CC BY
35
С. Л. БАРБОТЬКО, канд. техн. наук, начальник лаборатории "Исследование неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность", ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)" ГНЦ РФ (Россия, 105005, г. Москва, ул. Радио, 17; e-mail: [email protected])
М. С. БАРБОТЬКО, инженер-экспериментатор 1-й категории, ОАО НПО "Энергомаш" им. академика В. П. Глушко (Россия, 141401, Московская обл., г. Химки, ул. Бурденко, 1) О. С. ВОЛЬНЫЙ, ведущий инженер лаборатории "Исследование неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность", ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)" ГНЦ РФ (Россия, 105005, г. Москва, ул. Радио, 17) А. К. ШВЕДКОВА, ведущий инженер лаборатории "Исследование неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность", ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)" ГНЦ РФ (Россия, 105005, г. Москва, ул. Радио, 17)
УДК 614.841.41:629.7.042.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНЫХ СОВМЕСТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ФАКТОРОВ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ НА ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ
С использованием лабораторных методов испытаний на климатическую стойкость исследовано длительное (до 90 сут) совместное влияние факторов температуры и повышенной влажности на изменение характеристик пожарной опасности стеклопластиков на полимерных матрицах различной химической природы. Исследования климатической стойкости проводили по двум режимам: имитация суточного хода температуры и влажности в условиях тропического климата; экспозиция в стационарных условиях при повышенной температуре и влажности с периодическим наложением термоциклов (воздействие отрицательных температур). Полученные результаты сопоставлены с характеристиками исходных материалов и материалов, подвергнутых только тепловому старению. Показано, что после длительного совместного воздействия температуры и повышенной влажности в зависимости от химической природы полимерной матрицы могут существенно изменяться характеристики горючести, дымообразования и тепловыделения, причем в зависимости от вида полимерной матрицы в сторону как снижения, так и увеличения.
Ключевые слова: стеклопластик; полимерный композиционный материал; пожаробезопасность; горючесть; дымообразование; тепловыделение; термовлажностное старение; климатическая стойкость.
Введение
Изделия, имеющие длительные сроки эксплуатации или хранения, подвергаются воздействию климатических факторов. Вид и интенсивность последних могут существенно варьироваться в зависимости от условий хранения и эксплуатации изделий.
В последнее время в машиностроении (авиа-, судо-, станкостроение и др.) растет спрос на детали из полимерных конструкционных материалов (ПКМ), специальные лакокрасочные покрытия, изолирующие и шумопоглощающие покрытия, различные функциональные полимерные материалы [1].
Использование полимерных композиционных материалов в конструкциях авиационной техники и других сложных технических систем достигает в настоящее время 50 % [2].
В процессе хранения и эксплуатации изделий, материалы, из которых они изготовлены, подвергаются длительному воздействию различных климатических факторов, в результате чего происходит изменение их характеристик [3,4].
Согласно литературным данным [5] наиболее существенное влияние на техническое состояние изделий оказывает не механический износ, а про-
© Барботько С. Л., Барботько М. С., Вольный О. С., Шведкова А. К., 2014
цессы коррозии и старения под влиянием факторов окружающей среды. Так как авиационная техника и другие высокотехнологичные изделия, как правило, имеют длительные сроки службы, необходимо, чтобы в течение всего заявленного периода сохранялся требуемый уровень их свойств. Согласно требованиям пп. 25.609 и 25.613 Авиационных правил [6] каждый элемент конструкции должен быть защищен от атмосферного воздействия, приводящего к снижению прочностных характеристик. Однако на безопасность сложных технических систем влияет сохраняемость уровня не только физико-механических свойств, но и других видов служебных характеристик.
Одним из важнейших параметров, влияющих на безопасность людей, выживаемость их в условиях чрезвычайных ситуаций и сохранение работоспособности изделий, является уровень характеристик пожарной опасности материалов, определяющий общую пожаробезопасность изделия. Наиболее подвержены воздействию переменных температур и повышенной влажности материалы, используемые для внешнего контура изделий. В связи с расширением использования ПКМ для изготовления конструктивных элементов, контактирующих с окружающей средой, необходимо представлять, насколько критичным может быть воздействие факторов внешней среды с точки зрения сохранения пожаробезопас-ности. Важность проведения таких исследований отмечалась неоднократно [7-10].
В настоящее время имеются отдельные данные по оценке воздействия климатических факторов на пожаробезопасность древесных материалов [11,12], ПВХ-пластикатов и других материалов для электрокабельных изделий [13-15], на изменение свойств огнезащитных покрытий [16-20]. Данные по климатической стойкости ПКМ относительно характеристик пожарной опасности практически отсутствуют.
Согласно [21] по физико-механическим и химическим характеристикам образцы, вырезанные из высушенных элементов конструкций самолета после 20-летней эксплуатации, в общем идентичны материалам, подвергнутым тепловому старению при температуре 120 °С в течение 2000 ч. Исследования [22,23] показали, что для ряда стеклопластиков после термостарения ухудшения пожаробезопасности материалов по выбранным характеристикам оценки пожарной опасности не происходит. Это может быть объяснено отсутствием в процессе теплового воздействия интенсивной термодекструкции полимерных матриц, а также возможным протеканием под действием длительных повышенных температур процессов релаксации внутренних напряжений, перегруппировкой структур, дополнительной
сшивкой полимерных цепей и удалением низкомолекулярных горючих полупродуктов.
Нормативная документация [24] рекомендует при прогнозировании климатической стойкости полимерных материалов не ограничиваться только режимом теплового старения, а реализовать комплексное эксплуатационно-климатическое воздействие на материал, сочетающее в себе все воздействующие факторы (повышенные и пониженные температуры, влажность, солнечное излучение и т. п.). В настоящей работе продолжены исследования, начатые в [23], и проведена оценка комбинированного воздействия температуры и повышенной влажности на изменение регистрируемых характеристик пожарной опасности полимерных композиционных материалов.
Материалы и методы испытаний
Для выполнения данных исследований были использованы образцы четырех типов стеклопластиков на основе различных полимерных связующих:
• полиэфирной смолы;
• эпоксидной смолы холодного отверждения;
• эпоксидной смолы горячего отверждения;
• фенольной смолы.
Подробная характеристика образцов приведена в [23]. Для данных исследований использовались образцы, изготовленные из тех же партий стеклопластиков, что и для ранее проведенной работы. Выполнение этого условия обеспечило возможность сопоставления изменения свойств после различных видов воздействий без оценки изменения толщины, содержания связующего, структуры композиционного материала. Существенность влияния указанных факторов на характеристики пожарной опасности показана в [25-28].
В результате воздействия повышенной влажности атмосферного воздуха происходит влагонасы-щение испытываемых образцов, что может неоднозначно сказаться на изменении характеристик пожарной опасности. Вполне ожидаемо, что могут улучшиться характеристики горючести и тепловыделения (уменьшиться продолжительность остаточного горения, длина прогорания, интенсивность и общее количество выделившегося тепла). Одновременно могут ухудшиться характеристики дымооб-разования. В то же время воздействие влаги может вызвать изменение химической структуры и состава полимерной матрицы (разрыв или образование новых химических связей, удаление низкомолекулярных горючих полупродуктов и антипиренов), повысить пористость и дефектность материала, что может привести к изменению процессов термодеструкции и, как следствие, повлиять на все характеристики пожарной опасности. Поэтому для все-
сторонней оценки влияния факторов климата на характеристики пожарной опасности целесообразно подвергать испытаниям как влажные образцы, так и высушенные после тепловлажностного воздействия.
Исследование совместного влияния температуры и повышенной влажности проводили при двух различных режимах, используя следующие методики.
Метод 1 —тропический климат. Одни сутки испытания имитируют одни сутки экспозиции в условиях тропической зоны. Образцы выдерживают в специальной климатической камере (камера тропического климата), для которой задан регламентированный переменный тепловлажностный режим:
• температура (50+5) °C, относительная влажность
(98+2)% — 8 ч;
• температура (20+5) °C, относительная влажность
(98+2) % — 12 ч;
• температура (20+5) °C, относительная влажность
(50+10) % — 4 ч.
Общая продолжительность экспозиции образцов составляла 90 суток.
Метод 2 — комплексные тепловлажностные испытания с наложением термоциклов (отрицательных температур). Испытания проводили согласно указаниям, приведенным в ГОСТ 9.707-81 (метод 2) [24]. Образцы подвергали комбинированному воздействию с постоянными значениями повышенной температуры и влажности (тепловлажностные испытания) и с заданной периодичностью — воздействию отрицательных температур (перепадов температур). Тепловлажностные испытания проводили при следующем стационарном режиме: повышенная температура 60 °C, относительная влажность 85 %. Имитация воздействия перепадов температур осуществлялась после каждых 8 сут тепловлажно-стной экспозиции при следующем режиме: образцы выдерживали в течение 2 ч в холодильной камере при температуре минус 60 °C, после чего возвращали их в тепловлажностную камеру. Всего было выполнено 10 циклов воздействия равномерно распределенных перепадов температуры в течение общей 90-суточной экспозиции.
Испытание образцов на тепловлажностные воздействия осуществлялось в климатических камерах марки Excal 7723-HA (тепло + холод + влага) и камере Excal 2221-TA (тепло + холод) (Climats, Франция). Процесс влагонасыщения контролировался по изменению массы образцов, предназначенных для определения характеристик пожарной опасности.
После экспозиции в климатических камерах по методам 1 и 2 проводили сушку части образцов в термостатах при температуре (110+2) °C до постоянной массы в течение не менее 24 ч.
Для исключения изменения влагосодержания материалов перед испытаниями на определение характеристик пожарной опасности образцы кондиционированию не подвергали, а проводили только их охлаждение до температуры окружающей среды (20+3) °С в течение не более 0,5 ч.
Характеристики пожарной опасности оценивали по показателям горючести, дымообразования и тепловыделения при горении согласно требованиям [6]. Подробное описание методик и оборудования для проведения испытаний приведено в [22,29,30]. Исходя из предварительной оценки возможного направления влияния фактора влажности и с целью оптимизации количества испытываемых образцов, испытания на горючесть и тепловыделение проводили как для увлажненных, так и высушенных образцов испытания на дымообразование — только для увлажненных образцов.
Полученные результаты и их обсуждение
На рис. 1 приведены графики кинетики изменения влагосодержания образцов в процессе тепло-влажностных испытаний. Влагосодержание рассчитывалось как относительное увеличение массы по сравнению с исходным материалом. Каждая точка является средним арифметическим из измерений девяти образцов, испытываемых на горючесть, дымо-образование и тепловыделение. Влагосодержание образцов зависело от формы и размеров, однако воздействие этих факторов в данных условиях эксперимента было незначительным по сравнению с влиянием вида полимерной матрицы и условий экспонирования.
Рис. 1. Изменение массы (влагосодержания) образцов стеклопластиков на различных полимерных матрицах при экспозиции в климатических камерах
2,От
о я
ч
8 1,5
□ Исходный образец
□ Тепловой ресурс
■ Тепло + влага/холод (влажн.)
□ Тропическая камера (влажн.) ш Тепло + влага/холод (высуш.)
□ Тропическая камера (высуш.)
Полиэфирное Эпоксидное Эпоксидное Фенольное
связующее связующее связующее связующее
холодного горячего
отверждения отверждения
Рис. 2. Относительное изменение горючести высушенных образцов стеклопластиков на различных полимерных матрицах после тепловлажностных воздействий
За выбранный период (90 сут) образцы практически достигли предельного влагонасыщения в заданных условиях экспозиции. При экспозиции в стационарных условиях (камера — тепло + влага), по сравнению с тропической камерой, хотя образцы подвергались воздействию воздуха с большей абсолютной влажностью, влагосодержание образцов было существенно меньше. Это объясняется наличием в комплексном режиме испытания экспозиции при экстремально низкой температуре, что приводит к некоторому высушиванию образцов. Наиболее значительно это отличие для стеклопластика на эпоксидном связующем холодного отверждения, что может быть объяснено активным взаимодействием воды и эпоксидной матрицы [31].
На диаграммах (рис. 2-4) приведено сопоставление изменения относительных характеристик пожарной опасности по показателям горючести, оптической плотности дыма и тепловыделения после воздействия тепловлажностных факторов климата. Там же для сравнения приведены данные по характеристикам пожаробезопасности, полученным для исследованных образцов после теплового старения [23].
Сопоставление влияния тепловлажностных факторов климата на характеристики горючести представлено на рис. 2. Образцы стеклопластиков на полиэфирном связующем и эпоксидном связующем холодного отверждения при испытаниях на горючесть распространяли пламя по всей поверхности как в исходном состоянии, так и после климатических испытаний. Поэтому сопоставление изменения характеристики горючести проводили по параметру остаточного самостоятельного горения образца после его экспозиции над пламенем газовой горелки. Образцы стеклопластиков на эпоксидном связу-
ющем горячего отверждения и фенольном связующем как в исходном состоянии, так и после климатических испытаний не имели остаточного горения, поэтому оценка влияния факторов климата на характеристику горючести проводилась по показателю длины прогорания образца после регламентированного воздействия пламени.
Вследствие воздействия тепловлажностных факторов у образцов ПКМ на основе полиэфирной смолы и эпоксидной смолы холодного отверждения изменялась продолжительность остаточного горения. Так, у образцов ПКМ на основе эпоксидного связующего холодного отверждения после воздействия факторов климата существенно снижалась продолжительность остаточного горения. Значимого различия между разными видами климатических испытаний на характеристики горючести не выявлено: продолжительность остаточного горения увлажненных образцов, образцов после теплового старения и высушенных образцов после тепловлажностных испытаний имеет различия, сопоставимые с разбросом данных, наблюдаемым при испытаниях параллельных образцов.
У образцов ПКМ на основе полиэфирного связующего после воздействия тепловлажностных факторов по сравнению с тепловым старением наблюдается незначительное снижение продолжительности остаточного горения. Сушка образцов после тепловлажностного старения приводит к существенному сокращению продолжительности остаточного горения. Трактовка этого факта с точки зрения изменения пожаробезопасности материала может быть неоднозначной, так как во всех случаях происходит прогорание образца материала по всей длине.
У стеклопластика на эпоксидном связующем горячего отверждения изменения пожаробезопасно-сти по характеристикам горючести после воздействия климатических факторов практически не происходит: продолжительность остаточного горения для всех испытанных образцов составляет 0 с, длина прогорания меняется незначительно. Наибольшее изменение длины прогорания по сравнению с исходным материалом зафиксировано у образцов, высушенных после тропической камеры: длина прогорания в среднем уменьшилась на 40 мм и составила около 63 % от исходной.
У стеклопластика на фенольном связующем после воздействия тепловлажностных факторов характеристики горючести практически не изменились. Однако у высушенных образцов после тепловлаж-ностного воздействия длина прогорания возросла в 2 раза (на 12-15 мм).
Таким образом, длительное тепловлажностное воздействие может сказываться на характеристиках горючести стеклопластиков. В зависимости от типа
и
Е 2 К 2 § Я о «
я §
ц
^ о
I §
1,2] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 О
А.
А.
Режим горения
ш
А
А
оп
Режим пиролиза
и
Е 3 К 2 § Я о «
Я §
ц
^ о
I §
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
В
'2 А "тах
Режим горения
А,
В
А,
'2 ^4 —тах
Режим пиролиза
1 8 0,75 Ч о ч Е
н Ь 0,50
Режим горения
Режим шфолиза
Режим горения
Режим пиролиза
Рис. 3. Относительное изменение оптической плотности дыма образцов стеклопластиков на различных полимерных матрицах под воздействием факторов, имитирующих климатические и тепловые условия эксплуатации: а — на полиэфирном связующем; б — на эпоксидном связующем холодного отверждения; в — на эпоксидном связующем горячего отверждения; г — на фенольном связующем; ■ — исходные образцы; ■ — после теплового старения; — после тепловлажностного воздействия с наложением термоциклов; □ — после старения по режиму тропического климата
полимерной матрицы, вида воздействия и состояния образцов после испытаний характеристики горючести могут как оставаться практически постоянными, так и изменяться в большую или меньшую сторону
Данные по относительному изменению интенсивности оптической плотности дыма для образцов стеклопластиков приведены на рис. 3,а—г.
У образцов на основе наименее термостойких полимерных связующих, имеющих высокую дымообразующую способность (полиэфирное, эпоксидное холодного отверждения), по сравнению с исходным материалом зафиксировано существенное снижение оптической плотности дыма после теплового старения, особенно на начальном этапе термодеструкции (дымообразование за 2 и 4 мин В2 и В4), как в режиме пиролиза, так и в режиме горения. Совместное действие температуры и влажности при обоих выбранных режимах привело к увеличению дымо-образования по сравнению с образцами, подвергнутыми только тепловому старению, однако уровень исходного материала не был превышен.
У образцов стеклопластика на эпоксидном связующем горячего отверждения в режиме пиролиза
не зафиксировано значимого изменения дымообразующей способности, а в режиме горения дымообра-зование за 4 мин и максимально достигаемое в процессе испытания (^тах) превысили уровень исходного материала на 20-30 %.
Для стеклопластика на фенольном связующем установлено увеличение дымообразования по сравнению с образцами, предварительно подвергнутыми тепловому старению, причем в отдельных случаях дымообразование превышало и уровень, определенный для исходного материала.
Таким образом, у образцов стеклопластиков, подвергнутых испытаниям, происходило изменение дымообразующей способности под совместным действием факторов температуры и влажности. Показатели дымообразования для образцов стеклопластиков возрастали с повышением их влагосодержания, однако однозначной корреляционной зависимости между содержанием влаги в материале и относительным изменением показателей дымообразования установить не удалось.
Данные по изменению максимальной интенсивности и общего количества выделившегося при го-
5 В
£ щ
Я <Ц
I 3
1 I
к ш
I Й
>3 о
й о
В «
В и
¡1
В щ
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
□ Исходный образец
□ Тепловой ресурс
■ Тепло + влага/холод (вяажн.)
□ Тропическая камера (влажн.) н Тепло + влага/холод (высуш.) О Тропическая камера (высуш.)
Полиэфирное Эпоксидное Эпоксидное Фенольное
связующее связующее связующее связующее
холодного горячего
отверждения отверждения
2 5 □ Исходный образец □ Тепловой ресурс ■ Тепло + влага/холод (впажн.) 2,0 Н □ Тропическая камера (влажн.) 0 Тепло + влага/холод (высуш.) о Тропическая камера (высуш.)
£ Полиэфирное Эпоксидное Эпоксидное Фенольное
связующее связующее связующее связующее
холодного горячего
отверждения отверждения
Рис. 4. Относительное изменение тепловыделения при горении образцов стеклопластиков на различных полимерных матрицах под воздействием факторов, имитирующих климатические и тепловые условия эксплуатации: а — относительная максимальная интенсивность выделения тепла; б — относительное общее количество тепла, выделившегося за первые 2 мин испытания
рении тепла приведены на рис. 4,а и 4,б. В зависимости от типа полимерной матрицы наблюдается различное изменение характеристик тепловыделения вследствие воздействия тепловлажностных факторов.
У стеклопластика на полиэфирном связующем после теплового старения происходит некоторое снижение как максимальной интенсивности выделения тепла, так и общего количества тепла, выделившегося за первые 2 мин испытания. Видимо, это вызвано процессами доотверждения полимерной матрицы, протекающими под воздействием повышенной температуры. При совместном воздействии повышенной температуры и влажности (режим тропической камеры), несмотря на поглощение образцом влаги, изменения характеристик тепловыделения по сравнению с тепловым старением не происходило. Однако после высушивания образца зарегистрировано увеличение тепловыделения по сравнению с
образцами, подвергнутыми тепловому старению, и возврат характеристик к первоначальному уровню. Тепловыделение образцов, подвергнутых комбинированному воздействию тепловлажностных факторов (повышенная температура/влажность и термоциклы), примерно соответствовало тепловыделению образцов исходного материала.
Для стеклопластика на эпоксидном связующем холодного отверждения выбранные режимы старения по методам 1и2 практически не оказывали влияния на общее количество выделившегося тепла. Зафиксировано последовательное небольшое снижение максимальной интенсивности выделения тепла в ряду: исходные образцы — образцы после теплового старения — образцы после комбинированного воздействия тепловлажностных факторов с наложением термоциклов — образцы после тропической камеры. Таким образом, увеличение влагосодержа-ния образца закономерно приводило к снижению максимальной интенсивности выделения тепла. Для высушенных после тепловлажностного воздействия образцов наблюдался существенный рост максимальной интенсивности тепловыделения, причем тепловыделение сухих образцов было на 15-20 % выше по сравнению с исходным материалом.
Для образцов стеклопластика на эпоксидном связующем горячего отверждения влияние тепловлаж-ностного старения как по методу 1, так и по методу 2 на характеристики тепловыделения было незначительным.
Наиболее существенное влияние тепловлажно-стного воздействия на характеристики тепловыделения было зарегистрировано у стеклопластика на наиболее термостойком из испытанных связующем — фенольном. Тепловое старение при весьма умеренной температуре (120 °С) по сравнению с исходным материалом приводило к росту как максимальной интенсивности выделения тепла, так и общего количества тепла, выделившегося за первые 2 мин испытания. Совместное воздействие тепловлажно-стных факторов вызывало дальнейший рост тепловыделения, а у образцов, высушенных после воздействия влаги, отмечалось наиболее высокое тепловыделение. В результате испытаний было установлено, что высушенные после тепловлажностного старения образцы имели тепловыделение примерно в 2 раза выше по сравнению с исходным материалом. Это может быть вызвано наиболее интенсивным изменением химической структуры и развитием дефектности полимерной матрицы вследствие совместного воздействия тепловлажностных факторов.
Представляет интерес изучение влияния различных видов климатического старения на сводный (комплексный) индекс пожарной безопасности. В данной работе сводный индекс рассчитывался как геомет-
личные тенденции. Так, после воздействия различных видов климатических факторов пожарная опасность ПКМ на основе нетермостойких полимерных матриц (полиэфирной смолы и эпоксидной смолы холодного отверждения) снижается, а для наиболее пожаробезопасного материала на основе фенольной смолы — повышается.
Выводы
В результате исследований установлено существенное влияние тепловлажностного старения на характеристики пожарной опасности ПКМ. Величина и направление изменения свойств зависят от типа воздействия, вида полимерной матрицы и определяемой характеристики.
Исследованные образцы стеклопластиков в условиях тропической камеры по сравнению с экспозицией в тепловлажностной камере с наложением термоциклов имели более высокое влагопоглощение.
Наиболее чувствительными к воздействию факторов тепла и влаги оказались характеристики ды-мообразования и тепловыделения.
Из испытанных видов стеклопластиков наибольшую чувствительность к факторам климата показали ПКМ на фенольной матрице (по горючести, дымо-образованию и тепловыделению) и ПКМ на эпоксидной смоле горячего отверждения (по дымообра-зованию).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е. Н. Химия в авиационном материаловедении // Российский химический журнал. — 2010. — T. LIV, № 1. — С. 3-4.
2. Mishra G., Mohapatra S. R., BeheraP. R., DashB., Mohanty U. K., RayB. C. Environmental stability of GFRP laminated composites: an emphasis on mechanical behaviour // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. — 2010. — Vol. 82, No. 4. — P. 258-266.
3. Ефимов В. А., Шведкова А. К., Коренькова Т. Г., Кириллов В. Н. Исследование полимерных конструкционных материалов при воздействии климатических факторов и нагрузок в лабораторных и натурных условиях // Труды ВИАМ. — 2013. — № 1. — С. 37-44. URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=5 (дата обращения: 15.01.2014 г.).
4. Кириллов В. Н., Ефимов В. А., Шведкова А. К., Николаев Е. В. Исследование влияния климатических факторов и механического нагружения на структуру и механические свойства ПКМ // Авиационные материалы и технологии. — 2011. — № 4. — С. 41-45.
5. Каблов Е. Н., Кириллов В. Н., ЖирновА. Д., Старцев О. В., Вапиров Ю. М. Центры для климатических испытаний авиационных ПКМ// Авиационная промышленность. — 2009. —№4. — С. 36-46.
6. Авиационные правила. Глава 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории : утв. приказом Минтранса РФ от05.07.94 г. № 48/МАК. — 3-е изд. —М. : ОАО Авиаиздат, 2009. —274 с.
7. Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № S. — С. 7-17.
8. Барботько С. Л., Нагаев А. С. К вопросу об обеспечении пожарной безопасности внешнего контура самолетов // Сб. докладов VIII науч. конф. по гидроавиации "Гидроавиасалон-2010". —М. : ЦАГИ, 2010. — Ч. II. — С. 107-110.
9. Барботько С. Л., Шуркова Е. Н. О пожарной безопасности материалов, используемых для изготовления внешнего контура самолетов // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 10. — С. 19-24.
□ Исходный образец ■ Тепловой ресурс Тепло + влага/хсшод Тропическая камера
Полиэфирное Эпоксидное Эпоксидное Фенольное связующее связующее связующее связующее холодного горячего отверждения отверждения
Рис. 5. Гистограмма сводного индекса пожарной опасности стеклопластиков на основе различных полимерных матриц под влиянием различных видов ускоренного климатического старения
рическая сумма индивидуальных индексов пожарной опасности, определяемых согласно [32]. На рис. 5 приведена гистограмма изменения индекса в зависимости от видов воздействия на образцы. При расчете индекса учитывались данные, полученные при наихудшем варианте: по дымообразованию — для увлажненных образцов, а по горючести и тепловыделению — для высушенных.
Комплексная оценка пожаробезопасности, рассчитанная как сводный индекс пожарной опасности, показала, что характер изменения пожарной опасности материалов в зависимости от вида воздействия и типа полимерной матрицы может иметь раз-
10. Барботько С. Л., Шуркова Е. Н., Вольный О. С., Скрылёв Н. С. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов для внешнего контура авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. — 2013. — № 1. — С. 56-59.
11. Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Горение древесины и ее пожароопасные свойства. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2010. — 262 с.
12. Асеева Р. М., Барботько С. Л., Серков Б. Б., Сивенков А. Б., Дегтярев Р. В., Тарасов Н. И.Влияние времени эксплуатации древесины на ее пожароопасные свойства // Энциклопедия инженера-химика. — 2010. — № 3. — С. 27-33.
13. The impact of thermal aging on the flammability of electric cables. Prepared by S. P. Nowlen // NUREG/CR-5619 SAND90-2121 Sandia National Laboratories, 1991. — 44 p. URL : http://pba-dupws.nrc.gov/docs/ML0625/ML062510133.pdf (дата обращения: 14.11.2013 г.).
14. Горение, деструкция и стабилизация полимеров / Под ред. Г. Е. Заикова. — СПб.: Научные основы и технологии, 2008. — 422 с.
15. CloughR. L. Aging effects on fire-retardant additives in polymers // Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition. — 1983. — Vol. 21. — P. 767-780.
16. Крашенинникова М. В. Огнезащитные вспучивающиеся покрытия для строительных конструкций и материалов. Специфика норм контроля // Стандарты и качество.—2007.—№ 12. — С. 78.
17. Баженов С. В., Наумов Ю. В. Определение срока службы огнезащитных покрытий по результатам натурных и ускоренных климатических испытаний // Пожарная безопасность. — 2005. — № 6. — С. 59-67.
18. Крашенинникова М. В., Еремина Т. Ю., Дмитриева Ю.Н., Семенов Д. С. Контроль качества огнезащитных покрытий и прогнозирование сохранения огнезащитной эффективности в процессе их эксплуатации // Реконструкция Санкт-Петербурга 2003 : Межд. науч.-практ. конф. — СПб.: СПбГАСУ, 2002. — С. 42-43. URL : http://www.stopfire.ru/en/content/438/743 (дата обращения: 14.11.2013 г.).
19. Бибихина Т. Ю., Демехин В. Н. Об испытании новых огнезащитных покрытий на долговечность // Проблемы пожарной безопасности : сб. науч. тр. — СПб. : СПбВПТШ МВД РФ, 1992. — С. 49-52. URL : http://www.stopfire.ru/en/content/438/652 (дата обращения: 14.11.2013 г.).
20. Баженов С. В. Прогнозирование срока службы огнезащитных покрытий. Проблемы и пути решения // Пожарная безопасность. — 2005. — № 5. — С. 97-102.
21. Tian W., Hodgkin J. Long-term aging in a commercial aerospace composite sample: Chemical and physical changes // Journal of Applied Polymer Science. — 2010. — Vol. 115. — Р. 2981-2985.
22. Скрылёв Н. С., Вольный О. С., Постнов В. И., Барботько С. Л. Исследование влияния тепловых факторов климата на изменение характеристик пожаробезопасности полимерных композици-онныхматериалов//ТрудыВИАМ. —2013. —№9. —С. 23-28. URL : http://viam-works.ru/ru/ articles?art_id=248 (дата обращения: 15.01.2014 г.).
23. Барботько С. Л., Барботько М. С., Вольный О. С., Постнов В. И. Влияние длительного теплового воздействия на пожаробезопасность полимерных материалов // Пожаровзрывобезопасность. — 2014.—Т. 23, № 1. —С. 12-20.
24. ГОСТ 9.707-81. Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение. — Введ. 01.01.83 г. — М. : Изд-во стандартов, 1990. — 80 с.
25. Барботько С. Л., ШвецН. И., Застрогина О. Б., Изотова Т. Ф. Исследование влияния толщины стеклопластиков на характеристики тепловыделения при горении // Пожаровзрывобезопас-ность. — 2013. — Т. 22, № 7. — С. 30-36.
26. Барботько С. Л., Изотова Т. Ф. Влияние структуры стеклопластика на тепловыделение при горении // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 9. — С. 17-21.
27. Шуркова Е. Н., Вольный О. С., Изотова Т. Ф., Барботько С. Л. Исследование возможности снижения тепловыделения при горении композиционного материала путем изменения его структуры // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № 1. — С. 27-30.
28. Барботько С. Л. Пути обеспечения пожарной безопасности авиационных материалов // Российский химический журнал. — 2010. — Т. LIV, № 1. — С. 121-126.
29. Барботько С. Л. Пожарная безопасность, климатические и микробиологические исследования материалов // Сборник докладов Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов "ТестМат-2012" / Под рук. А. Н. Луценко. — М., 2012. — С. 9.
30. Барботько С. Л. Пожаробезопасность авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. —2012. — № S. — С. 431-439.
31. Старцев О. В., Прокопенко К. О., Литвинов А. А., Кротов А. С.,АниховскаяЛ.И.,ДементьеваЛ.А. Исследование тепловлажностного старения авиационного стеклопластика // Клеи. Герметики. Технологии. — 2009. — № 8. — С. 18-22.
32. Барботько С. Л., Голиков Н. И. О комплексной оценке пожарной опасности материалов // По-жаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 6. — С. 16-24.
Материал поступил в редакцию 28 января 2014 г.
RESEARCH OF JOINT LONG-TIME IMPACTS OF TEMPERATURE AND HUMIDITY ON FIRE SAFETY OF GLASS REINFORCED POLYMERS
BARBOTKO S. L., Candidate of Technical Sciences, Head of Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials", State Research Center of the Russian Federation (Radio St., 17, Moscow, 105005, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
BARBOTKO M. S., Engineer of 1st Category of Open Society Research-and-Production Association "Energomash" named after Academician V. P. Glushko (Burdenko St., 1, Khimki, 141401, Moscow Region, Russian Federation)
VOLNYY O. S., Leading Engineer of Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials", State Research Center of the Russian Federation (Radio St., 17, Moscow, 105005, Russian Federation)
SHVEDKOVA A. K., Leading Engineer of Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials", State Research Center of the Russian Federation (Radio St., 17, Moscow, 105005, Russian Federation)
: English
ABSTRACT
The most modern high-tech products are designed for long time service life. During the operation of the product it affect various climatic factors, resulting in properties of the used materials can vary significantly. These changes may relate to the fire hazard characteristics of materials, which in turn affects the fire safety products and survival of people in case of emergency related to the presence of fire.
With the use of laboratory test methods to study the effect climate stability long-term (up to 90 days) the joint effects of factors of temperature and humidity on the change in the characteristics of fire danger on the glass-reinforced materials with polymer matrices of different chemical nature. Studies of the climate resilience are conducted on two modes: 1) simulation of the daily temperature and humidity in tropical climates; 2) exposure in chamber at increased temperature and humidity with the imposition of periodic thermal cycles (the impact of negative temperatures). The results obtained are compared with the characteristics of the starting materials and materials subjected to thermal aging only.
It is shown that after prolonged exposure to the joint elevated temperature and humidity depending on the chemical nature of the polymer matrix the characteristics of flammability, heat release and smoke generation of the materials can significantly change. Depending of the polymer matrix the changes in the characteristics can take place as in smaller and bigger side.
Keywords: fibreglass; polymeric composite material; fire safety; flammability; smoke density; heat release; heat-humidity aging; climatic aging.
REFERENCES
1. Kablov E. N. Khimiya v aviatsionnom materialovedenii [Chemistry in aviation materials science]. Ros-siyskiy khimicheskiy zhurnal — Russian Chemical Journal, 2010, vol. LIV, no. 1, pp. 3-4.
2. MishraG., Mohapatra S. R., BeheraP. R., DashB., MohantyU. K., Ray B. C. Environmental stability of GFRP laminated composites: an emphasis on mechanical behavior. Aircraft Engeneering and Aerospace Technology, 2010, vol. 82, no. 4, pp. 258-266.
3. Efimov V. A., Shvedkova A. K., KorenkovaT. G., Kirillov V. N. Issledovaniye polimernykh konstruk-tsionnykh materialov pri vozdeystvii klimaticheskikh faktorov i nagruzok v laboratornykh i naturnykh usloviyakh [Investigation of polymeric structural materials under the influence of climatic factors and stress in laboratory and field conditions]. Trudy VIAM—Proceedings of.All-Russian Science-Research Institute of Aviation Materials, 2013, no. 1, pp. 37-44. Available at: http://viam-works.ru/ru/artic-les?art_id=5 (Accessed 15 January 2014).
4. Kirillov V. N., Efimov V. A., Shvedkova A. K., Nikolaev E. V. Issledovaniye vliyaniya klimaticheskikh faktorov i mekhanicheskogo nagruzheniya na strukturu i mekhanicheskiye svoystva PKM [Investigation of the influence of climatic factors and mechanical loading on the structure and mechanical properties of the PCM]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology,
2011, no. 4, pp. 41-45.
5. Kablov E. N., Kirillov V. N., Zhirnov A. D., Startsev O. V., Vapirov Yu. M. Tsentry dlya klimaticheskikh ispytaniy aviatsionnykh PKM [Centers for climatic test aircraft PCM]. Aviatsionnayapromysh-lennost — Aviation Industry, 2009, no. 4, pp. 36-46.
6. Aviation rules. Chapter 25. Airworthiness norms of a transport category airplanes. Interstate Aviation Committee. Ed. 3 with amendments 1-6. Moscow, Aviaizdat, 2009. 274 p. (in Russian).
7. Kablov E. N. Strategicheskiye napravleniya pazvitiya materialov i tekhnologiy ikh pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology,
2012, no. S, pp. 7-17.
8. Barbotko S. L., Nagaev A. S. K voprosu ob obespechenii pozharnoy bezopasnosti vneshnego kontura samoletov [On the fire safety of the external contour planes]. Reports of VIII Scientific Conf. of Hydroaviation "Gidroaviasalon 2010". Moscow, TsAGI Publ., 2010, part II, pp. 107-110.
9. Barbotko S. L., Shurkova E. N. O pozharnoy bezopasnosti materialov, ispolzuyemykh dlya izgotovle-niya vneshnego kontura samoletov [About fire safety of the materials used for manufacturing of an external contour of aircrafts]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 10, pp. 19-24.
10. Barbotko S. L., Shurkova E. N., VolnyyO. S., SkrylevN. S. Otsenka pozharnoy bezopasnosti polimer-nykh kompozitsionnykh materialov dlya vneshnego kontura aviatsionnoy tekhniki [Estimation of fire safety of polymeric composite materials for an external contour of aviation technics]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2013, no. 1, pp. 56-59.
11. AseevaR. M., Serkov B. B., Sivenkov A. B. Goreniye drevesiny iyeyepozharoopasnyye svoystva [Burning of wood and its fire-dangerous properties]. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2010. 262 p.
12. Aseeva R. M., Barbotko S. L., Serkov B. B., Sivenkov A. B., Degtyarev R. V., Tarasov N. I. Vliyaniye vremeni ekspluatatsii drevesiny na yeye pozharoopasnyye svoystva [Effect of operating time wood on its fire behavior]. Entsiklopediya inzhenera-khimika — Encyclopedia of Chemical Engineering, 2010, no. 3, pp. 27-33.
13. The impact of thermal aging on the flammability of electric cables. Prepared by S. P. Nowlen. NUREG/CR-5619 SAND90-2121 SandiaNational Laboratories, 1991. 44 p. Available at: http://pba-dupws.nrc.gov/docs/ML0625/ML062510133.pdf (Accessed 14 November 2013).
14. Zaikov G. E. (ed.) Goreniye, destruktsiya istabilizatsiyapolimerov [Burning, destruction and stabilization of polymers]. Saint Petersburg, Fundamentals and Technologies Publ., 2008. 422 p.
15. Clough R. L. Aging effects on fire-retardant additives in polymers. Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition, 1983, vol. 21, pp. 767-780.
16. Krasheninnikova M. V. Ognezashchitnyye vspuchivayushchiyesya pokrytiya dlya stroitelnykh konst-ruktsiy i materialov. Spetsifika norm kontrolya [Fire retardant intumescent coatings for building structures and materials. Specificity control norms]. Standarty i kachestvo — Standards and Quality, 2007, no. 12, p. 78.
17. Bazhenov S. V., Naumov Yu. V. Opredeleniye sroka sluzhbyognezashchitnykhpokrytiypo rezultatam naturnykh i uskorennykh klimaticheskikh ispytaniy [Determine the remaining life of flame retardants on the results of field and accelerated climatic testing]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2005, no. 6, pp. 59-67.
n0^AP0B3PNB00nACH0CTb BE^ECTB M MATEPMAA0B_
18. Krasheninnikova M. V., Yeremina T. Yu., Dmitrieva Yu. N., Semenov D. S. Kontrol kachestva ogne-zashchitnykh pokrytiy i prognozirovaniye sokhraneniya ognezashchitnoy effektivnosti v protsesse ikh ekspluatatsii [Quality control of flame retardants and flame retardant efficiency forecasting save during their operation]. Rekonstruktsiya Sankt-Peterburga 2003. Mezhd. nauch.-prakt. konf. [Reconstruction of St. Petersburg 2003. International Scientific and Practical Conference]. Saint Petersburg, SPbGASU Publ., 2002, pp. 42-43. Available at: http://www.stopfire.ru/en/content/438/743 (Accessed 14 November 2013).
19. Bibikhina T. Yu., Demekhin V. N. Ob ispytanii novykh ognezashchitnykh pokrytiy na dolgovechnost [The testing of new flame retardants on the durability]. Problemy pozharnoy bezopasnosti: sb. na-uch. tr. [The problem of fire safety. Scientific proceeding]. Saint Petersburg, Saint Petersburg Higher Fire and Technical School of Ministry of the Interior of Russia Publ., 1992, pp. 49-52. Available at: http://www.stopfire.ru/en/content/438/652 (Accessed 14 November 2013).
20. Bazhenov S. V. Prognozirovaniye srokasluzhby ognezashchitnykh pokrytiy. Problemy i puti resheniya [Prediction of life of flame retardants. Problems and solutions]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2005, no. 5, pp. 97-102.
21. Tian W., Hodgkin J. Long-term aging in a commercial aerospace composite sample: Chemical and physical changes. Journal of Applied Polymer Science, 2010, vol. 115, pp. 2981-2985.
22. Skrylev N. S., Volnyy O. S., Postnov V. I., Barbotko S. L. Issledovaniye vliyaniya teplovykh faktorov klimata na izmeneniye kharakteristik pozharobezopasnosti polimernykh kompozitsionnykh materialov [Investigation of the influence of thermal factors of climate on changes in the characteristics of fire polymer composites]. Trudy VIAM — Procedings of All-Russian Science-Research Institute of Aviation Materials, 2013, no. 9, pp. 23-28. Available at: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=248 (Accessed 15 January 2014).
23. Barbotko S. L., Barbotko M. S., Volnyy O. S., Postnov V. I. Vliyaniye dlitelnogo teplovogo vozdey-stviya na pozharobezopasnost polimernykh materialov [Influence of long-term thermal exposure on the fire safety of polymeric materials]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 1, pp. 12-20.
24. State Standard 9.707-81. Unified system of corrosion and aging protection. Polymeric materials. Methods of accelerated climatic aging tests. Moscow, Izdatelstvo standartov, 1990. 80 p. (in Russian).
25. Barbotko S. L., ShvetsN. I., ZastroginaO. B., IzotovaT. F. Issledovaniye vliyaniya tolshchiny na kha-rakteristiki teplovydeleniya pri gorenii [The influence of fibreglasses thickness on heat release characteristics at burning]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 7, pp. 30-36.
26. Barbotko S. L., Izotova T. F. Vliyaniye struktury stekloplastika na teplovydeleniye pri gorenii [Influence of fibreglasses structure on heat release at burning]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 9, pp. 17-21.
27. Shurkova E. N., Volnyy O. S., Izotova T. F., Barbotko S. L. Issledovaniye vozmozhnosti snizheniya teplovydeleniya pri gorenii kompozitsionnogo materiala putem izmeneniya yego struktury [Research of an opportunity to reduction the heat release at burning for polymer composite material due to a changing of its structure]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. 1, pp. 27-30.
28. Barbotko S. L. Puti obespecheniya pozharnoy bezopasnosti aviatsionnykh materialov [Ways of ensuring fire safety of aviation materials]. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal — Russian Chemical Journal, 2010, vol. LIV, no. 1, pp. 121-126.
29. Barbotko S. L. Pozharnaya bezopasnost, klimaticheskiye i mikrobiologicheskiye issledovaniya materialov [Fire safety, climatic and microbiological researching of materials]. Sbornik dokladov Vseros-siyskoy konferentsii po ispytaniyam i issledovaniyam materialov "TestMat-2012" [Proceedings of All-Russian Conference on Testing and Research Material Properties "TestMat 2012"]. Under the hands A. N. Lutsenko. Moscow, 2012.
30. Barbotko S. L. Pozharobezopasnost aviatsionnykh materialov [Fire safety of aviation materials]. Avia-tsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. S, pp. 431-439.
31. Startsev O. V., Prokopenko K. O., Litvinov A. A., Krotov A. S., AnikhovskayaL. I., DementyevaL. A. Issledovaniye teplovlazhnostnogo stareniya aviatsionnogo stekloplastika [Study of heat and humidity aging aircraft fiberglass]. Klei. Germetiki. Tekhnologii — Adhesives. Sealants. Technology, 2009, no. 8, pp. 18-22.
32. Barbotko S. L., GolikovN. I. Okompleksnoyotsenkepozarnoyopasnosti materialov [About a complex estimation of fire danger of materials]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 6, pp. 16-24.
