CC BY
59
УДК 678.8:614.814.41
М.М. Платонов, Т.А. Нестерова, И.А. Назаров, Э.Я. Бейдер
ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ТЕКСТИЛЬНОЙ ОСНОВЕ С ПОЛИУРЕТАНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ ДЛЯ НАДУВНОЙ ОБОЛОЧКИ СПАСАТЕЛЬНОГО ТРАПА*
Разработан материал для надувной оболочки спасательного трапа. В качестве основы использована ткань из высокопрочных полиамидобензимидазолъных волокон (СВМ); покрытие представляет собой отвер-жденную полимерную композицию на основе полиуретанового каучука. Полученный материал является пожаробезопасным, обладает поверхностной плотностью 250±5 г/м2, имеет высокие прочностные характеристики на разрыв по основе/утку: 780/710 Н/см, водородопроницаемость 0,5 л/(м2^сут). Свойства разработанного материала отвечают требованиям международного технического стандарта TSO-C69c.
Ключевые слова: тканевые материалы с эластомерным покрытием, самозатухающие материалы, ткань СВМ, полиуретаны, антипирены.
Material for inflatable shell of rescue ladder has been developed. Fabric made from high -strength polyam-idobenzimidazol fibers is used as the base and cured polymeric composition of polyurethane rubber serves as coating. The obtained material is fireproof; its surface density is 250±5g/cm2. It has high mechanical characteristics: breaking tenacity of1warp/weft - 780/710 N/cm, water permeability 0,5 l/(m224 hours). Properties of the developed material satisfy requirements of international technical standard TSO-C69c.
Key words: fabric materials with elastomeric coating, self-extinguishing materials, hyper high modulus fabric, polyurethanes, fire retardants.
* В работе принимала участие И.И. Бычкова.
Для обеспечения быстрой и безопасной эвакуации людей из салона пассажирского самолета необходимо наличие аварийно-спасательных трапов, имеющих достаточную пропускную способность и гарантирующих безотказную работу на протяжении всего периода эвакуации. Федеральной Авиационной Администрацией (FAA) установлены технические стандарты TSO, регламентирующие минимальные технические требования, предъявляемые к материалам, изделиям, процессам и приборам, используемым на гражданских воздушных судах. На спасательное оборудование, трапы и надувные плоты распространяются требования международного технического стандарта TSO-C69c.
В настоящее время на российских пассажирских самолетах эксплуатируются спасательные надувные трапы на основе отечественных резинотканевых и дорогостоящих зарубежных материалов с полиуретановым покрытием (табл. 1) [1].
Согласно представленным данным, показатель прочности на разрыв материалов для оболочек аварийных трапов фирмы «Air Cruisers Company» приблизительно в 2 раза выше аналогичного показателя у отечественных материалов, при этом поверхностная плотность зарубежных материалов существенно ниже. Исследования данных материалов на пиковое значение интенсивности тепловыделения и кислородный индекс также показывают преимущества зарубежных материалов с точки зрения пожаробезопасности: полная вели-
чина выделяемого тепла отечественных материалов в 2-4 раза выше, а значения кислородного индекса - ниже на 3-5% [1].
Таким образом, разработка отечественного материала для оболочек аварийного трапа, отвечающего требованиям технического стандарта TSO-C69c и по характеристикам, сопоставимым с лучшими зарубежными аналогами, представляется весьма актуальной задачей.
Целью данной работы являлась разработка полимерного композиционного материала на тканевой основе с эластомерным покрытием для оболочек надувных аварийных трапов воздушных судов, отвечающего требованиям стандарта TSO-C69c, правилам АП-25 по горючести (т. е. самозатухающего), имеющего поверхностную плотность <270 г/м2.
Анализ отечественной и зарубежной литературы в области создания материалов, используемых для надувных спасательных средств, показал:
- в качестве тканевой основы наиболее применимы полиамид (Nylon 6.6) [2-7], полиэфир (лавсан) [8-9], полиарамид [10] или их комбинация [11];
- наиболее эффективным является двухстороннее полимерное покрытие на основе полиуретанового эластомера [5, 7].
Таким образом, на основании литературных данных в качестве основы были выбраны синтетические ткани из полиэфирных, полиамидных и полиамидобензимидазолъных волокон (СВМ).
Таблица 1
Материалы для оболочек аварийных трапов, использующихся на российских пассажирских самолетах
Материал Изготовитель Марка трапа (марка самолета) Структура Поверхностная плотность, г/м2 Разрывная нагрузка, Н/см (основа/ уток)
Арт. 30 (ТУ 38 105993-86) ОАО «ЯрославРезино-Техника» Трап ТН-2 (Ту-154, Ил-62) Основа: полиамидная ткань арт. 56026 (165 г/м2) - 2 слоя. Покрытие: каучук СКБ 555-600 430/400
Арт. 51-3T-030 (TP 51-50211-84) Барнаульский РТИ Трап ПТЛ-400 (Ан-124) Основа: полиамидная ткань арт. 56026 (165 г/м2), перкаль. Покрытие: каучук СКЭПТ-30 475 400/380
Арт. 8-238 (ТУ 38 305158-82) Уфимский ЗЭМИК Трап ТНД (Ил-86) Основа: полиамидная ткань арт. 56026 (165 г/м2). Покрытие: СКЭПТ-30 440 360/350
Арт. 8-170 (ТУ 38 1051900-89) Уфимский ЗЭМИК Трап ТНО-3 (Ту-214) Основа: полиэфирная ткань арт. 56341 (78 г/м2) - 2 слоя. Покрытие: СКДСРМ-10 280 350/350
Арт. М-12040 «Air Cruisers Company» (США) Трап P/N 65600-101 (Бе-200) Основа: полиамидная (Nylon 6.6) ткань (142 г/м2). Покрытие: полиуретан 275 750/840
Арт. М-11849-5 «Air Cruisers Company» (США) Трап P/N 63681 (Бе-200) Основа: полиамидная (Nylon 6.6) ткань (140 г/м2). Покрытие: полиуретан 262 720/580
Таблица 2
Физико-механические свойства технических тканей
Технические Поверхностная Средняя прочность Среднее удлинение
ткани плотность, г/м2 при разрыве, Н/см при раз рыве, %
основа уток основа уток
Полиэфирная 125 338 299,4 26,8 27,8
Полиамидная 154 442,6 372 39,7 38,7
На основе волокна СВМ 70 637,2 664,0 8,8 9,5
Основные физико-механические свойства выбранных тканей представлены в табл. 2.
Данные ткани характеризуются необходимыми прочностными характеристиками и невысокой поверхностной плотностью. В сравнении с полиамидной и полиэфирной тканью, ткань из волокон СВМ имеет преимущества по прочности, термостойкости, кислородному индексу. К недостаткам ткани СВМ можно отнести ее высокую стоимость и низкое относительное удлинение.
Известны термопластичные [12] и реактопла-стичные полиуретановые эластомеры. В качестве полимерной матрицы покрытия были выбраны реактопластичные полиуретановые каучуки СКУ-8А и СКУ-8ТБ, поскольку вулканизаты на их основе обладают высокими характеристиками износостойкости, прочности, газонепроницаемости. Для придания материалу свойств пожаробез-опастности [13] в состав полимерной композиции были введены антипирены. В рамках работы опробованы антипирирующие агенты разной химической природы: галогенсодержащие, сурьма-содержащие, соли меламина. Для вулканизации каучука в композицию был введен сшивающий агент полиизоцианат (ПИЦ).
Технология изготовления материала основана
на нанесении раствора полимерной композиции тонкими штрихами на тканевую основу с последующей сушкой образца после каждого слоя [14]. Далее материал вулканизуют в прессе при повышенной температуре и давлении [15].
Для полученных материалов была определена поверхностная плотность [16] и проведены испытания на горючесть (пожароопасность) [17], разрывную нагрузку [18], водородопроницаемость [19].
На первом этапе исследовано влияние антипи-ренов (антипирены введены в количестве суммарно 50% (по массе) по отношению к каучуку) в составе полимерного покрытия на горючесть материалов (табл. 3).
Установлено, что образцы тканепленочных материалов на основе каучука СКУ-8А с фосфатом меламина на тканевой основе из полиэфира и СВМ; трехокисью сурьмы на тканевой основе из СВМ, тетрабромдифенилпропаном на тканях из полиэфира и полиамида, смеси трехокиси сурьмы и декабромдифенилоксида на основе из лавсана, капрона, СВМ и образцы на основе каучука СКУ-8ТБ со смесью трехокиси сурьмы и декабромдифенилоксида на основе из СВМ имеют массу 1 м в пределах 230-268 г/м2 и соответствуют требованиям АП-25 по горючести
Таблица 3
Влияние антипиренов в составе полимерной композиции на горючесть образцов тканепленочных материалов
Каучук Антипирен Масса 1 м2, г Классификация горючести
Основа - полиэфирная ткань (125 г/м2)
СКУ-8А Цианурат меламина 258 Сгорающий
Фосфат меламина 264 Самозатухающий
Тетрабромдифенилпропан 259 -«-
Нафтан 04 263 Сгорающий
Трехокись сурьмы 265 -«-
Декабромдифенилоксид 264 -«-
Трехокись сурьмы + декабромдифенилоксид 261 Самозатухающий
Трехокись сурьмы + фосфат меламина 259 Сгорающий
СКУ-8ТБ Трехокись сурьмы 266 -«-
Декабромдифенилоксид 264 -«-
Трехокись сурьмы + декабромдифенилоксид 251 -«-
Трехокись сурьмы + фосфат меламина 259 -«-
Основа - полиамидная ткань (154 г/м2)
СКУ-8А Цианурат меламина 260 Сгорающий
Фосфат меламина 257 -«-
Тетрабромдифенилпропан 258 Самозатухающий
Нафтан 04 258 Сгорающий
Трехокись сурьмы 264 -«-
Декабромдифенилоксид 260 -«-
Трехокись сурьмы + декабромдифенилоксид 254 Самозатухающий
Трехокись сурьмы + фосфат меламина 256 Сгорающий
СКУ-8ТБ Трехокись сурьмы 262 -«-
Декабромдифенилоксид 254 -«-
Трехокись сурьмы + декабромдифенилоксид 253 -«-
Трехокись сурьмы + фосфат меламина 260 -«-
Основа - ткань из волокна СВМ (70 г/м2)
СКУ-8А Цианурат меламина 260 Сгорающий
Фосфат меламина 263 Самозатухающий
Тетрабромдифенилпропан 259 Сгорающий
Нафтан 04 256 -«-
Трехокись сурьмы 268 Самозатухающий
Декабромдифенилоксид 257 Сгорающий
Трехокись сурьмы + декабромдифенилоксид 248 Самозатухающий
Трехокись сурьмы + фосфат меламина 254 Сгорающий
СКУ-8ТБ Трехокись сурьмы 245 -«-
Декабромдифенилоксид 253 -«-
Трехокись сурьмы + декабромдифенилоксид 230 Самозатухающий
Трехокись сурьмы + фосфат меламина 248 Сгорающий
(самозатухающие). Наиболее эффективным анти-пиреном оказалась система, состоящая из трех-окиси сурьмы и декабромдифенилоксида, вследствие проявления эффекта синергизма [20].
На втором этапе исследовано влияние состава полимерного покрытия на механические свойства (разрывная нагрузка и удлинение при разрыве) полученных на первом этапе самозатухающих тканепленочных материалов (табл. 4).
Результаты механических испытаний самозатухающих тканепленочных материалов оценивались в сравнении с аналогичными показателями исходных тканевых основ из лавсана, капрона, СВМ. Установлено, что природа антипирена в составе полимерного покрытия оказывает заметное влияние на прочностные характеристики тканевых основ. Возможно, влияние на прочность тканевых основ связано со способностью некоторых анти-
Таблица 4
Физико-механические свойства образцов самозатухающих тканепленочных материалов
Каучук Антипирен Масса 1м2, г Средняя прочность Среднее удлинение
при разрыве, Н/см при раз рыве, %
основа уток основа уток
Основа - полиэфирная ткань (125 г/м'')
СКУ-8А Фосфат меламина 260 257 248 15 17
Тетрабромдифенилпропан 259 327 250 16 18
Трехокись сурьмы + +декабромдифенилоксид 259 367 295 20 24
Основа - полиамидная ткань (154 г/м2)
СКУ-8А Тетрабромдифенилпропан 260 440 361 28 22
Трехокись сурьмы + +декабромдифенилоксид 256 481 421 35 34
Основа - ткань из волокна СВМ (70 г/м2)
СКУ-8А Фосфат меламина 257 729 665 6 5
Трехокись сурьмы 249 792 710 6 5
Трехокись сурьмы + +декабромдифенилоксид 248 780 707 9 6
СКУ-8ТБ Трехокись сурьмы + +декабромдифенилоксид 235 773 708 6 5
пиренов или продуктов их термического разложения взаимодействовать с макромолекулами волокон ткани. Так, фосфат меламина и тетра-бромдифенилпропан при нагревании (например, в процессе вулканизации материала) частично дис-пропорционируют с выделением фосфорной кислоты и бромоводорода соответственно. В свою очередь, полиэтилентерефталат (полимер волокон полиэфирной ткани), полимерная цепь которого включает реакционноспособные в кислых условиях сложноэфирные группы, под действием сильных кислот частично разрушается, что подтверждается экспериментально снижением разрывной нагрузки материалов. В отличие от полиэфира, полиамиды, в особенности полиамидобензимида-зол (полимер волокон СВМ), значительно более устойчивы по отношению к кислотам. В связи с этим наличие в полимерном покрытии фосфата меламина не снижает прочности волокон, наоборот, наблюдается повышение разрывной нагрузки материала благодаря дополнительной связке волокон полимерной композицией. По этой же причине, вероятнее всего, происходит снижение относительного удлинения при разрыве.
На примере материалов, соответствующих требованиям прочности стандарта TSO-C69c (разрывная нагрузка по основе и утку - не менее 330 Н/см), была изучена газопроницаемость образцов тканепленочных материалов по водороду.
Водородопроницаемость материалов на основе волокон СВМ в разы ниже: 0,5-1,5 л/(м2хут), чем проницаемость материалов на основе полиамидной ткани: 5-6 л/(м2хут). Вероятнее всего, разница в проницаемостях связана с привесом
полимерного покрытия, которое и обеспечивает барьерные свойства.
На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы:
- из ряда выбранных тканевых основ под полимерное покрытие - полиэфирная, полиамидная, из волокон СВМ - наиболее оптимальной, с точки зрения массы, горючести и прочностных характеристик, является ткань из волокна СВМ;
- в качестве полимерной матрицы для полимерного покрытия могут быть использованы поли-уретановые каучуки марок СКУ-8А и СКУ-8ТБ;
- из ряда использованных в полимерном покрытии антипиренов: галогенсодержащих, сурьмасо-держащих, солей меламина - наилучший эффект огнезащиты создает система декабромдифенилок-сид + трехокись сурьмы;
- химическая природа антипиренов в составе полимерного покрытия оказывает существенное влияние на прочностные характеристики полиэфирной ткани и практически не влияет на прочностные характеристики полиамидной и полиара-мидной тканей;
- разработан состав и технология получения нового пожаробезопасного материала, обладающего поверхностной плотностью 250±5 г/м2, имеющего высокие прочностные характеристики на разрыв по основе/утку: 780/710 Н/см, водородопроницаемость: 0,5 л/(м2-сут);
- материал может быть использован для создания надувной оболочки спасательного трапа: свойства материала соответствуют АП-25 и требованиям стандарта TSO-C69c.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кирин K.M. Перспективные пожаробезопасные тек-
стильные материалы для применения в гражданской авиации: Автореф. на соискание ученой степени канд. технич. наук. Москва. 2004. 16 с.
2. Пат. 4723628 US опубл. 09.02.1988. The B.F. Goodrich
Company.
3. Пат. 4519782 US опубл. 28.05.1985. The B.F. Goodrich
Company.
4. Пат. 4714637 US опубл. 22.12.1987. The B.F. Goodrich
Company.
5. Пат. 6536715 US опубл. 25.03.2003. Air Cruisers Com-
pany.
6. Пат. 4233102 US опубл. 11.11.1980. The B.F. Goodrich
Company.
7. Пат. 4332049 US опубл. 11.11.1980. The B.F. Goodrich
Company.
8. Пат. 2006029759 US опубл. 09.02.2006. Warwick Mills
Inc.
9. Пат. 2068892 Рос. Федерация опубл. 10.11.1996.
10. Пат. 5393595 US опубл. 28.02.1995. Royaders Didier.
11. Пат. 4274526 US опубл. 23.01.1981. The B.F. Goodrich Company.
12. Петрова Г.Н., Перфилова Д.Н., Грязнов В.И., Бейдер Э.Я. Термопластичные эластомеры для замены резин /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 302-308.
13. Барботько С. Л. Пожаробезопасность авиационных материалов /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 431-439.
14. Нестерова Т.А., Изотова Т.Ф., Николаева М.Ф., Бейдер Э.Я., Буцких А.Д. Разработка защитно-декоративного материала «Полиплекс» /В сб.: Авиационные материалы и технологии. Вып. «Термопластичные материалы». М.: ВИАМ. 2004. С. 28-30.
15. Пат. 2443820 С1. Рос. Федерация. Опубл. 27.02.2012.
16. ГОСТ 17073-71. Кожа искусственная. Метод определения толщины и массы 1 м2. М.: Изд-во стандартов. 1971. 4 с.
17. Авиационные правила, Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории, Приложение F. М.: Авиаиздат. 2004.
18. ГОСТ 17316-71. Кожа искусственная. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве. М.: Изд-во стандартов. 1972. 11 с.
19. Методика испытаний М 38-59-629-2007. Ткани с резиновым или пластмассовым покрытием. Метод определения водородопроницаемости на техническом устройстве типа ПВПТ. НИИРП. 2007. 10 с.
20. Дик Дж.С. Технология резины: рецептуростроение и испытания. С.-Пб: НОТ. 2010. 620 с.
