CC BY
315
УДК 667.64
Л.В. Семенова1, Н.И. Нефедов2, М.В. Белова2, А.Б. Лаптев2
СИСТЕМЫ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ВЕРТОЛЕТНОЙ ТЕХНИКИ
DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-56-61
Проведены исследования по повышению атмосферостойкости систем покрытий с эпоксидно-полиамидными эмалями, в том числе при их ремонте и перекраске без удаления старого покрытия. Исследовано влияние светостабилизаторов, которые либо поглощают УФ излучение определенной части спектра, либо предотвращают окислительную деструкцию в покрытии на основе эмали ЭП-140.
По результатам проведенных исследований разработаны защитные системы лакокрасочных покрытий (ЛКП), включающие грунтовки и эмали ВЭ-46 для вертолетов, устойчивые к воздействию атмосферных факторов и обливу агрессивными жидкостями.
Разработанные системы покрытий с эмалями ВЭ-46 и КО-5189 обладают повышенной термостойкостью при температурах до 350°С и высокой стойкостью к синтетическим и минеральным маслам, авиационному топливу и бензину.
Ключевые слова: лакокрасочные покрытия, коррозия, вертолеты, технология ремонта, полимерные композиционные материалы.
The present paper describes the results of study on increase of weather resistance of systems coatings with epoxy-polyamide enamels, including their repair and repainting without removal of an old coating. The influence of light stabilizers, which either absorb UV-radiation from a certain part of the spectrum, or prevent oxidative degradation in the coating based on enamel EP-140 is studied.
According to the results of the research, protective systems of paint coatings have been developed, including primers and enamels VE-46 for helicopters, resistant to weathering and pouring aggressive liquids.
The developed coating systems with enamels VE-46 and KO-5189 have increased thermal stability at temperatures up to 350°C and high resistance to synthetic and mineral oils, aviation fuel and gasoline.
Keywords: paint coatings, corrosion, helicopters, repair technology, polymer composite materials.
■'Общество с ограниченной ответственностью «Авиационное оборудование и материалы» [Limited Liability corporation «Aviation equipment and materials»]; e-mail: aviom@aviom.ru
^Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru
Введение
В настоящее время в Российской Федерации предприятиями-изготовителями изделий авиационной техники (АТ) установлены сроки ее эксплуатации до 40 лет [1]. Для поддержания летной годности воздушных судов при серийном производстве, капитальном ремонте и техническом обслуживании должны предъявляться повышенные требования к соблюдению технологий, предусмотренных конструкторской документацией [2].
Опыт эксплуатации самолетов и вертолетов показал, что главным фактором в обеспечении надежности является защита конструкций от коррозии при проведении плановых ремонтов, поскольку состояние конструкции при ремонте существенно отличается от состояния изделий при изготовлении [3].
Огромная территория России и недостаточно развитая сеть наземных коммуникаций всегда диктовали необходимость первоочередного развития воздушного сообщения. Наряду с железнодо-
рожным, водным и автомобильным транспортом в России развивалась и гражданская авиация - как необходимое и важное звено единой транспортной системы страны [4].
Одной из задач для России является создание и применение винтокрылых летательных аппаратов, однако проблема создания вертолетов оказалась настолько сложной, что, несмотря на обилие опытных конструкций, долгое время на пути к применению вертолетов и эффективной их эксплуатации возникали большие технические трудности [5].
Наиболее известные КБ создали целый спектр конструкций вертолетов, сочетающих металлические конструкции и конструкции из полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Так, многоцелевой вертолет Ка-226 выпускается в нескольких модификациях и предназначен для перевозки шести-восьми человек либо 1350 кг груза, включая размещенный груз на внешней подвеске (см. рисунок).
Внешний вид вертолета, окрашенного системами лакокрасочных покрытий
Основной принципиальной особенностью компоновки вертолета считается модульность конструкции. Данное техническое решение обеспечивает быстрое переоснащение машины для решения тех или иных конкретных задач. Его называют универсальным «летающим шасси» для перевозки практически любых видов грузов в различных условиях эксплуатации.
Как и все машины АО «ОКБ Камов», вертолет Ка-226 изготовлен по соосной схеме и имеет два трехлопастных винта. Лопасти изготовлены из ПКМ и позволяют значительно увеличить тягу. Планер машины изготавливается из алюминиевых сплавов с применением сотовых панелей. Центральный силовой отсек фюзеляжа используется для крепления к нему двух хвостовых балок, изготовленных из углепластика.
Таким образом, можно констатировать, что конструкция современного вертолета сложна, состоит из разнородных материалов, и поэтому требует разработки комплексных систем полимерных защитных покрытий как для защиты от коррозии алюминиевых сплавов, так и для защиты ПКМ (углепластиков, органопластиков, стеклопластиков) и их соединений от воздействия внешних факторов [6].
Выбор системы лакокрасочного покрытия (ЛКП) для ПКМ необходимо проводить с учетом конструктивной особенности и условий эксплуатации изделий и конструкций. Надежность, долговечность и декоративный вид покрытия определяются целым рядом факторов: свойствами лакокрасочного материала, схемой построения системы защитного покрытия, условиями и режимом формирования каждого слоя. Каждый фактор в отдельности и все они вместе играют важную роль в процессе получения качественного покрытия.
Условия эксплуатации изделий АТ, изготовленных из ПКМ, могут быть очень разнообразны, поэтому и защитные системы ЛКП должны обеспечивать работоспособность и внешний вид изделий в условиях повышенной влажности, воздействия температуры и УФ излучения, а для этого
они должны обладать специальными характеристиками (оптическими, эрозионной стойкостью, пожаробезопасностью, стойкостью к агрессивным жидкостям и др.).
Специфика полимерных покрытий в отличие от других полимерных материалов состоит в том, что они представляют собой сравнительно тонкие полимерные пленки с хорошей адгезией к различным подложкам.
Проблема создания защитных систем ЛКП для вертолетов связана с тем, что используемые синтетические масла (типа Б-3В) обладают высокой агрессивностью, поэтому для защиты от коррозии в вертолетной технике широкое применение нашли устойчивые к обливу агрессивными жидкостями системы ЛКП с эпоксидно-полиамидными эмалями типа ЭП-140 холодной сушки. Существенным недостатком этих покрытий является их невысокая атмосферостойкость, особенно проявляющаяся при эксплуатации техники в районах с повышенной солнечной радиацией и теплым морским климатом [7].
Так, уже через 0,5-1 год эксплуатации отмечается до 80% потери блеска покрытия от исходного и интенсивное меление. При этом за счет меле-ния и выветривания за 5 лет разрушение покрытия достигает 20 мкм по толщине, а за 7-8 лет эксплуатации - до 30-40 мкм, т. е. происходит практически полное разрушение одного слоя. При этом восстановить блеск покрытия путем промывки практически не удается [8].
Старение покрытий происходит главным образом за счет окисления под влиянием кислорода воздуха, однако этот процесс усиливается при воздействии света, тепла и воды. Именно поэтому старение покрытий в атмосферных условиях протекает во много раз интенсивнее, чем в помещении. Стойкость к окислению зависит от наличия в пленкообразователе легкоокисляющихся групп. При окислении протекают два конкурирующих процесса: с одной стороны, присоединение кислорода с образованием пероксидов и гидроперокси-дов, приводящее к увеличению массы пленки, с
другой - удаление продуктов деструкции и, соответственно, уменьшение массы пленки. При этом первый процесс в основном преобладает на начальной стадии пленкообразования и старения, второй - при эксплуатации [9].
На окислительную деструкцию пленкообразующего сильное влияние оказывают другие компоненты - сиккативы, наполнители, модификаторы и пигменты. Сиккативы, уменьшая начальный период отверждения покрытия, могут ускорять процесс старения. Некоторые пигменты также способны ускорять старение. При ультрафиолетовом облучении (УФ лучи - это коротковолновая составляющая солнечного света) в результате поглощения квантов энергии происходят разрыв химических связей и деструкция молекул полимера [9]. При повышенных температурах происходит разрыв химических связей в молекулах полимеров, т. е. протекает термическая деструкция.
При старении из пленки постепенно удаляются остатки растворителя, не связанные с полимером, пластификаторы, низкомолекулярные продукты, повышающие эластичность пленки, и пленка, приобретая повышенные прочность, твердость и хрупкость, одновременно теряет эластичность. В процессе старения в покрытии возрастают внутренние напряжения, обусловленные изменениями структуры полимера, усадочными явлениями и другими факторами.
В зависимости от соотношения сил адгезии, прочности пленки и внутренних напряжений разрушение может протекать по различным механизмам. Так, в случае плохой адгезии и больших внутренних напряжений может происходить отслаивание покрытия от подложки; если пленка имеет высокую прочность, то может происходить полное отслоение покрытия без его растрескивания [9].
В том случае, когда величина внутренних напряжений больше прочности пленки, происходит ее растрескивание, а если величина напряжений больше и сил адгезии, то растрескавшееся покрытие отслаивается от подложки. При сохранении хорошей адгезии после растрескивания отслоения пленки от подложки может и не произойти.
Кардинальным решением проблемы является применение для окраски вертолетов полиурета-новых материалов. Покрытия на основе поли-уретановых эмалей нашли широкое применение для защиты изделий АТ. Полиуретановые материалы, как правило, получают из простых алифатических полиэфиров, отверждаемых поли-изоцианатбиуретом, который содержит алифатический гексаметилендиизоцианат. Квантовый выход у полиуретановых эмалей, который оценивали по изменению цвета и блеска, приблизительно в 2 раза меньше, чем у акриловых, что обуславливает их высокую атмосферостойкость по сравнению с другими лакокрасочными материалами. Атмосферостойкость таких покрытий
оценивается на уровне 5-9 лет. Однако применение полиуретановых эмалей для окраски вертолетов было затруднено в связи с отсутствием в Российской Федерации отечественной сырьевой базы.
Во ФГУП «ВИАМ» проведены исследования возможных путей повышения атмосферостойко-сти систем покрытий с эпоксидно-полиамидными эмалями как на вновь изготавливаемых, так и на уже эксплуатирующихся летательных аппаратах при их ремонте и перекраске без удаления старого покрытия [10].
Один из таких путей - введение в верхние слои системы покрытия с эмалью ЭП-140 специально подобранных светостабилизаторов (УФ абсорбентов), которые либо поглощают УФ лучи определенной части спектра, либо предотвращают окислительную деструкцию в покрытии.
В промышленности используют два метода стабилизации:
- конкурентную УФ абсорбцию при помощи УФ абсорбентов в диапазоне длин волн 290-350 нм;
- улавливание радикалов, образующихся во время разрушения полимера, при помощи поглотителей радикалов - замещенных аминных светоста-билизаторов.
Действие всех УФ абсорбентов протекает согласно закону Бугера-Ламберта-Бера и абсорбирующим свойствам УФ абсорбента. Чем дальше граница абсорбции простирается в область УФ диапазона, тем в большей степени может отфильтровываться УФ излучение. Поглощение УФ излучения происходит путем перехода фотона молекулы абсорбента в возбужденное состояние, с обратным переходом с выделением тепла или свечением (люминесценцией). При этом могут происходить и изомерные превращения, к которым относится таутомерия. Закон Бугера-Ламберта-Бера связывает интенсивность пропущенного света I, падающего света 10 с толщиной среды d и коэффициентом поглощения, т. е. 1=10^ [11].
Этот закон хорошо объясняет действие УФ абсорбентов, т. е. действие светостабилизатора зависит не только от конфигурации и поглощающей способности, но и от толщины лакокрасочного покрытия [11].
Фотохимическая стабильность важна так же, как термическая стабильность и стабильность к действию воды или органических растворителей. Спектры отражения в УФ области спектра могут быть использованы для установления эффективности использования УФ абсорбентов даже после нескольких лет воздействия внешних условий [11].
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 17.7. «Лакокрасочные материалы и покрытия на полимерной основе» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [12].
Материалы и методы
Отсутствие информации о применении свето-стабилизаторов для повышения атмосферостойко-сти эпоксидных покрытий вызвало потребность исследования эффективности применения разного типа светостабилизаторов, в том числе производных бензофенона, бензотриазола, триацетамина, эфиров салициловой кислоты и др.
Ускоренное старение ЛКП проведено на установке «Ксенотест-1200». В результате установлено, что введение светостабилизаторов в эпоксидно-полиамидную эмаль ЭП-140 оказывает влияние на сохранение блеска покрытия только в начальный период экспозиции - до 500 ч [13].
Естественное климатическое старение систем ЛКП проводили в соответствии с ГОСТ 9.909-86, блеск покрытий определяли по фотоблескомеру ФБ-2 под углом 45 град в соответствии с ГОСТ 896-69.
Результаты
Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.
Анализ результатов показал, что при ускоренном старении с помощью установки «Ксенотест-1200», введение светостабилизаторов в эпоксидно -полиамидную эмаль ЭП-140 оказывает влияние на сохранение блеска покрытия только в начальный период экспозиции - до 500 ч. В дальнейшем блеск покрытия при использовании эмали без стабилизаторов и со светостабилизаторами становится одинаковым (табл. 2). Аналогичные зависимости отмечены и для показателя меления.
Таким образом, установлено, что для повышения декоративных свойств покрытий эпоксидно-полиамидных эмалей, ограниченно эксплуатирующихся в открытой атмосфере, может быть рекомендовано введение светостабилиза-тора Бензон ОМ.
Таблица 1
Атмосферостойкость эпоксидно-полиамидного покрытия на основе эмали ЭП-140 при старении в различных условиях
Цвет Условия Блеск покрытия, %, по фотоблескомеру ФБ-2* Меление (количество отпечатков) Потеря толщины
покрытия старения после экспозиции после экспозиции ЛКП,
в течение 1 года и промывки водой мкм
Умеренный климат (г. Москва) 3,1 4 8 9
Белый Теплый морской климат (г. Батуми) 4,8 5,5 11 7
Ускоренное на установке «Ксенотест-1200» 8(500 ч) - 5 -
Умеренный климат (г. Москва) 2,5 14,6 4 4
Зеленый Теплый морской климат (г. Батуми) 1,2 1,8 4 -
Тропический климат (остров Куба) 1,6 - 4 -
* В исходном состоянии блеск покрытий белого и зеленого цвета составлял 50 и 48% соответственно.
Таблица 2
Влияние светостабилизаторов на блеск покрытия на основе эмали ЭП-140 белой
Светостабилизатор Блеск покрытия, %, по фотоблескомеру ФБ-2
в исходном состоянии после ускоренного старения («Ксенотест-1200») в течение, ч после экспозиции в течение 6 мес в теплом морском климате (г. Батуми)
100 500 1000
Отсутствует 45 23 7 4 6
Н-2 45 33 6 4 7
Бензон ОМ 45 32 19 6 16
Тинувин П 47 25 4 4 6
П-67 50 30 7 6 6
П-81 50 31 8 5 6
АТ-10 44 34 6 - -
Таблица 3
Атмосферостойкость покрытия на основе эмалей ВЭ-46 и ЭП-140 после старения в условиях теплого морского климата (г. Батуми) в течение 1 года
Покрытие Цвет Потеря блеска, % Меление (количество отпечатков)
Белый 0 0
Зеленый 3,8 0
ВЭ-46
Голубой 4,3 0
Серебристый 0,7 0
ЭП-140 Белый Зеленый Голубой Серебристый 8 5 8 8 0 0 5 4 15-17 14-16 6 16
Другим способом повышения атмосферостой-кости является применение дополнительных слоев материалов, обладающих повышенной атмо-сферостойкостью. Поэтому с учетом существующей технологии исполнения противокоррозионной защиты исследована возможность создания атмосферостойких эмалей естественной сушки для окраски летательных аппаратов при их изготовлении или ремонте [13].
Особый интерес представляло применение в таких эмалях фторопласто-эпоксидных пленкообразующих, позволяющих создать покрытия, отвечающие поставленным требованиям [13].
Проведенные сравнительные испытания покрытий эмалей ВЭ-46 и ЭП-140 на устойчивость к воздействию атмосферных факторов показали существенное преимущество эмали ВЭ-46 (табл. 3).
Существенным свойством, определяющим возможность применения эмали ВЭ-46, является адгезия покрытия к основным применяемым при окраске летательных аппаратов грунтовочным покрытиям, в том числе грунтовкам АК-070, ЭП-076, ЭП-0215 и др., эмали ЭП-140 и др. [14].
В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» освоено производство эмалей ВЭ-46 и ВЭ-46К. Применение эмали ВЭ-46 при окраске внешних поверхностей вертолетов обеспечивает сохранение декоративного вида и защитных свойств покрытия в процессе эксплуатации изделий в различных климатических условиях.
При окраске изделий необходимо учитывать срок службы систем ЛКП при эксплуатации изделия и место, где необходимо усиливать защиту применением специальных покрытий (бензо-маслостойких, эрозионностойких, термостойких или электроизоляционных). Для защиты некоторых деталей вертолета, например экранно-выхлопного устройства (ЭВУ), требуется применение ЛКП с высокой термостойкостью, но для создания покрытий с термостойкостью >300°С карбоцепные полимеры не могли быть использованы, поэтому ЛКП с требуемой термостойкостью создали в ВИАМ благодаря синтезу блоксо-
полимеров с фрагментами полиорганосилоксанов в цепи как разветвленной, так и линейной структуры [15, 16].
Процесс получения таких блоксополимеров осуществлен методом согидролиза кремнийорга-нических мономеров, содержащих легко гидроли-зуемые группы, с линейными кремнийорганиче-скими олигомерами, имеющими концевые гид-роксильные группы. Оптимальные физико-механические свойства, термостойкость и топли-востойкость достигнуты у блоксополимеров, содержащих 15% линейного олигомера и активные гидридные группы в разветвленной части цепи, что обеспечивает требуемую степень их структурирования при введении низкомолекулярных кремнийорганических аминов [17].
На синтезированном пленкообразующем соединении разработана термостойкая эмаль КО-5189 холодного отверждения, которая применяется для защиты деталей из неметаллических материалов от увлажнения, повышенных температур и от термоэрозионного износа. Покрытие может эксплуатироваться в интервале температур от -50 до +600°С, обладает высокими адгезией и физико-механическими свойствами. Для ее применения в вертолетной технике во ФГУП «ВИАМ» разработаны составы четырех цветов, технологии их изготовления и нанесения на внешнюю поверхность вертолета [18-22].
Обсуждение и заключения
В результате проведенных исследований установлено, что для повышения декоративных свойств покрытий эпоксидно-полиамидных эмалей, ограниченно эксплуатирующихся в открытой атмосфере, может быть рекомендовано введение светостабилизатора - Бензона ОМ.
Установлены оптимальное содержание эпоксидной смолы в эпоксифторопластовом пленкообразующем, тип и количество отвердителя, разработаны рецептуры эмалей ВЭ-46 различных цветов и системы ЛКП, по основным свойствам
удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к покрытиям для внешних поверхностей летательных аппаратов.
Для защиты некоторых деталей вертолета, подвергающихся нагреву, требуется применение лакокрасочных покрытий с термостойкостью до 300°С. Для этой цели во ФГУП «ВИАМ» созданы эмали типа КО-5189 требуемых цветов, которые обладают высокой стойкостью к синтетическим и
минеральным маслам, авиационному топливу и бензину.
Благодарности
Авторы выражают благодарность сотруднице ФГУП «ВИАМ» Т.А. Лебедевой за проведение исследований свойств лакокрасочных покрытий и конструктивные замечания при написании данной статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. История авиационного материаловедения. ВИАМ -80 лет: годы и люди / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2012. 520 с.
2. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы // Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72. №1. С. 3-12.
3. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
4. История гражданской авиации / под общ. ред. Б.П. Бугаева. М.: Воздушный транспорт, 1983. С. 61-72.
5. Чеботаревский В.В., Кондрашов Э.К. Технология лакокрасочных покрытий в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. С. 214-220.
6. Каблов Е.Н. Коррозия или жизнь // Наука и жизнь. 2012. №11. С. 16-21.
7. Лакокрасочные покрытия // История авиационного материаловедения: ВИАМ - 75 лет поиска, творчества, открытий / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: Наука. 2007. С. 152-326.
8. Семенова Л.В., Родина Н.Д., Нефедов Н.И. Влияние шероховатости систем лакокрасочных покрытий на эксплуатационные свойства самолетов // Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 37-40.
9. Семенова Л.В., Новикова Т.А., Нефедов Н.И. Климатическая стойкость и старение лакокрасочного покрытия // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S3. С. 31-34.
10. Нефедов Н.И., Семенова Л.В. Нанесение лакокрасочных покрытий методом «сырой по сырому» // Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 39-42.
11. Андрющенко Е.А. Светостойкость лакокрасочных покрытий. М.: Химия, 1986. 192 с.
12. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
13. Кондрашов Э.К., Кузнецова В.А., Семенова Л.В., Лебедева Т.А. Основные направления повышения эксплуатационных, технологических и экологиче-
ских характеристик лакокрасочных покрытий для авиационной техники // Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 96-102.
14. Лаки и краски. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1974. 102 с.
15. Beider E.Ya., Donskoi A.A., Zhelezina G.F., Kon-drashov E.K., Sytyi Y.V., Surnin E.G. An experience of using fluoropolymer materials in aviation engineering // Russian Journal of General Chemistry. 2009. Vol. 79. No. 3. P. 548-564.
16. Нефедов Н.И., Семенова Л.В. Тенденции развития в области конформных покрытий для влагозащиты и электроизоляции плат печатного монтажа и элементов радиоэлектронной аппаратуры // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 50-52.
17. Семенова Л.В., Нефедов Н.И. Применение эпоксидных модифицированных грунтовок в системах ЛКП // Авиационные материалы и технологии. 2014. №3. С. 38-44. DOI: 10.18577/2071-9140-20140-3-38-44.
18. Семенова Л.В., Бейдер Э.Я., Петрова Г.Н., Нефедов Н.И. Электроизоляционные свойства полимерных покрытий // Труды ВИАМ: электрон. науч. -технич. журн. 2014. №8. Ст. 07. URL: http:// www.viam-works.ru (дата обращения: 07.07.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-8-7-7.
19. Кондрашов Э.К., Кузнецова В.А., Семенова Л.В., Лебедева Т.А., Малова Н.Е. Развитие авиационных лакокрасочных материалов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №5. С. 49-54.
20. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении // Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3-4.
21. Семенова Л.В., Малова Н.Е., Кузнецова В.А., Пожога А.А. Лакокрасочные материалы и покрытия // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 315-327.
22. Ракова Т.М., Козлова А.А., Нефедов Н.И., Лаптев А.Б. Исследование влияния органических ингибиторов коррозии на коррозионное растрескивание высокопрочных сталей // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. №6. Ст. 12. URL: http:// www.viam-works.ru (дата обращения: 07.07.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-6-12-12.
