Пожароопасные стеклопластики для интерьера пассажирских самолетов (обзор)

Основным элементом интерьера современных пассажирских самолетов являются трехслойные сотовые конструкции, что объясняется сочетанием в них довольно высокой прочности и жесткости с низкой плотностью по сравнению с традиционными монолитными материалами. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к таким панелям по Авиационным правилам АП-25, являются низкое тепловыделение, негорючесть и слабое дымообразование. Это связано с тем, что, согласно статистике, в случае аварийной посадки до 40% людей гибнут от термических травм и отравления продуктами горения и дымообразования [1, 2].

В нашей стране задача создания пожаробезопасных стеклопластиков и трехслойных конструкций для интерьеров салонов пассажирских самолетов стала особо актуальной в 70-х годах прошлого века при создании широкофюзеляжных пассажирских самолетов, способных перевозить 350 и более пассажиров. Первоначально решалась задача снижения горючести материалов без учета их дымообразующей способности и тепловыделения при горении. Так, в 1973 г. был разработан метод оценки горючести материалов и выпущен ОСТ 1 90094–73 «Полимерные материалы. Метод определения горючести декоративно-отделочных и конструкционных материалов». По степени горючести материалы были классифицированы на следующие группы:

1-я группа – трудносгорающие авиационные материалы – образец такого материала при испытании в течение 12 с в вертикальном положении в стандартном пламени после выноса из пламени не горит, не тлеет и имеет среднюю длину обуглившейся части не более 170 мм, горение выпавших капель не более 3 с;

2-я группа – самозатухающие авиационные материалы – при аналогичных испытаниях на горючесть образцы после удаления пламени должны иметь остаточное горение не более 15 с, среднюю длину обуглившейся части не более 170 мм, а горение выпавших капель должно длиться не более 5 с;

3-я группа – медленносгорающие авиационные материалы – скорость распространения стандартного пламени при испытаниях на горючесть после воздействия на горизонтально расположенный образец не более 60 мм в минуту;

4-я группа – сгорающие материалы, образцы которых при испытаниях не соответствуют требованиям, предъявляемым к первым трем группам [3, 4].

При прогнозировании развития пожара важно учитывать скорость выделения тепла, особенно в замкнутых объемах, так как это позволяет оценить такие показатели, как скорость распространения пламени по материалам, изменение размера очага пожара, повышение температуры в замкнутом пространстве, а следовательно, оценить допустимое время эвакуации, расход средств на тушение пожара.

В ВИАМ были разработаны трехслойные конструкции на основе бумажного сотового заполнителя типа Nоmex, обшивок из стеклотканей марок Т-45(П)-76, Т-15(П)-76 из полых стеклянных волокон и эпоксиизоцианатного связующего ЭП-2МК [5]. На предприятии ОНПП «Технология» было организовано производство полимерного сотопласта ПСП-1 из отечественного сырья – фенилоновой бумаги. Декоративную отделку панелей интерьера обеспечивали специальными пленками марки ПДОАЗ-25. Масса таких панелей составляла 2,0–2,6 кг/м², и они полностью обеспечивали требования, предъявляемые в то время по горючести к панелям интерьера самолетов Ил-86, Ту-154, Ту-134, Як-40 и Як-42 [6, 7].

С накоплением опыта применения огнезащитных материалов выяснилось, что многие антипирены, снижая горючесть материалов, одновременно существенно увеличивают выделение дыма и токсичных веществ. Поэтому в 1975 г. был разработан метод оценки дымообразующей способности авиационных неметаллических материалов и выпущен ОСТ 1.90178–75, преобразованный в дальнейшем в ГОСТ 24632–81 «Полимерные материалы. Метод определения дымообразования». Сущность метода заключается в измерении интенсивности светового потока, проходящего через задымленное пространство в герметичной камере при термическом разложении образца.

В дальнейшем для изготовления деталей интерьера (багажные полки, перегородки, панели и др.) были разработаны трудносгораемые стеклопластики и микросферостеклотекстолиты на основе самозатухающего связующего ЭДТ-69Н [8].

В 80-е годы ужесточились требования по пожаробезопасности самолетов. К основным требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам, используемым для внутренней декоративной отделки салонов пассажирских самолетов, по АП-25, добавилось требование по уровню тепловыделения [8, 9]. При этом максимальная скорость тепловыделения и общее количество тепла за 2 мин не должно превышать
65 кВт/м² и 65 кВт·мин/м² соответственно.

Зарубежные производители материалов для авиационной промышленности (CYTEC Engineering Materials Inc., Cyanamid Fothergill, Hexel и другие) широко используют фенолформальдегидные связующие для изготовления материалов интерьера (стеклопластики, трехслойные сотовые панели, полимерные заполнители-сферопласты), обеспечивающих высокие характеристики по пожаробезопасности. Отличительной особенностью этих связующих являются низкое содержание свободного фенола (4–5%), жизнеспособность, обеспечивающая получение препрегов со сроком хранения до 3 мес, и достаточно высокая скорость отверждения при умеренной температуре (до 140°С).

В ВИАМ разработано отечественное фенольное связующее ФП-520, обладающее схожими химико-технологическими свойствами с зарубежными аналогами. Это связующее позволяет изготавливать сотовые панели, отвечающие требованиям АП-25 по тепловыделению. Панели интерьера с обшивками из стеклопластика на основе фенольного связующего ФП-520 и полимерных сот ПСП-1 используют в настоящее время на пассажирских самолетах Ту-204, Ве-200 и Ил-96. Однако у материалов СТ-520 и МСТ-9П на основе связующего ФП-520 существуют недостатки – это большой разброс значений тепловыделения (от 60 до 119 кВт/м²) и низкая прочность при отрыве обшивок от сот (1,85 МПа). Для получения качественного интерьера необходима прочность 2,0–2,5 МПа. Поэтому в начале 2000-х годов в ВИАМ проведены работы по модификации фенольного связующего ФП-520 гидроксидом алюминия [10, 11].

Основными преимуществами модифицированного гидроксидом алюминия стеклопластика марки СТ-ФПР-520Г по сравнению с предшествующими немодифицированными материалами являются низкое и стабильное тепловыделение по всей площади панелей и повышенная прочность при отрыве обшивок от сот.

Так, при толщине 2 мм стеклопластик марки СТ-ФПР-520Г имеет максимальную скорость выделения тепла 53 кВт/м², что в 2 раза ниже аналогичной характеристики для стеклопластика без гидроксида алюминия (119 кВт/м²), а при толщине 4 мм скорость выделения тепла еще меньше и равна 29 кВт/м². Общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин у стеклопластиков толщиной 2–4 мм составляет ˂5 кВт·мин/м², вместо 61 кВт·мин/м² у немодифицированных материалов. Стеклопластики на основе модифицированного связующего использовали для изготовления конструкций интерьера самолета Ту-214.

Для изготовления стеклопластиковых деталей и обшивок трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе для изготавливаемых бесклеевым методом) в ВИАМ разработан стеклопластик марки ВПС-39П на основе полой стеклоткани Т-15(П)-76 и фенолформальдегидного связующего РС-Н. Данное связующее представляет собой высококонцентрированный раствор жидких олигомеров резольного и новолачного типа, в составе которого не содержится остродефицитных и экологически опасных фосфорсодержащих ингибиторов горения [12].

Трехслойные сотовые конструкции на основе полимерной сотопанели высотой 10 мм марки ПСП-1-2,5-48 с обшивками из двух слоев стеклопрепрега на основе стеклоткани Т-15(П)-76 и связующего РС-Н имеют следующие показатели: скорость выделения тепла – до 23 кВт/м², общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин - до 2 кВт·мин/м², по горючести материал относится к классу самозатухающих, а прочность при отрыве обшивок от сот составляет 2,3 МПа [13]. В табл. 1 представлены основные прочностные и пожаробезопасные свойства стеклопластиковых панелей для интерьера на основе фенолформальдегидных связующих марок ФП-520, ФП-520Г и РС-Н с сотовым заполнителем ПСП-1-2,5-48 (h=10 мм).

Таблица 1

Свойства стеклопластиковых панелей интерьера

Для изготовления панелей интерьера самолетов в настоящее время используют две основные технологии: вакуумное и прессовое формование. Каждая из данных технологий имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широко применяется технология вакуумного формования в термопечи, при которой возможно изготавливать панели любой сложности и использовать относительно дешевое оборудование (термопечь). Недостатком данной технологии является наличие большого количества расходных материалов (дренажные слои, разделительные пленки, герметизирующие ленты), стоимость которых включается в стоимость детали. Применение прессового формования для изготовления трехслойных панелей интерьера отличается отсутствием вспомогательных материалов, что удешевляет процесс изготовления, но данный метод ограничен формованием плоских трехслойных панелей.

Анализ зарубежной научно-технической литературы показал, что для изготовления боковых панелей интерьера различной кривизны, а также панелей переменной толщины (проемы окон, дверей) большое распространение получил метод «crush core». Технология «crush core» является быстрым и экономичным процессом формования трехслойных панелей при умеренно высокой температуре (110–160°С), высоком давлении (до 2 МПа) и малой продолжительности переработки (8–30 мин).

Конструкция пресс-форм, применяемых в «crush core» технологии, позволяет производить формование панелей без предварительной выкладки препрега на форму благодаря использованию свойств тканых наполнителей препрегов вытягиваться в определенных направлениях. Это обстоятельство дает возможность загружать выложенный заранее технологический пакет в горячую пресс-форму и не тратить время на ее нагрев и охлаждение. Метод «crush core» позволяет совместить преимущества вакуумного формования – способность изготавливать панели двойной кривизны и прессового формования – формовать панели без использования расходных материалов. Стоит отметить, что данная технология особо эффективна при изготовлении сложнопрофильных деталей интерьера пассажирских самолетов при большом объеме производства и практикуется главным образом на фирмах Boeing и Airbus. Для метода «crush core» фирма Gurit выпускает целую серию препрегов на основе фенольных смол PF 811, PH 831 и стеклотканей различного плетения.

Для энергосберегающей технологии изготовления методом «crush core» трехслойных сотовых панелей деталей интерьера с обшивками из пожаробезопасного стеклопластика в ВИАМ разработан материал на основе быстроотверждаемого фенолформальдегидного связующего [14].

Разработанный стеклопластик марки ВПС-42П представляет собой материал на основе стеклоткани марки Т-15(П)-76 и фенолформальдегидного связующего ВСФ-16М, производимого полностью на российском сырье.

Стеклопластик марки ВПС-42П рекомендуется для изготовления стеклопластиковых деталей и трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе изготовленных бесклеевым методом), которые должны иметь низкие параметры тепловыделения. Стоит отметить также, что разработанный материал имеет показатели по прочности (табл. 2) и по тепловыделению на уровне зарубежного аналога – стеклопластика фирмы Cycom 799/7781 Solid Laminate [15].

Таблица 2

Физико-механические свойства стеклопластиков для обшивок трехслойных

сотовых панелей

Несмотря на то что в последнее время широко ведутся работы по созданию и применению композиционных материалов на основе других наполнителей (углеродных, органических), еще многие годы стеклопластики благодаря своей низкой стоимости и широкой сырьевой и производственной базе будут занимать ведущее место по объему применения в качестве основного материла в элементах интерьера пассажирских самолетов.