Стеклопластики на термопластичной матрице
Приведены физико-механические и пожаробезопасные свойства стеклопластиков на основе теплостойких термопластичных связующих, выпускаемых в РФ. Показано, что материалы имеют высокие прочностные свойства и удовлетворяют нормам АП-25, FAR-25.853 по пожаробезопасности.
Стеклопластики являются самыми распространенными представителями полимерных композиционных материалов (ПКМ) во многих областях промышленности и сферах жизнедеятельности человека, далеко опережая по объемам производства и потребления ПКМ на основе других видов волокнистых наполнителей [1–5].
Основными причинами их лидирующего положения являются высокая прочность стеклянных волокон, доступность и дешевизна сырья, многолетний опыт их налаженного автоматизированного производства, разнообразие составов и свойств стеклянных волокон, способов их текстильной переработки, а также большой ассортимент связующих, которые позволяют добиваться требуемого уровня свойств, предъявляемых к ПКМ различного назначения.
В настоящее время стеклопластики используются в качестве конструкционных материалов в машиностроении, авиационной и космической технике, строительстве, химическом машиностроении и сельском хозяйстве; в качестве электроизоляционных материалов – в радиоэлектронике, приборостроении, электротехнике.
В качестве полимерной матрицы в стеклопластиках более 40 лет использовались термореактивные полимеры [3, 6–8]. Однако в последние годы термореактивные связующие стали заменять на термопластичные [1, 2, 4, 9, 10].
По сравнению с традиционными ПКМ на основе термореактивных связующих (как правило – эпоксидных) композиционные термопластичные материалы (КТМ) обладают следующими достоинствами:
– эксплуатационные – на 20–40% выше стойкость к ударным нагрузкам и локальным повреждениям; устойчивость к воде и дождевой эрозии, химическая стойкость, в том числе к топливам и маслам, огнестойкость, пониженные дымообразование и токсичность при пожаре; ремонтопригодность (материалы легко свариваются);
– технологические – возможность формования деталей на металлургическом оборудовании (штамповкой, вытяжкой, прокаткой), короткий цикл формообразования; возможность переформовки бракованных изделий; КИМ (коэффициент использования материалов) – до 95%, неограниченный срок хранения полуфабрикатов и изделий [2, 4, 11].
Практически все промышленно выпускаемые термопласты могут служить матрицей для КТМ. Но в последние 10–15 лет тенденцией в развитии КТМ, в том числе и стеклопластиков, является использование термостойких высокопрочных термопластов: полиарилсульфонов, полиэфиркетонов, полиимидов, полифениленсульфидов и др. [1, 2, 4, 12].
За рубежом организованы специализированные фирмы, занимающиеся разработкой марочного ассортимента КТМ и выпуском на их основе препрегов, листов, профильных и специализированных изделий и конструкций.
В данной статье рассмотрены физико-механические и пожаробезопасные свойства стеклопластиков на основе термостойких высокопрочных термопластичных связующих, которые разработаны и выпускаются в ВИАМ [2, 10].
Формование стеклопластиков осуществлялось способом прямого прессования на гидравлическом прессе при температуре, на 110–130°С превышающей температуру стеклования термопластичного связующего, при удельном давлении – до 1,5 МПа. В качестве наполнителей были использованы стеклоткани конструкционного назначения марок Т-15(п)-76 и Т-10(ВМП)-4с; в качестве матрицы – термопластичные материалы полисульфон, полиарилсульфон, полиэфирсульфон и поликарбонат.
Исследование свойств стеклопластиков осуществлялось по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 15139, ГОСТ 4650, ГОСТ 11262, ГОСТ 4651, ГОСТ 4848. Образцы для испытаний получены механической обработкой из листового пластика толщиной ≥2 мм, вырезанных по основе.
Физико-механические свойства разработанных материалов приведены в табл. 1. Видно, что механические свойства термопластичных стеклопластиков в значительной мере определяются структурой наполнителя и наличием аппрета.
Таблица 1
Физико-механические свойства отечественных стеклопластиков [2–4, 10]
Стекло-пластик | Состав стеклопластика | Плотность, кг/м3 | Водопоглощение (за 24 ч), % | Тиспыт, °С | Ев, ГПа | sв | sв.сж | sв.и | Температура эксплуатации, °С | |
наполнитель (марка стеклоткани) | связующее | |||||||||
МПа | ||||||||||
КТМС-1 | Т-15(п)-76 (аппрети-рованная) | Полисульфон | 1580–1600 | 0,1 | -60 +20 +80 | 19,0 16,0 15,0 | 600 410 380 | 500 410 330 | 650 540 480 | От -60 до +80 |
КТМС-1П | Т-15(п)-76 | Полисульфон, полиарилсульфон | 1550–1580 | 0,4 | +20 +80 | 14,0 13,0 | 330 305 | 320 280 | 440 410 | От -60 до +80 |
СТ-520-15 | Т-15(п)-76 | Фенолформальдегидное | 1340–1400 | 0,9 | +20 +80 | 14,0 13,0 | 350 320 | 200 190 | 430 430 | От -60 до +80 |
КТМС-2 | Т-15(п)-76 (аппретированная) | Поликарбонат | 1570–1580 | 0,18 | -60 +20 +80 | 19,5 17,0 15,5 | 500 400 380 | 280 285 255 | 410 380 340 | От -60 до +80 |
ВПС-38Т | Т-10(ВМП)-4с | Полиэфирсульфон | 1850–1880 | 0,98 | -60 +20 +150 | 24,0 24,5 23,5 | 510 565 470 | 360 400 335 | 460 610 450 | От -60 до+150 |
СТ-520т | Т-10-80 | Фенолформальдегидное | 1700–1750 | 0,5 | +20 +80 | – – | 460 420 | 350 250 | 550 480 | От -60 до +80 |
Показано, что по прочностным свойствам разработанные стеклопластики на термопластичной матрице не уступают традиционным – на основе термореактивных смол, а по водостойкости превышают показатели последних.
Исследованы пожаробезопасные свойства разработанных стеклопластиков на соответствие требованиям отечественных (АП-25) и зарубежных (FAR-25.853) норм по пожаробезопасности: горючесть, дымообразование и тепловыделение [13–16].
Горючесть определяли в соответствии с требованиями АП-25 Приложение F, Часть І, п. 853(а); дымообразование – согласно АП-25 Приложение F, Часть V,п. 853(d), а также по ГОСТ 24632 и ASTM F814; тепловыделение – в соответствии с АП-25 Приложение F, Часть ІV, а также по СТП 1-595-20-341–2000 и ASTM E906.
Изучено влияние на указанные свойства не только типа наполнителя и связующего, но и толщины стеклопластика (табл. 2).
Таблица 2
Пожаробезопасные свойства термопластичных стеклопластиков [10, 13–16]
Стеклопластик | Толщина,мм | Горючесть | Дымообразование | Тепловыделение* | |||||
продолжительность остаточного горения, с | классификация | режим испытания горение/пиролиз | группа дымообразования | максимальная интенсивность выделения тепла (пик), кВт/м2 | общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания, кВт·мин/м2 | ||||
Д2 | Д4 | Дmаx | |||||||
КТМС-1 | 0,35 1,0 2,0 | 0 0 13 | Трудносгорающий Трудносгорающий Самозатухающий | 1/1 2/1 7 | 1/1 1/5 14 | 1/6 7/24 32 | (II) Слабодымящий | 61 64 – | 47 78 – |
КТМС-1П | 0,35 1,0 2,0 | 6 13 13 | Самозатухающий Самозатухающий Самозатухающий | 5/0 9/1 3/0 | 12/1 21/1 6/0 | 22/5 52/6 13/2 | (II) Слабодымящий | 40 49 45 | 30 50 32 |
КТМС-2 | 035 1,0
2,0 | 0 0
6 | Трудносгорающий Трудносгорающий
Самозатухающий | 30/4 95/19
98/17 | 50/9 113/55
132/54 | 73/45 132/139
159/185 | (III) Среднедымящий | 31 51
56 | 25 54
47 |
ВПС-38Т | 0,6
1,0 2,0 | 1
1 0 | Самозатухающий
Самозатухающий Трудносгорающий | 0/0
0/0 0/0 | 1/0
3/0 9/0 | 4/0
14/0 24/0 | (I) Практически не выделяющий дыма (II) Слабодымящий | 29
20 24 | 20
3 Менее 2 |
* Согласно требованиям Авиационных правил (Глава 25), испытания проводятся при тепловом потоке 35 кВт/м2.
Установлено, что при продолжительности экспозиции пламенем в течение 60 с (вертикальное положение образца) термопластичные стеклопластики являются самозатухающими или трудносгорающими материалами (продолжительность остаточного самостоятельного горения (тления) составляет соответственно 1–13 и 0 с), что отвечает требованиям АП-25 по горючести (τост≤15 с).
По дымообразованию(удельной оптической плотности дыма)исследованные стеклопластики относятся в основном ко ІІ группе материалов – «слабодымящий» (Д4 – от 1 до 14) и к ІІІ группе – «среднедымящий» (Д4 – от 21 до 50), что также удовлетворяет требования норм АП-25 (Д4=200).
Испытания образцов стеклопластиков на тепловыделение (максимальной интенсивности (пик) и общего количества выделившегося тепла (за первые 2 мин) при горении материала под воздействием внешнего теплового потока) показали, что максимальная интенсивность тепловыделения (пик) стеклопластиков на основе термопластичных матриц составляет 20–49 кВт/м2; общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин колеблется от «менее 2» до 50 кВт·мин/м2, что значительно ниже требований FAR-25 и АП-25 (≤65 кВт·/м2).
Из приведенных данных видно, что наличие аппрета (в рецептуре стеклопластика имеется эпоксидная смола) приводит к снижению его пожаробезопасных свойств – повышается дымо- и тепловыделение.
Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что все марки разработанных стеклопластиков на основе термопластичных матриц (полисульфона, полиарилсульфона, поликарбоната и полиэфирсульфона) имеют высокие прочностные свойства и удовлетворяют нормам АП-25 и FAR-25.853 по пожаробезопасности.
Образцы деталей, изготовленные из термопластичных стеклопластиков:
а – детали заполнителя трехслойных панелейиз КТМС-1П (формование); б – обтекательиз КТМС-1П (вытяжка); в – элемент крыла КамАЗаиз КТМС-1 (штамповка); г – крышка прибора из ВПС-38Т (прессование)
Разработанные термопластичные стеклопластики нашли применение в промышленности для изготовления деталей радиотехнического и конструкционного назначения (см. рисунок).
- Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: Профессия. 2006. С. 267–272.
- Петрова Г.Н., Бейдер Э.Я. Конструкционные материалы на основе армированных термопластов //Российский химический журнал. 2010. Т. LІV. №1. С. 30–40.
- Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики – многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253–260.
- Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология. СПб.: Профессия. 2011. С. 32–33.
- Петрова Н.А. Стеклопластики и их сырьевое обеспечение в России //Полимерные материалы. 2008. №11. С. 33–36.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231–242.
- Михайлин Ю.А. Термореактивные связующие ПКМ //Полимерные материалы. 2008. №10. С. 14–19.
- Комаров Г.А. Состояние, перспективы и проблемы применения ПКМ в технике //Полимерные материалы. 2009. №2. С. 20–23.
- Авиационные материалы: Справочник. Т. 8. М.: ВИАМ. 2002. С. 60–70.
- Душин М.И., Хрульков А.В. и др. Особенности изготовления изделий из ПКМ методом пропитки под давлением //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 18–26.
- Володин К.Е., Изотова Т.Ф., Малышенок С.В. Термопластичные заполнители для многослойных конструкций /В сб. Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 2004. С. 19–21.
- Авиационные правила. Глава 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. 3-е изд. с поправками 1–6. М.: ОАО Авиаиздат. 2009. 274 с.
- Барботько С.Л., Вольный О.С., Изотова Т.Ф. Математическое моделирование тепловыделения при горении для полимерных композиционных материалов различной толщины //Пожаровзрывобезопасность. 2007. Т. 16. №4. С. 16–20.
- Коротков М.М., Изотова Т.Ф., Зуев А.В., Барботько С.Л. Влияние теплофизических свойств на пожаробезопасность термостойких полимеров на основе полисульфона //Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17. №6. С. 11–15.
- 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.