CC BY
21
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-22-33 УДК 661.174
Эффективность применения вспучивающегося огнезащитного покрытия в теплозащитной системе
Ф. Х. Абдрахманов1, И. Г. Арефьев2, А. И. Бекетова1, Д. Н. Кожевников3, С. А. Койтов1,
Д. В. Лейман1, В. Н. Мельников1
1 Акционерное общество «Опытное конструкторское бюро «НОВАТОР», Екатеринбург, Российская Федерация
2 Общество с ограниченной ответственностью «Институт прикладной химии и сертификации Фришберг», Екатеринбург, Российская Федерация
3 Закрытое акционерное общество Научно-производственный холдинг «ВМП», Екатеринбург, Российская Федерация
о см о см
Усиление абляционной защиты теплозащитных покрытий гиперзвуковых изделий - одна из актуальных задач. Одним из способов защиты базового теплозащитного покрытия является нанесение на его поверхность огнезащитных красок. Краски вспучивающегося типа могут способствовать блокированию теплового потока в поверхностном слое покрытия. Цель работы состояла в изучении свойств вспучивающихся композиций в составе теплозащитных материалов. Проведены испытания, подтвердившие обоснованность и эффективность применения данных красок в составе теплозащитных покрытий.
Ключевые слова: абляционная защита, теплозащитное покрытие, огнезащитное покрытие, огнезащитная вспучивающаяся композиция, климатические испытания, адгезионные испытания
Для цитирования: Абдрахманов Ф. Х., Арефьев И. Г., Бекетова А. И., Кожевников Д. Н., Койтов С. А., Лейман Д. В., Мельников В. Н. Эффективность применения вспучивающегося огнезащитного покрытия в теплозащитной системе // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2020. № 4. С. 22-33. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-22-33
For citation: Abdrakhmanov F. Kh., Arefiev I. G., Beketova A. I., Kozhevnikov D. N., Koitov S. A., Leiman D. V., Melnikov V. N. Effectiveness of intumescent fire retardant coatings in thermal protection systems // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2020. No. 4. P. 22-33. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-22-33
Поступила 17.09.2020 Отрецензирована 02.10.2020 Одобрена 09.10.2020 Опубликована 30.12.2020
< i
to те S
О CÛ
Q.
<D
О
О <D CQ
CM ■clin 9
CM ■clin
CM
w w
Актуальность
В процессе полета изделия со сверх- и гиперзвуковой скоростью происходит торможение обтекающей среды на аэродинамических плоскостях, сопровождающееся преобразованием кинетической энергии набегающего потока среды в тепловую. При этом равновесная температура в точке торможения достигает значений от 1500 до 6000 °С. В данных условиях конструкционные материалы быстро утрачивают свои эксплуатационные свойства, поэтому возникает необходимость в их дополнительной
© Абдрахманов Ф. Х., Арефьев И. Г., Бекетова А. И., Кожевников Д. Н., Койтов С. А., Лейман Д. В., Мельников В. Н., 2020
защите. В таком случае для защиты конструкции изделий применяют абляционные теплозащитные покрытия (ТЗП) [1].
Взаимодействие набегающего потока с абляционными теплозащитными материалами (ТЗМ) сопровождается уносом массы (жертвенное разрушение ТЗМ), протекает с поглощением тепла с автоматическим регулированием температуры абляции (определяется составом ТЗМ), что в значительной степени ограничивает тепловой поток, поступающий к защищаемой конструкции [1].
На предприятии в качестве теплозащитных покрытий изделий применяют стеклопластики на основе эпоксидного связующего. Для данного типа связующего характерно
падение прочности при эксплуатации свыше диапазона 80-150 °С [2], в то время как процесс деструкции связующего начинается при температуре примерно 300 °С.
Помимо стеклопластиков, в АО ОКБ «Новатор» также занимаются активной разработкой теплозащитных материалов, армированных углеродными волокнами, - углепластиков [3]. Температура начала деструкции углепластиков несколько выше по сравнению со стеклопластиками.
Исходя из всего вышесказанного, перед специалистами встает задача о дополнительном усилении абляционной защиты. Из эффективных и доступных способов придания дополнительной защиты подобного рода материалам наиболее перспективным является нанесение дополнительных лакокрасочных покрытий (ЛКП) со специальными защитными свойствами. В настоящее время среди имеющихся материалов подобного рода особый интерес представляют лакокрасочные покрытия вспучивающегося (интумесцентного) типа [4].
Интумесцентная технология защиты изделий от горения является сравнительно новой и заключается во вспучивании и превращении в кокс поверхностного слоя материала, подверженного воздействию аэродинамического нагрева. Огнезащитные краски вспучивающегося типа при воздействии температуры расширяются и образуют вокруг изделия толстый слой пенококса. Пенококс представляет собой пористую углеводородную субстанцию с низкой теплопроводностью, поры в которой формируются за счет фиксации в углеводородном скелете газов, выделяющихся в процессе разложения материала [5]. Пенококс обладает такими свойствами, как негорючесть [4], низкая теплопроводность [6], плотность от 3 10-3 до 3 10-2 г/см3, коэффициент теплопередачи, близкий к данному показателю для воздуха. Вспененный слой действует в качестве физического барьера для продвижения теплового фронта от пламени к нижележащим слоям покрытия и защищаемой поверхности, при этом происходит уменьшение теплопередачи приблизительно в 100 раз [4].
Преимущества вспучивающихся покрытий состоят в том, что они тонкослойны,
эффективно защищают поверхность материала от воздействия аэродинамического нагрева, могут быть нанесены на поверхность различными механизированными методами.
Снижение интенсивности теплового потока, воздействующего на ТЗП изделия в процессе прогрева и вспучивания огнезащитного покрытия (ОЗП), увеличивает время накопления теплоты в поверхностном слое ТЗП, замедляет развитие и скорость абляционных процессов в материале ТЗП.
Для того чтобы выбрать огнезащитную вспучивающуюся краску, были исследованы свойства различных марок ОЗП, таких как «Пламкор-5» (ЗАО НПХ «ВМП»), МПВО (НПЛ 38080), «Джокер М» (НПО «Ассоциация КрилаК»), произведенных в Российской Федерации. Продукты сравнивались по таким критериям, как состав, плотность, технологичность нанесения, массовая доля нелетучих веществ (сухой остаток) (табл. 1).
После анализа информации, представленной в таблице 1, было отдано предпочтение композиции «Пламкор-5» (ТУ 20.30.22-104-12288779-2017 [7]) производства ЗАО НПХ «ВМП».
Среди предложенных вариантов огнезащитных красок наибольший интерес композиция «Пламкор-5» представляет за счет того, что обладает самым высоким показателем по содержанию нелетучих веществ среди других продуктов. Данный показатель, именуемый также сухим остатком, играет значительную роль в производстве лакокрасочных компози- _ ций: его высокий процент позволяет получать б на выходе большую толщину покрытия. §
В составе «Пламкора-5» находится эпок- ь сидная смола, обладающая низкой плотностью. ь Подобного рода основа способна обеспечить ^ хорошую адгезию огнезащитной композиции * со стеклопластиком, являющимся традицион- | ным теплозащитным покрытием. §
Производитель данного продукта также о заявляет о простоте и удобстве применения, 8 оптимальным расходе, обеспечении снижения о нагрева металла под огнезащитным покрыти- о ем, отсутствии деформации металла. |
ЗАО НПХ «ВМП», располагающийся о в Екатеринбурге, представляет собой одно —
Таблица 1
Сравнительный анализ марок вспучивающихся красок российских производителей
^^-^Марка ОЗП Критерии Пламкор-5 Джокер М МПВО
Производитель (Россия) ЗАО НПХ «ВМП», г. Екатеринбург НПО «Ассоциация КрилаК», г. Москва НПЛ 38080, г. Москва
Состав Эпоксидная основа, алифатический поли-аминный отвердитель, остальные компоненты являются ноу-хау изготовителей [7] Водный раствор синтетического полимера с добавлением газо- и пенообразующих термостойких наполнителей [8] Многокомпонентная однородная вязкая суспензия полимеров и наполнителей в органическом растворителе (сольвенте) с добавлением антипиренов и гасящих пламя добавок [9]
Способы нанесения Безвоздушное распыление, шпатель/кисть [7] Безвоздушное распыление, кисть/валик [8] Краскораспыление/кисть [9]
Плотность, г/см3 1,22-1,27 [7] 1,3 [8] 1,3 [9]
Массовая доля нелетучих веществ, % 94-97 [7] 70 [8] 68 [9]
Таблица 2
Характеристики объектов исследования
№ обр. п/п Размеры, мм Материал Способ нанесения ОЗП Толщина ОЗП, мм Проводимые испытания
1 200x60x6 ТЗМКТ-8 Шпательно-кистевои 1,0-1,4 Испытания в муфельной печи для определения характера прохождения теплового потока через ОЗП (ЗАО НПХ «ВМП»), определение предела прочности при сжатии
2
3
4 300x100x6 0,5 Климатические, прочность при равномерном отрыве
5 1,0
6 Адгезионные испытания, прочность при равномерном отрыве
7 Пневматиче ское распыление
8
о см о см
< I
со та
г
о со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
из крупнейших в России производителей огнезащитных лакокрасочных материалов, чья мощность производства в 2016 г. составила 2000-2500 т [10].
Целью данной работы является анализ эффективности работы огнезащитной вспучивающейся композиции Пламкор-5 в составе комплексного ТЗП изделия.
Объекты исследования
В качестве объектов исследования использовались образцы в виде прямоугольных пластин, покрытые ОЗП «Пламкор-5».
Основным материалом для образцов выступал стеклопластик ТЗМКТ-8, полученный методом пропитки под давлением, представляющий собой реактопласт на основе эпоксидного связующего ЭДТ-10 (смола КДА, отвердитель триэтаноламинтитанат (ТЭАТ)) и упрочняющего наполнителя из кремнеземной ткани объемного переплетения [11].
Огнезащитная вспучивающаяся композиция «Пламкор-5», предоставленная предприятием ЗАО НПХ «ВМП», представляет собой двухупаковочную композицию, состоящую из эпоксидной смолы и алифатического поли-аминного отвердителя [7].
Огнезащитное покрытие на образцы стеклопластика ТЗМКТ-8 наносилось шпатель-но-кистевым и пневматическим напылением.
Подробные характеристики всех образцов (размеры пластин, толщина ОЗП, способ нанесения ОЗП) и проводимые с ними испытания приведены в таблице 2.
Задачи исследования
Для достижения цели работы определены следующие задачи:
1) исследовать характер прохождения теплового потока через ОЗП «Пламкор-5» вглубь материала ТЗМКТ-8 в статических условиях;
2) определить сохраняемость свойств ОЗП «Пламкор-5» при длительном температурном воздействии;
3) определить прочностные характеристики ОЗП в системе «Пламкор-5 - ТЗМКТ- 8».
Методы исследования
• Исследование характера прохождения теплового потока через ОЗП «Пламкор-5» вглубь материала ТЗМКТ-8 в статических условиях проводилось путем помещения образцов в муфельную печь в течение определенного времени и при заданных температурах. Затем осуществлялась визуальная оценка состояния материалов после проведения испытаний.
• Определение сохраняемости свойств ОЗП «Пламкор-5» при длительном температурном воздействии проводилось в камере для климатических испытаний VOTSCH VCL 7010.
• Определение предела прочности при разрушении и изучение адгезионных свойств проводилось на испытательной машине 5982.
Исследование характера прохождения теплового потока через ОЗП «Пламкор-5» вглубь материала ТЗМКТ-8 в статических условиях
Были проведены испытания образцов № 1-3 (табл. 2) на определение прохождения теплового потока вглубь стеклопластика.
Перед испытаниями в каждый образец с предварительно нанесенным покрытием
Пламкор-5 ТЗМКТ-8
«Пламкор-5» были установлены 3 термопары (Т), как показано на рисунке 1.
Термопара Т1 была установлена в нижней части образца ТЗМКТ-8, Т2 - в средней части по толщине стеклопластика, Т3 -на поверхности ТЗМКТ-8 под покрытием «Пламкор-5».
Термопара Т4 предназначена для фиксации температуры воздуха внутри муфельной печи в процессе испытания.
Образцы располагались в теплоизоляционной оправке из керамики, что способствовало подводу теплоты только с одной стороны, и помещались в муфельную печь при температурах 700, 950 и 1100 °С на 10 минут.
По прошествии 10 минут образцы извлекались из печи и проводилась визуальная оценка сохранности материала.
В таблице 3 показаны образцы после испытаний, а также срезы ТЗМКТ-8 для приблизительного определения глубины деструкции материала.
После испытаний все образцы представляли собой обугленный стеклопластик ТЗМКТ-8 со слоем пенококса покрытия «Пламкор-5» до 7 мм толщиной. Стоит отметить, что в каждом случае стеклопластик сохранил структурную целостность и остаточную прочность (рис. 2).
Для каждого из образцов была определена прочность при сжатии. Предварительно испытанные при высоких температурах образцы № 1-3 были очищены от вспенившегося пено-кокса, затем из них были изготовлены призмы размерами 14*10*7 мм. На испытательной
Теплоизоляционная керамика
Рис. 1. Схема расположения термопар (Т) в образце с огнезащитным покрытием «Пламкор-5»
е
о р
т с о т
тке
а р
а
ш
о Ч е л с с
к с е
у
и м с о К
Таблица 3
Режимы и результаты испытаний образцов в муфельной печи
№ обр. по п/п
Т, °С
т,
мин
Фотографии образцов после испытаний в муфельной печи
образцы после испытаний
срез образцов для приблизительного определения глубины деструкции
700750
900950
1100
10
■ -V -
1
2
о см о см
X <
I
со (О 5
с <
О т
(О X
Ф ^
X
о ф
т
см ^
ю о
см ^
ю см
(Я (/)
А
Б
Области для установки термопар
В
Рис. 2. Образец № 2 после испытания. 1 - пенококс «Пламкор-5»; 2 - ТЗМКТ-А - лицевая сторона; Б - торцевая сторона; В - обратная сторона
установке 5982 при скорости подвиж-
ного зажима 2 мм/мин был определен предел прочности при разрушении, результаты приведены в таблице 4.
Из таблицы 4 можно сделать вывод, что каждый образец сохранил остаточную прочность после воздействия теплового потока. При испытании образцов в высокотемпературной среде происходит значительное выгорание связующего и вследствие этого падение прочности при сжатии приблизительно в 3 раза, о чем говорит сопоставление справочной величины предела прочности и величины для образца № 1, испытанного при 700-750 °С. Показатель предела прочности при разрушении у образца с выдержкой при 700-750 °С на 93,7 % больше, чем у образца № 2, и на 90,3 % больше, чем у образца № 3. Образцы № 2 и 3 показали близкие значения остаточной прочности. Таким образом, можно сделать вывод, что после одностороннего воздействия высокотемпературного теплового потока на поверхность ТЗП с огнезащитным покрытием «Пламкор-5» стеклопластик сохраняет остаточную прочность, значение которой тем выше, чем ниже температура воздействия.
После осмотра все образцы были распилены пополам для анализа степени коксования материала ТЗМКТ-8 по толщине. При увеличении температуры воздействия от 700 до 1100 °С степень коксования материала закономерно увеличивалась: при 700 °С она приблизительно составила 40 %, при 900 °С -60 %, при 1100 °С - 80 %.
На рисунке 3 представлены микрофотографии срезов материала ТЗМКТ-8, испытанного при температурах 700, 900 и 1100 °С.
Отчетливо видно, что нижняя часть образца, испытанного при 700 °С (рис. 3А),
подверглась деструкции в меньшей степени, чем верхняя: об этом свидетельствует уцелевшая структура нитей кремнеземной ткани. В темной части среза структура ткани просматривается гораздо хуже. Таким образом, можно сделать вывод о начале процесса деструкции материала и частичного выгорания полимерного связующего.
Органическое связующее образцов, испытанных при 900 (рис. 3Б) и 1100 °С (рис. 3В), за 10 минут подверглось сильной деструкции и прококсовалось по глубине образца приблизительно на 60 и 80 % соответственно, что заключается по наличию сажи (технического углерода) на волокнах кремнеземной ткани в глубине материала ТЗМКТ-8.
Таким образом, при повышении температуры, воздействующей на покрытие, помимо деструкции полимерного связующего происходит также осаждение углеродного остатка от выгорания матрицы на кремнеземную ткань, частичное оголение структуры наполнителя с охрупчиванием волокон.
На рисунке 4 представлены результаты испытаний образца при температуре 700 °С. Показания термопары Т4 на графике не представлены, так как в данном эксперименте дополнительная термопара не использовалась.
Из рисунка 4 видно, что температура поверхности ТЗМКТ-8 под покрытием «Пламкор-5» более чем за 10 мин увеличилась до 350 °С при температуре в муфельной печи 700 °С. Разница температур между поверхностью ТЗМКТ-8 под покрытием «Пламкор-5» (Т3), средней (Т2) и нижней частью стеклопластика (Т1) увеличилась до 47-52 °С в течение первых 60 с, а затем постепенно снизилась до 18-24 °С к 600 с по мере прогрева образца.
е
о р
т с о т
тке
а р
Таблица 4
Результаты определения предела прочности при разрушении для образцов № 1-3
а
ш
о Ч е л с с
к с е
у
и м с о К
с, МПа
Измерения № 1 (исп. при 700-750 °C) № 2 (исп. при 900-950 °C) № 3 (исп. при 1100 °C) Значение предела прочности ТЗМКТ-8 при сжатии, МПа, при 20 °С (справочная величина)
1 51,2 3,1 4,9 147,6-149,6
2 66,4 3,2 4,1
3 24,4 2,7 4,7
Среднее значение 47,4 3,0 4,6
о см о см
тг
О!
>2 0) IX <
I
«о я
I
О ш
я х а
0)
X
о *
X X I-
о 0) ш
см ^
ю о
сч ^
ю см
(О (О
В
Рис. 3. Микрофотографии среза образцов, испытанных при температурах 700 °С (А), 900 °С (Б) и 1100 °С (В)
о
1000 900 800 700
а 600 Ц 500 £ 400 % 300
200 100 0
100
200
300 Время, с
400
500 600
Рис. 4. Кривые прогрева образца при 700 °С
о
1000 900 800 700
& 600 Й 500 £ 400 % 300
200 100 0
100
200
300 Время, с
400
500 600
Рис. 5. Кривые прогрева образца при 900 °С --Т1,--Т2,--Т3,--Т4
о
1000 900 800 700
& 600 Й 500 £ 400 % 300
200 100 0
100
200
300 Время, с
400
500 600
Рис. 6. Кривые прогрева образца при 1100 °С --Т1,--Т2,--Т3,--Т4
При температуре испытания 900 °С наблюдалась в целом аналогичная ситуация (рис. 5). Максимальная температура поверхности покрытия ТЗМКТ-8 под покрытием «Пламкор-5» (Т3) и в средней части стеклопластика (Т2) к концу эксперимента составила около 500 °С. Температура нижней части стеклопластика оказалась на 80 °С ниже.
0
0
0
При температуре испытания 1100 °С кривые прогрева по толщине образца (рис. 6) имеют иной вид, чем при испытаниях при меньшей температуре, - ближе к завершению эксперимента рост температуры нижней части стеклопластика замедлился, а в средней части, наоборот, ускорился и стал выше, чем под покрытием «Пламкор-5». Максимальная температура поверхности покрытия ТЗМКТ-8 под покрытием «Пламкор-5» (Т3) и в средней части стеклопластика (Т2) к концу эксперимента составила около 470 °С. Температура нижней части стеклопластика оказалась на 200 °С ниже. Изменение характера прогрева при повышении температуры может быть обусловлено проникновением теплового потока в образовавшееся в ходе эксперимента отслоение между вспучившимся ОЗП «Пламкор-5» и поверхностью стеклопластика.
Из рисунков 4-6 видно, что разница температур между поверхностью ТЗМКТ-8, защищенной покрытием «Пламкор-5», и воздухом в муфельной печи в течение всего эксперимента составляла не менее 400 °С.
Таким образом, покрытие «Пламкор-5» за счет происходящих при вспучивании физико-химических превращений, а также за счет низкой теплопроводности образующегося пенококса значительно замедлило прохождение теплового потока внутрь защищаемого образца.
Огнезащитное вспучивающееся покрытие «Пламкор-5» толщиной от 1 до 1,5 мм эффективно блокирует статический тепловой поток от окружающей среды с температурой до 1100 °С в течение не менее 10 минут - температура поверхности ТЗМКТ-8 под покрытием
«Пламкор-5» и воздухом в печи при температурах испытания 700, 900 и 1100 °С была не менее чем на 400 °С ниже температуры воздуха в муфельной печи.
Исследование старения материалов в климатической камере
Образцы № 4, 5 (табл. 2) были помещены в климатическую камеру VOTSCH VCL 7010. Режимы проведения ускоренных климатических испытаний (УКИ) приведены в таблице 5.
Ускоренные климатические испытания [12] образцов № 4, 5 были проведены в 4 этапа, после каждого из которых проводился внешний осмотр образцов. По окончании четырех этапов огнезащитное покрытие образцов осталось без изменений, отслоений и других нарушений покрытия ОЗП в системе «Пламкор-5 -ТЗМКТ-8» не произошло.
Контроль состояния огнезащитного покрытия «Пламкор-5» на образцах № 4 и 5 до и после ускоренных климатических испытаний показал, что ОЗП и стеклопластик ТЗМКТ-8 образцов сохраняют свои свойства, обеспечивая эксплуатационную надежность соединения покрытия ТЗМКТ- 8 и огнезащитного покрытия «Пламкор-5».
Определение прочности при равномерном отрыве в системе «Пламкор-5 - ТЗМКТ- 8»
Прочность при равномерном отрыве в системе «Пламкор-5 - ТЗМКТ-8» определялась на образцах № 4-8 (табл. 2): на образцах № 4, 5 после проведения УКИ, на № 6-8 -без проведения УКИ.
Прочность образцов определяли методом отрыва грибков от них. Испытания
Таблица 5
Режимы ускоренных климатических испытаний
Параметры испытания
Этап Вид испытания температура, °С время выдержки при температуре, ч
образцы № 4, 5
1 Температурное старение +90 ± 2 184 (7 суток 16 часов)
2 Термо статирование -60 ± 2 2
20 ± 2 2
3 Термоциклирование +60 ± 2 2
(3 цикла) +20 ± 2 2
-60 ± 2 2
4 Термо статирование -60 ± 2 2
е
о р
т с о т
тке
а р
а
ш
о ч е л с с
к с е
у
и м с о К
о см о см
осуществляли на универсальной испытательной машине 1ш№оп 5982 при скорости перемещения подвижного зажима 10 мм/мин.
Результаты испытаний приведены в таблице 6.
Из результатов таблицы 6 видно, что прочность при отрыве на границе «Пламкор-5 -ТЗМКТ-8» возрастает при уменьшении толщины наносимого слоя и увеличении температуры отверждения.
При одинаковом режиме отверждения (при температуре цеха) образец № 7 с покрытием «Пламкор-5», нанесенным пневматическим распылением слоями от 0,1 до 0,13 мм, обладает на 47 % большей прочностью, чем образец № 6 с покрытием, нанесенным шпателем слоем 1 мм. Аналогично прочность при равномерном отрыве у образца № 4 с покрытием, нанесенным толщиной 0,5 мм, на 40 % выше, чем у образца № 5 с толщиной покрытия 1 мм.
При одинаковой толщине покрытия «Пламкор-5» и одинаковом методе нанесения прочность у образца № 8, выдержанного при 70 °С в течение 7 ч, выше на 26 %, чем у образца № 7, не подвергавшегося термообработке.
После проведения УКИ прочность при отрыве образца № 5 увеличилась на 11 %
по сравнению с прочностью образца № 6, не участвовавшего в УКИ. При этом толщина покрытия «Пламкор-5», способ нанесения и режим отверждения данных образцов совпадает. Так как частью режима УКИ является термическое старение при 90 °С, то увеличение прочности после УКИ связано с набором прочности самого покрытия в результате более полного отверждения, превышающего снижение прочности при старении.
От толщины покрытия «Пламкор-5» и способа нанесения зависит характер разрушения на границе «Пламкор-5 - ТЗМКТ-8». При нанесении ОЗП методом пневматического напыления преобладает смешанный (ад-гезионно-когезионный) характер разрушения ОЗП в зоне отрыва (для образцов № 7, 8). Такое же преобладание данного типа характера разрушения наблюдается для образца № 4 со шпательным способом нанесения ОЗП. Для образцов № 5, 6 с покрытием, нанесенным шпателем, наблюдался преимущественно адгезионный характер разрушения на границе «Пламкор-5 - ТЗМКТ-8».
Таким образом, анализ прочности и характера разрушения при равномерном отрыве показывает, что наибольшая прочность при равномерном отрыве ОЗП достигается
Таблица 6
Таблица результатов испытаний на прочность с образцами № 4-8
№ образца 4 5 6 7 8
Способ нанесения ОЗП Шпательно-кистевой Пневматическое напыление
Толщина ОЗП, мм 0,5 1,0
Режим отверждения ОЗП 1) Тцеха « 15-30 °С, 24 ч; 2) Выдержка после отверждения при Тцеха ~ 15-30 °С, 24 ч 1) ТЦеха « 15-30 °С, 24 ч; 2) Т ~ 70 °С, 7 ч; 3) Выдержка при Тцеха ~ 15-30 °С, 24 ч.
Наличие УКИ Да Нет
Результаты испытаний на прочность с, кгс/см2 х-р разр. с, кгс/см2 х-р разр. с, кгс/см2 х-р разр. с, кгс/см2 х-р разр. с, кгс/см2 х-р разр.
Точки, в которых были приклеены грибки 1 17,4 А-К 15,0 А 13,1 А 20,1 А-К 30,9 А-К
2 23,0 А-К 17,0 А 14,0 А 19,7 А-К 26,4 А-К
3 21,1 К 7,6 А 10,7 А 25,4 А-К 33,1 А-К
4 19,0 А-К 9,1 А-К - - 23,7 А-К 31,3 А
5 18,4 А-К 10,8 А-К 4,4 А 11,9 А-К 15,4 А
Среднее значение прочности с, кгс/см2 (МПа) 19,8 (1,9) 11,9 (1,2) 10,6 (1,0) 20,2 (2,0) 27,4 (2,7)
< I
со та
г |
о ^
со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
Ц Примечание: х-р разр. - характер разрушения; А - адгезионный, К - когезионный, А-К - адгезионно-когезионный.
при нанесении методом пневматического напыления с режимом отверждения, включающим выдержку при температуре от 15 до 35 °С в течение 24 ч с последующей термообработкой при 70 °С не менее 7 ч.
Выводы
1. Равномерно нанесенное покрытие «Пламкор-5» толщиной от 1 до 1,5 мм эффективно блокирует статический тепловой поток с температурой до 1100 °С в течение не менее 10 минут, обеспечивая в течение этого времени снижение температуры защищаемой поверхности ТЗП ТЗМКТ-8 не менее, чем на 400 °С относительно наружной поверхности ОЗП, непосредственно подвергающейся воздействию тепла от окружающей среды (воздуха).
2. Контроль состояния огнезащитного покрытия «Пламкор-5» до и после ускоренных климатических испытаний показал, что ОЗП и стеклопластик ТЗМКТ-8 сохраняют свои свойства, обеспечивая эксплуатационную надежность соединения покрытия ТЗМКТ-8 и огнезащитного покрытия «Пламкор-5».
3. Испытания на отрыв показали, что наибольшей прочностью обладает ОЗП, нанесенное на поверхность методом пневматического напыления и отвержденного при смешанном температурном режиме (24 ч при температуре от 15 до 35 °С и 7 ч при 70 °С).
Заключение
Результаты по изучению свойств огнезащитной вспучивающейся композиции «Пламкор-5» в составе теплозащитного покрытия показали, что данная огнезащитная композиция при ее равномерном нанесении способствует эффективному блокированию теплового потока, воздействующего на поверхность ТЗП. ОЗП «Пламкор-5» обладает надлежащей устойчивостью в условиях длительного температурного воздействия, а также требуемыми прочностными характеристиками в зависимости от способа нанесения и режима отверждения покрытия.
Список литературы
1. Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы. СПб.: Научные основы и технологии, 2008. 660 с.
2. Гаращенко А. Н., Рудзинский В. П., Каледин В. О. Обеспечение требуемых показателей пожаробезопасности конструкций из полимерных композиционных материалов с помощью огнезащиты // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2013. С. 143-149.
3. Абдрахманов Ф. Х., Волосов Д. Р., Карпузи-ков С. А. и др. Выбор композиционного материала в тонкостенных конструкциях, работающих при повышенных температурах // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2018. № 3. С. 87-97.
4. Павлович А. А., Владенков В. В., Изюмский В. Н. и др. Огнезащитные вспучивающиеся покрытия // Лакокрасочная промышленность. 2012. № 5.
5. Гравит М. В. Оценка порового пространства пенококса огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожаровзрывобезопасность. 2013. Т. 22. № 5. С. 33-37.
6. Кошелев В. А., Орлов А. А. Принципы обеспечения огнезащитных свойств материалов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Строительство и архитектура». 2019. Т. 19. № 2. С. 50-54.
7. ТУ 20.30.22-104-12288779-2017 Огнезащитная вспучивающаяся композиция «Пламкор-5».
8. Огнезащитная краска «Джокер-М» // «Ассоциация КрилаК». URL: http://www.krilak. ru/catalog/1/untitled14.php (дата обращения: 10.07.2020).
9. Покрытие вспучивающееся огнезащитное МПВО // НПЛ38080. URL: https://npl38080. ru/?mod=content&id=65/ (дата обращения: 10.07.2020). _
10. Кислова Ю. Анализ российского рынка s огнезащитных ЛКМ для металлоконструк- ое ций в 2012-2016 гг. Прогноз до 2025 г. // £ Промышленная окраска. 2017. № 3. С. 17-23. ь
к
11. Койтов С. А., Мельников В. Н. Исследование £ теплоемкости, теплопроводности гетеро- * фазных композиционных теплозащитных ма- | териалов с непрерывной полимерной фазой // g Вестник Южно-Уральского государственного о университета. 2012. № 12. С. 182-186. 8
12. ГОСТ 9.707-81. Единая система защиты о от коррозии и старения (ЕСЗКС). Материалы | полимерные. Методы ускоренных испытаний i на климатическое старение. М.: Издательство | стандартов, 1990. 82 с. *
Об авторах
Абдрахманов Фарид Хабибуллович - генеральный директор, генеральный конструктор Акционерного общества «Опытное конструкторское бюро «НОВАТОР», Екатеринбург, Российская Федерация. Область научных интересов: создание современных образцов вооружения.
Арефьев Игорь Геннадьевич - начальник лаборатории огнезащитных материалов и порошков Общества с ограниченной ответственностью «Институт прикладной химии и сертификации Фришберг», Екатеринбург, Российская Федерация.
Область научных интересов: огнезащитные лакокрасочные материалы.
Бекетова Анна Игоревна - инженер-химик II категории конструкторского отдела Акционерного общества «Опытное конструкторское бюро «НОВАТОР», Екатеринбург, Российская Федерация.
Область научных интересов: разработка и создание новых композиционных материалов и технологий изготовления из них современных изделий.
Кожевников Дмитрий Николаевич - доктор химических наук, профессор, заместитель генерального директора, вице-президент по научно-инновационной работе Закрытого акционерного общества Научно-производственный холдинг «ВМП», Екатеринбург, Российская Федерация.
Область научных интересов: специальные лакокрасочные материалы, люминофоры.
Койтов Станислав Анатольевич - доктор технических наук, главный химик, заместитель начальника конструкторского отдела Акционерного общества «Опытное конструкторское бюро «НОВАТОР», Екатеринбург, Российская Федерация.
Область научных интересов: разработка и создание новых композиционных материалов и технологий изготовления из них современных изделий.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
Лейман Дмитрий Владимирович - кандидат химических наук, ведущий инженер-конструктор конструкторского отдела Акционерного общества «Опытное конструкторское бюро «НОВАТОР», Екатеринбург, Российская Федерация.
Область научных интересов: разработка и создание новых композиционных материалов и технологий изготовления
о
о из них современных изделий.
Мельников Владимир Николаевич - доктор технических наук, советник генерального конструктора по науке Акционерного общества «Опытное конструкторское бюро «НОВАТОР», Екатеринбург, Российская Федерация. Область научных интересов: разработка и создание новых композиционных материалов и технологий изготовления
< из них современных изделий. I
со те
г
о со
Effectiveness of intumescent fire retardant coatings in thermal protection systems
Abdrakhmanov F. Kh.1, Arefiev I. G.2, Beketova A. I.1, Kozhevnikov D. N.3,
Koitov S. A.1, Leiman D. V.1, Melnikov V. N.1
1 Experimental Design Bureau NOVATOR JSC, Ekaterinburg, Russian Federation
2 Frishberg Institute of Applied Chemistry and Certification LLC, Ekaterinburg, Russian Federation
3 VMP Research and Production Holding CJSC, Ekaterinburg, Russian Federation
Strengthening the ablative protection of heat-protective coatings of hypersonic products is an important research task. The conventional approach used to shield thermal protective coatings consists in the application of fire retardant paints. Intumescent paints can be used to block the heat flow in the surface coating layer. This work was aimed at investigating the properties of intumescent coatings in the composition of heat-shielding materials. A series of experiments was conducted to confirm the validity and effectiveness of using such paints in the composition of heat-shielding coatings.
Keywords: ablation protection, heat-protective coating, fire-retardant coating, fire-retardant intumescent composition, climatic tests, adhesion tests
Information about the authors
Abdrakhmanov Farid Khabibullovich - General Director, General Designer, Experimental Design Bureau NOVATOR JSC, Ekaterinburg, Russian Federation. Research interests: creation of modern weapons.
Arefiev Igor Gennadievich - Laboratory Head, Laboratory of Fire Retardant Materials and Powders, Frishberg Institute of Applied Chemistry and Certification LLC, Ekaterinburg, Russian Federation. Research interests: fire retardant paints and varnishes.
Beketova Anna Igorevna - Chemical Engineer of the II category, Design Department, Experimental Design Bureau NOVATOR JSC, Ekaterinburg, Russian Federation.
Research interests: development and creation of new composite materials and technologies for manufacturing new products.
Kozhevnikov Dmitry Nikolaevich - Dr. Sci. (Chemistry), Prof., Deputy General Director, Vice President for Research and Innovation, VMP Research and Production Holding CJSC, Ekaterinburg, Russian Federation. Research interests: special paints and varnishes, phosphors.
Koitov Stanislav Anatolievich - Dr. Sci. (Engineering), Chief Chemist, Deputy Head of the Design Department, Experimental Design Bureau NOVATOR JSC, Ekaterinburg, Russian Federation.
Research interests : development and creation of new composite materials and technologies for manufacturing new products. _
v s
Leiman Dmitry Vladimirovich - Cand. Sci. (Chemistry), Leading Design Engineer, Design Department, Experimental g Design Bureau NOVATOR JSC, Ekaterinburg, Russian Federation. ^
Research interests : development and creation of new composite materials and technologies for manufacturing new products. °
g
rc
Melnikov Vladimir Nikolaevich - Dr. Sci. (Engineering), Advisor to the General Designer for Research, Experimental ^
Design Bureau NOVATOR JSC, Ekaterinburg, Russian Federation. |
Research interests: development and creation of new composite materials and technologies for the manufacture of modern jjj
m
products from them. o
ou ç
o o s V s m O
<0 y
s
s o o
