CC BY
111
УДК 678.067.5:614.814.41 doi: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-7-7
А.О. Курносое1, И.И. Соколов1, ДА Мельников1, Т.Э. Топунова1
ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЕ СТЕКЛОПЛАСТИКИ ДЛЯ ИНТЕРЬЕРА ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ (обзор)
Представлены сведения о разработанных в ВИАМ стеклопластиках, применяемых в интеръере пассажирских самолетов. Указаны основные требования по пожаробезопас-ности к таким материалам. Рассмотрены методики определения горючести и дымооб-разования полимерных материалов. Приведены основные характеристики пожаробезопасных материалов на основе различных типов связующих и стеклянных наполнителей. Описана технология изготовления панелей интеръера различной кривизны методом « crush core ».
Ключевые слова: стеклопластики, фенолформалъдегидные связующие, горючесть, тепловыделение, дымообразование, трехслойные панели.
The article presents information about fiberglass for interior of passenger aircraft developed at VIAM. The basic requirements of fire safety for such materials are pointed out. Methods for determining the combustibility and smoke generation of polymer materials are considered. Main characteristics of fireproof materials based on various types of binders and glass materials are represented. The technology of manufacture of interior panels of different curvature by using the method «crush core» is described.
Keywords: fiberglass, phenol-formaldehyde binders, combustibility, heat release, smoke formation, sandwich panels.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Основным элементом интерьера современных пассажирских самолетов являются трехслойные сотовые конструкции, что объясняется сочетанием в них довольно высокой прочности и жесткости с низкой плотностью по сравнению с традиционными монолитными материалами. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к таким панелям по Авиационным правилам АП-25, являются низкое тепловыделение, негорючесть и слабое дымообразование. Это связано с тем, что, согласно статистике, в случае аварийной посадки до 40% людей гибнут от термических травм и отравления продуктами горения и дымообразования [1, 2].
В нашей стране задача создания пожаробезопасных стеклопластиков и трехслойных конструкций для интерьеров салонов пассажирских самолетов стала особо актуальной в 70-х годах прошлого века при создании широкофюзеляжных пассажирских самолетов, способных перевозить 350 и более пассажиров. Первоначально решалась задача снижения горючести материалов без учета их дымообразующей способности и тепловыделения при горении. Так, в 1973 г. был разработан метод оценки горючести материалов и выпущен ОСТ 1 90094-73 «Полимерные материалы. Метод определения горючести декоративно-отделочных и конструкционных материалов». По степени горючести материалы были классифицированы на следующие группы:
1-я группа - трудносгорающие авиационные материалы - образец такого материала при испытании в течение 12 с в вертикальном положении в стандартном пламени после выноса из пламени не горит, не тлеет и имеет среднюю длину обуглившейся части не более 170 мм, горение выпавших капель не более 3 с;
2-я группа - самозатухающие авиационные материалы - при аналогичных испытаниях на горючесть образцы после удаления пламени должны иметь остаточное горение не более 15 с, среднюю длину обуглившейся части не более 170 мм, а горение выпавших капель должно длиться не более 5 с;
3-я группа - медленносгорающие авиационные материалы - скорость распространения стандартного пламени при испытаниях на горючесть после воздействия на горизонтально расположенный образец не более 60 мм в минуту;
4-я группа - сгорающие материалы, образцы которых при испытаниях не соответствуют требованиям, предъявляемым к первым трем группам [3, 4].
При прогнозировании развития пожара важно учитывать скорость выделения тепла, особенно в замкнутых объемах, так как это позволяет оценить такие показатели, как скорость распространения пламени по материалам, изменение размера очага пожара, повышение температуры в замкнутом пространстве, а следовательно, оценить допустимое время эвакуации, расход средств на тушение пожара.
В ВИАМ были разработаны трехслойные конструкции на основе бумажного сотового заполнителя типа Nomex, обшивок из стеклотканей марок Т-45(П)-76, Т-15(П)-76 из полых стеклянных волокон и эпоксиизоцианатного связующего ЭП-2МК [5]. На предприятии ОНПП «Технология» было организовано производство полимерного со-топласта ПСП-1 из отечественного сырья - фенилоновой бумаги. Декоративную отделку панелей интерьера обеспечивали специальными пленками марки ПДОАЗ-25. Масса таких панелей составляла 2,0-2,6 кг/м , и они полностью обеспечивали требования, предъявляемые в то время по горючести к панелям интерьера самолетов Ил-86, Ту-154, Ту-134, Як-40 и Як-42 [6, 7].
С накоплением опыта применения огнезащитных материалов выяснилось, что многие антипирены, снижая горючесть материалов, одновременно существенно увеличивают выделение дыма и токсичных веществ. Поэтому в 1975 г. был разработан метод оценки дымообразующей способности авиационных неметаллических материалов и выпущен ОСТ 1.90178-75, преобразованный в дальнейшем в ГОСТ 24632-81 «Полимерные материалы. Метод определения дымообразования». Сущность метода заключается в измерении интенсивности светового потока, проходящего через задымленное пространство в герметичной камере при термическом разложении образца.
В дальнейшем для изготовления деталей интерьера (багажные полки, перегородки, панели и др.) были разработаны трудносгораемые стеклопластики и микросфе-ростеклотекстолиты на основе самозатухающего связующего ЭДТ-69Н [8].
В 80-е годы ужесточились требования по пожаробезопасности самолетов. К основным требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам, используемым для внутренней декоративной отделки салонов пассажирских самолетов, по АП-25, добавилось требование по уровню тепловыделения [8, 9]. При этом максимальная скорость тепловыделения и общее количество тепла за 2 мин не должно превышать 65 кВт/м2 и 65 кВтмин/м2 соответственно.
Зарубежные производители материалов для авиационной промышленности (CYTEC Engineering Materials Inc., Cyanamid Fothergill, Hexel и другие) широко используют фенолформальдегидные связующие для изготовления материалов интерьера (стеклопластики, трехслойные сотовые панели, полимерные заполнители-сферопласты), обеспечивающих высокие характеристики по пожаробезопасности. Отличительной особенностью этих связующих являются низкое содержание свободного фенола (4-5%), жизнеспособность, обеспечивающая получение препрегов со сроком хранения до 3 мес, и достаточно высокая скорость отверждения при умеренной температуре (до 140°С).
В ВИАМ разработано отечественное фенольное связующее ФП-520, обладающее схожими химико-технологическими свойствами с зарубежными аналогами. Это связующее позволяет изготавливать сотовые панели, отвечающие требованиям АП-25 по тепловыделению. Панели интерьера с обшивками из стеклопластика на основе фе-нольного связующего ФП-520 и полимерных сот ПСП-1 используют в настоящее время на пассажирских самолетах Ту-204, Ве-200 и Ил-96. Однако у материалов СТ-520 и МСТ-9П на основе связующего ФП-520 существуют недостатки - это большой разброс значений тепловыделения (от 60 до 119 кВт/м2) и низкая прочность при отрыве обшивок от сот (1,85 МПа). Для получения качественного интерьера необходима прочность 2,0-2,5 МПа. Поэтому в начале 2000-х годов в ВИАМ проведены работы по модификации фенольного связующего ФП-520 гидроксидом алюминия [10, 11].
Основными преимуществами модифицированного гидроксидом алюминия стеклопластика марки СТ-ФПР-520Г по сравнению с предшествующими немодифициро-ванными материалами являются низкое и стабильное тепловыделение по всей площади панелей и повышенная прочность при отрыве обшивок от сот.
Так, при толщине 2 мм стеклопластик марки СТ-ФПР-520Г имеет максимальную скорость выделения тепла 53 кВт/м2, что в 2 раза ниже аналогичной характеристики для стеклопластика без гидроксида алюминия (119 кВт/м2), а при толщине 4 мм скорость выделения тепла еще меньше и равна 29 кВт/м2 Общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин у стеклопластиков толщиной 2-4 мм составляет <5 кВтмин/м2, вместо 61 кВтмин/м2 у немодифицированных материалов. Стеклопластики на основе модифицированного связующего использовали для изготовления конструкций интерьера самолета Ту-214.
Для изготовления стеклопластиковых деталей и обшивок трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе для изготавливаемых бесклеевым методом) в ВИАМ разработан стеклопластик марки ВПС-39П на основе полой стеклоткани Т-15(П)-76 и фенолформальдегидного связующего РС-Н. Данное связующее представляет собой высококонцентрированный раствор жидких олигомеров резольного и новолачного типа, в составе которого не содержится остродефицитных и экологически опасных фосфорсодержащих ингибиторов горения [12].
Трехслойные сотовые конструкции на основе полимерной сотопанели высотой 10 мм марки ПСП-1-2,5-48 с обшивками из двух слоев стеклопрепрега на основе стеклоткани Т-15(П)-76 и связующего РС-Н имеют следующие показатели: скорость выделения тепла - до 23 кВт/м , общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин -до 2 кВтмин/м2, по горючести материал относится к классу самозатухающих, а прочность при отрыве обшивок от сот составляет 2,3 МПа [13]. В табл. 1 представлены основные прочностные и пожаробезопасные свойства стеклопластиковых панелей для интерьера на основе фенолформальдегидных связующих марок ФП-520, ФП-520Г и РС-Н с сотовым заполнителем ПСП-1-2,5-48 ^=10 мм).
Таблица 1
Свойства стеклопластиковых панелей интерьера_
Свойства Значения свойств стеклопластика
СТ-520 СТ-ФПР-520Г ВПС-39П
Горючесть Самозатухающий
Дымообразование Слабодымящий
Максимальная скорость тепловыделения, кВт/м2 54 39 23
Тепловыделение за 2 мин, кВтмин/м 51 9 2
Предел прочности при равномерном отрыве, МПа 2,1 3,2 2,3
Усилие отдира обшивки от сот, Нм/м 9,6 15,0 10,7
Предел прочности при изгибе, МПа 154,0 242,0 158,3
Для изготовления панелей интерьера самолетов в настоящее время используют две основные технологии: вакуумное и прессовое формование. Каждая из данных технологий имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широко применяется технология вакуумного формования в термопечи, при которой возможно изготавливать панели любой сложности и использовать относительно дешевое оборудование (термопечь). Недостатком данной технологии является наличие большого количества расходных материалов (дренажные слои, разделительные пленки, герметизирующие ленты), стоимость которых включается в стоимость детали. Применение прессового формования для изготовления трехслойных панелей интерьера отличается отсутствием вспомогательных материалов, что удешевляет процесс изготовления, но данный метод ограничен формованием плоских трехслойных панелей.
Анализ зарубежной научно-технической литературы показал, что для изготовления боковых панелей интерьера различной кривизны, а также панелей переменной толщины (проемы окон, дверей) большое распространение получил метод «crush core». Технология «crush core» является быстрым и экономичным процессом формования трехслойных панелей при умеренно высокой температуре (110-160°С), высоком давлении (до 2 МПа) и малой продолжительности переработки (8-30 мин).
Конструкция пресс-форм, применяемых в «crush core» технологии, позволяет производить формование панелей без предварительной выкладки препрега на форму благодаря использованию свойств тканых наполнителей препрегов вытягиваться в определенных направлениях. Это обстоятельство дает возможность загружать выложенный заранее технологический пакет в горячую пресс-форму и не тратить время на ее нагрев и охлаждение. Метод «crush core» позволяет совместить преимущества вакуумного формования - способность изготавливать панели двойной кривизны и прессового формования - формовать панели без использования расходных материалов. Стоит отметить, что данная технология особо эффективна при изготовлении сложнопрофиль-ных деталей интерьера пассажирских самолетов при большом объеме производства и практикуется главным образом на фирмах Boeing и Airbus. Для метода «crush core» фирма Gurit выпускает целую серию препрегов на основе фенольных смол PF 811, PH 831 и стеклотканей различного плетения.
Для энергосберегающей технологии изготовления методом «crush core» трехслойных сотовых панелей деталей интерьера с обшивками из пожаробезопасного стеклопластика в ВИАМ разработан материал на основе быстроотверждаемого фенолфор-мальдегидного связующего [14].
Разработанный стеклопластик марки ВПС-42П представляет собой материал на основе стеклоткани марки Т-15(П)-76 и фенолформальдегидного связующего ВСФ-16М, производимого полностью на российском сырье.
Таблица 2
Физико-механические свойства стеклопластиков для обшивок трехслойных
сотовых панелей
Свойства Температура испытания, °С Значения свойств стеклопластика
СТ-520 ВПС-39П ВПС-42П
Предел прочности, МПа:
- при растяжении 20 350 235 353
80 310 215 335
- при сжатии 20 200 360 438
80 190 315 371
- при изгибе 20 430 405 516
80 380 370 499
Прочность при отрыве от сот 20 1,85 2,15 2,60
сотопласта ПСП-1-2,5-64, МПа
Плотность, г/см3 - 1,38 1,55 1,55
Стеклопластик марки ВПС-42П рекомендуется для изготовления стеклопластико-вых деталей и трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе изготовленных бесклеевым методом), которые должны иметь низкие параметры тепловыделения. Стоит отметить также, что разработанный материал имеет показатели по прочности (табл. 2) и по тепловыделению на уровне зарубежного аналога - стеклопластика фирмы Cycom 799/7781 Solid Laminate [15].
Несмотря на то что в последнее время широко ведутся работы по созданию и применению композиционных материалов на основе других наполнителей (углеродных, органических), еще многие годы стеклопластики благодаря своей низкой стоимости и широкой сырьевой и производственной базе будут занимать ведущее место по объему применения в качестве основного материла в элементах интерьера пассажирских самолетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики - многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253-260.
2. Кирин К.М. Перспективные пожаробезопасные текстильные материалы для применения в гражданской авиации: автореф. дис. ... канд. техн. М.: ГОУ ВПО РосЗИТЛП. 2004. 16 с.
3. Гуняев Г.М., Кривонос В.В., Румянцев А.Ф., Железина Г.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов //Конверсия в машиностроении. 2004. №4 (65). С. 65-69.
4. Барботько С.Л., Дементьева Л.А., Сереженков А.А. Горючесть стекло- и углепластиков на основе клеевых препрегов //Клеи. Герметики. Технологии. 2008. №7. С. 29-31.
5. Сурнин Е.Г., Кондратов Э.К Пожаробезопасные декоративно-отделочные материалы /В кн. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2002: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: МИСИС-ВИАМ. 2002. С. 271-281.
6. Вешкин Е.А., Постнов В.И., Застрогина О.Б., Сатдинов Р.А. Технология ускоренного формования сотовых панелей интерьера самолета //Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. №4 (4). С. 799-805.
7. Аврасин Я.Д., Бородин М.Я., Киселев Б.А. Стеклопластики в авиастроении //Авиационная промышленность. 1982. №8. С. 80-84.
8. Соколов ИИ, Коган Д.И., Раскутин А.Е., Бабин А.Н., Филатов А.А., Морозов Б.Б. Многослойные конструкции со сферопластиками //Конструкции из композиционных материалов. 2014. №1. С. 37-42.
9. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
10. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
11. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3-4.
12. Застрогина О.Б., Швец Н.И., Постнов В.И., Серкова Е.А. Фенолформальдегидные связующие нового поколения для материалов интерьера //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 265-272.
13. Стрельников С.В., Застрогина О.Б., Вешкин Е.А., Швец Н.И. К вопросу о создании высокоэффективных технологий изготовления панелей интерьера в крупносерийном производстве //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 18-24.
14. Серкова Е.А., Швец Н.И., Застрогина О.Б., Постнов В.И., Петухов В.И., Барботько С.Л., Вешкин Е.А. Быстроотверждаемое фенолформальдегидное связующее, перерабатываемое по «crush-core» технологии, для пожаробезопасных материалов интерьера /В сб. тезисов докл. XIX конф. «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов». Обнинск. 2010. С. 70-71.
15. Долматовский М.Г., Соколов И.И. Особенности разрушения сотовых панелей со сферопластиками //Авиационные материалы и технологии. 2008. №4. С. 19-24.
