитывалось ли, что пожарный работает не в статичной стойке, а в экстремальных позах, где воздушные зазоры между слоями сжимаются и теплозащита локально падает?

— Мы работали с пожарными напрямую. Они носили образцы, ползали, поднимали руки, сгибались, работали в дыму. Мы смотрели, где ткань натирает, где жмет, где слой сжимается и теряет теплоизоляцию.

И мы сделали крой свободным, чтобы между слоями оставался воздух: он и греет, и защищает. Мембрана отводит пот, а перфорация на сигнальных полосах не дает им перегреваться. Испытания в огневом симуляторе подтвердили: за 20 мин. работы в условиях объемного горения и кратковременных выбросов пламени — никаких ожогов, разрушений материалов и тепловых ударов.

— Съемные элементы — это хорошо, но 50 циклов стирки без потери свойств — это серьезный вызов для мембран и пропиток. Как контролируется сохранность свойств после каждой стирки? Что происходит с гидрофобностью и огнестойкостью к 40-му, 50-му циклу — плавное снижение или критический провал?

— Арамидное волокно не вымывается — его огнестойкость «зашита» в химию. Но есть нюанс: водоотталкивающая пропитка со временем чуть слабеет. Чтобы ее «оживить», достаточно прогладить ткань утюгом при 150°C — и она снова не впитывает воду.

А мембрана с PTFE-покрытием — одна из самых стойких к стирке и износу. Мы проверяли на 50 циклах — свойства остаются в пределах нормы. И мы продолжаем следить за комплектами, которые уже в работе: забираем их на промежуточные тесты, смотрим на реальный износ. Обратная связь от пожарных — лучшая проверка. И пока она только положительная.

Беседовала Мария Грибова