Исследование влияния атмосферных факторов на основные характеристики герметизирующих материалов авиационного назначения

Введение

Исследование процессов старения материалов при комплексном воздействии внешних факторов является сложной научной и практической задачей, от решения которой зависит безопасность эксплуатации технических изделий и сложных технических систем в авиации, космонавтике, на транспорте и объектах энергетической инфраструктуры [1–2]. При интенсификации процесса эксплуатации авиационной техники предъявляются не только особые требования к материалам, но и ставится задача обеспечения надежности и предсказуемости работы не только изделия в целом, но и его агрегатов и составных частей. Для этого необходимо знать не только свойства материалов, но и прогнозировать их изменение в условиях, максимально приближенных к многофакторному комплексному воздействию реальных эксплуатационных факторов [3–7].

Герметизирующие материалы (герметики) применяются в самых различных областях техники, во многом обеспечивая работоспособность конструкционных элементов и узлов самолетов, вертолетов, космической техники, топливных отсеков и кессон-баков, водонепроницаемых перегородок, трубопроводов, химических аппаратов и т. п. [8–11]. В отличие от других классов полимерных уплотнительных материалов герметики применяются не только в качестве полностью готовых к применению изделий, но и в виде жидкотекучих и пастообразных масс, распределяемых при помощи достаточно простых технологических операций в зонах швов или в зазорах, которые после технологической выдержки переходят в резиноподобное состояние. Они обеспечивают герметичность в условиях воздействия перепадов давлений, переменных температур, нагрузок и т. д. От устойчивости герметиков зависит стабильность работы и долговечность ответственных узлов авиационной техники. Поэтому исследование поведения герметиков после старения в естественных условиях в различных климатических зонах представляется актуальным.

В работе исследовано влияние атмосферных факторов на свойства герметиков после старения в различных климатических зонах. Проведена оценка физико-механических характеристик после старения в условиях умеренного климата МЦКИ, умеренного теплого климата приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона), субтропического (Флорида) климата США и тропического климата (климатические зоны Вьетнама).

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.2. «Эластомерные и уплотнительные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [12–14].

Материалы и методы

Объектами исследования в данной работе являлись герметики различного химического строения: полисульфидные герметики ВИТЭФ‑1Б (ТУ1-595-53-633–2001) и ВГМ-Л (ТУ1-595-28-934–2009), силоксановый герметик ВИКСИНТ У-20-99 (ТУ1-595-53-614–2000) и топливостойкий фторсилоксановый герметик ВГФ-2М (ТУ1-595-28-1099–2009) [15–18]. Выбор герметиков объясняется их массовым применением в изделиях авиационной техники.

Для проведения испытаний изготавливали стандартные образцы в виде пластин по режиму отверждения согласно нормативной документации на соответствующий материал.

Образцы герметизирующих материалов испытывали на старение в свободном состоянии при воздействии естественных климатических факторов в соответствии с требованиями ASTM G7/G7M–11, ISO 877 и ISO 2810. Испытания проводили в различных климатических зонах: умеренного климата МЦКИ, умеренного теплого климата приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона), субтропического (Флорида) климата США и тропического климата (климатические станции Вьетнама).

Стойкость к климатическому старению оценивали по изменению физико-механических показателей герметиков. Упруго-прочностные характеристики определяли по ГОСТ 21751–76, твердость по Шору А – по ГОСТ 263–75.

Результаты и обсуждение

Результаты исследования свойств герметиков после их выдержки на открытой площадке в течение 36 мес в зоне умеренного климата МЦКИ представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства герметиков различных типов после климатических испытаний в МЦКИ

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Из данных табл. 1 видно, что выдержка герметика ВИТЭФ-1Б в климатической зоне МЦКИ практически не приводит к изменению прочности. Вместе с тем происходит существенное снижение относительного удлинения при разрыве. Одновременно наблюдается рост показателя твердости по Шору А. Описанные явления свидетельствуют о процессах старения полисульфидного герметика ВИТЭФ-1Б. Аналогичные тенденции наблюдаются при экспозиции герметика одинаковой химической природы ВГМ-Л.

Климатическое воздействие на силоксановый герметик ВИКСИНТ У-20-99 приводит к росту показателей прочности и твердости с одновременным снижением относительного удлинения. Это свидетельствует о протекании процессов деструкции, проявляющихся в меньшей степени по сравнению с тиоколовыми герметиками, что можно объяснить различием в структуре и химической природой полимерной матрицы.

После экспозиции герметика ВГФ-2М происходит падение прочности на 20% при сохранении относительного удлинения. При этом твердость по Шору А незначительно возрастает. Это подтверждает наличие в герметике деструктивных процессов средней интенсивности.

Результаты изменения свойств герметиков после климатического воздействия условий ГЦКИ на открытой площадке в течение 36 мес представлены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства герметиков различных типов после климатических испытаний в ГЦКИ

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Из данных табл. 2 следует, что выдержка герметика ВИТЭФ-1Б в условиях ГЦКИ приводит к повышению прочности на 20%, сопровождающемуся значительным повышением показателя твердости по Шору А. Это свидетельствует о ярко выраженном старении, т. е. о дополнительном структурировании материала. Подобная тенденция наблюдается при испытаниях герметика аналогичной химической природы – полисульфидного материала ВГМ-Л. Сопоставление результатов табл. 1 и 2 показывает, что старение в условиях ГЦКИ в большей степени проявляется в дополнительном сшивании исследуемых герметиков. Причина наблюдаемого снижения эластичности и увеличения твердости заключается в увеличении плотности сшивки материала под действием УФ-излучения солнца, доза которого в Геленджике в 1,5 раза больше, чем в Москве. При этом наблюдается снижение показателя относительного остаточного удлинения, что также свидетельствует о дополнительном сшивании материала. Наблюдаемое при климатическом воздействии структурирование тиоколовых олигомеров может происходить как за счет образования сополимерных структур, так и новых связей по активным SH-группам [15].

Выдержка герметиков марок ВИКСИНТ У-20-99 и ВГФ-2М в условиях ГЦКИ приводит к результатам, аналогичным данным, приведенным в табл. 1.

Свойства герметиков после выдержки в климатической зоне штата Флорида (США) на открытой площадке в течение 36 мес представлены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства герметиков различных типов после климатических испытаний во Флориде

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Из данных табл. 3 видно, что выдержка герметика ВИТЭФ-1Б в климатической зоне Флориды приводит к значительному снижению относительного удлинения с одновременным ростом показателя твердости по Шору А. Характер старения герметика ВИТЭФ-1Б в условиях воздействия субтропического климата отличается от изменения показателей после аналогичных испытаний в условиях МЦКИ и ГЦКИ. Это объясняется дополнительной деградацией полимерной матрицы в условиях влажного субтропического климата Флориды вследствие комплексного воздействия сорбированной влаги и температуры [3, 7, 19]. Подобные явления наблюдаются при климатических испытаниях в указанных условиях полимеров других типов [3]. Комплексное воздействие УФ-излучения и влаги для герметиков на основе полимеров различных типов сопровождается некоторым ростом показателя прочности. Это может быть связано с протеканием вторичных реакций, аналогичных полимеризации или поликонденсации [8]. Аналогичная картина наблюдается и при испытаниях полисульфидного герметика ВГМ-Л.

Воздействие условий климата Флориды на силоксановый герметик ВИКСИНТ У-20-99 приводит к падению прочности. Значительно уменьшается и относительное удлинение. Уровень твердости по сравнению с выдержкой в условиях МЦКИ и ГЦКИ также значительно выше. Это свидетельствует о возрастании степени деструкции под воздействием влажного субтропического климата Флориды.

При выдержке фторсилоксанового герметика ВГФ-2М во влажной климатической зоне Флориды наблюдается рост относительного удлинения при сохранении уровня показателей прочности и твердости по Шору А. Это свидетельствует об относительной устойчивости герметика ВГФ-2М после экспозиции в условиях влажного субтропического климата.

Свойства герметиков различных типов после климатических испытаний в штате Аризона (США) на открытой площадке в течение 36 мес представлены в табл. 4.

Таблица 4

Свойства герметиков различных типов после климатических испытаний в Аризоне

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Из данных табл. 4 следует, что прочность тиоколового герметика ВИТЭФ-1Б после испытаний в климатической зоне Аризоны практически не изменяется. При этом наблюдается существенное падение относительного удлинения. Одновременно значительно увеличиваются значения твердости по Шору А и относительного остаточного удлинения после разрыва. Это свидетельствует о протекании процессов старения за счет дополнительного структурирования материала. В случае старения герметика ВГМ-Л аналогичной природы подобные явления проявляются в несколько меньшей степени.

В случае воздействия климатических условий Аризоны на силоксановый герметик ВИКСИНТ У-20-99 наблюдается падение показателя относительного удлинения при одновременном росте твердости. Это свидетельствует о выраженных процессах старения. Наблюдаемый характер изменения показателей близок к результатам климатических испытаний  герметика ВИКСИНТ У-20-99 в условиях Флориды.

Испытания фторсилоксанового герметика ВГФ-2М в климатической зоне Аризоны показали некоторое снижение прочности и твердости по Шору А, а также рост относительного остаточного удлинения после разрыва и относительного удлинения при разрыве. Характер процессов старения фторсилоксанового герметика ВГФ-2М в условиях воздействия климатических условий Флориды и Аризоны идентичен.

В табл. 5 приведены свойства герметиков после их выдержки на открытой площадке в течение 12 и 20 мес в различных климатических зонах Вьетнама.

Таблица 5

Свойства герметиков после экспозиции в условиях климатических площадок Вьетнама

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Из данных табл. 5 следует, что после 12 мес экспозиции во всех климатических зонах Вьетнама наблюдается увеличение условной прочности при растяжении для герметиков ВГМ-Л, ВИКСИНТ У-20-99, ВИТЭФ-1Б, условная прочность герметика ВГФ-2М увеличивается только после 12 мес экспозиции в зоне Хоа Лак. Наибольшее повышение условной прочности при растяжении наблюдается при испытаниях герметика ВГМ-Л после экспозиции в зоне Дам Бай и достигает 43% от исходного значения. Увеличение срока экспозиции до 20 мес во всех климатических зонах Вьетнама приводит к некоторому снижению условной прочности при растяжении на величину до 17% от значения при выдержке в течение 12 мес.

Для герметика ВИКСИНТ У-20-99 после экспозиции в зонах Дам Бай и Хоа Лак условная прочность при растяжении продолжает расти при увеличении продолжительности экспозиции до 20 мес и превышает исходное значение на 32%. Для герметика ВГФ-2М в условиях зон Дам Бай и Кон Зо наблюдается падение условной прочности при растяжении на 23 и 34% соответственно после экспозиции в течение 12 мес. Увеличение срока экспозиции до 20 мес приводит к увеличению условной прочности при растяжении до уровня исходных значений.

После 20 мес экспозиции в условиях зоны Кон Зо условная прочность при растяжении герметика ВГМ-Л повышается на 26%, для ВИТЭФ-1 – на 15%, для ВИКСИНТ У-20-99 – на 17%, для ВГФ-2М – остается на уровне исходных значений. После 20 мес экспозиции в условиях зоны Хоа Лак условная прочность при растяжении герметика ВГМ-Л повышается на 26% от исходного значения, герметика ВИТЭФ-1Б – на 15%, герметика ВИКСИНТ У-20-99 – на 32%, а герметика ВГФ-2М – понижается на 14%.

После 12 мес экспозиции во всех исследуемых зонах для герметика ВГМ-Л относительное удлинение при разрыве снижается в среднем на 30%, после 20 мес – на 40% от исходного значения. Для герметика ВИТЭФ-1Б после 12 и 20 мес выдержки относительное удлинение при разрыве снижается на 66% от исходного значения. Для герметика ВИКСИНТ У-20–99 после 12 и 20 мес экспозиции относительное удлинение при разрыве снижается на 30–35%. Для герметика ВГФ-2М после 12 и 20 мес экспозиции относительное удлинение при разрыве снижается на 45%.

Относительное остаточное удлинение после разрыва для герметика ВГМ-Л в процессе экспозиции уменьшилось в среднем на 50%. Для прошедшего экспозицию герметика ВИТЭФ-1Б остаточное удлинение после разрыва отсутствует. Для герметика ВИКСИНТ У-20-99, наоборот, относительное остаточное удлинение после разрыва становится значимой величиной и в среднем становится равным 3%.

Для герметика ВГФ-2М после выдержки во всех климатических станциях Вьетнама относительное остаточное удлинение после разрыва осталось на уровне исходных значений.

Твердость по Шору А после 12 и 20 мес экспозиции увеличилась в среднем на 18% – для герметика ВГМ-Л, на 30% – для герметика ВИТЭФ-1Б, на 40% – для герметика ВИКСИНТ У-20-99, на 39% – для герметика ВГФ-2М. При испытаниях герметика ВГФ-2М после 20 мес экспозиции в условиях зоны Хоа Лак твердость по Шору А увеличилась на 17%, после 12 и 20 мес экспозиции в условиях зоны Дам Бай – на 42%.

Заключения

На основании анализа полученных данных по естественному атмосферному старению в условиях умеренного теплого климата приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона) и субтропического (Флорида) климата США, тропического климата (климатические зоны Вьетнама) можно сделать следующие выводы:

– герметизирующие материалы различных типов подвергаются старению во всех исследуемых климатических зонах;

– характер изменения свойств герметиков после экспозиции в климатической зоне МЦКИ и ГЦКИ идентичен. Некоторое различие связано с увеличением плотности сшивки герметиков под действием УФ-излучения солнца, доза которого в Геленджике в 1,5 раза больше, чем в Москве;

– характер старения герметиков после выдержки в климатических зонах США совпадает для материалов близкого химического строения;

– после выдержки герметизирующих материалов в климатических зонах Вьетнама наблюдается увеличение твердости поверхности до 42% от исходной величины; прочность при растяжении возрастает до 43% для герметика ВГМ-Л и снижается до 36% для герметика ВГФ-2М; относительное удлинение при разрыве герметика ВИТЭФ-1Б снижается на 30% от исходных показателей. Таким образом, все исследованные герметизирующие материалы проявили значительное ухудшение свойств после старения в условиях тропического климата на открытой площадке;

– наибольшее ухудшение физико-механических характеристик герметиков различного химического строения после выдержки на открытой площадке в различных климатических зонах наблюдается после экспозиции указанных материалов в тропическом климате Вьетнама;

– несмотря на выявленные после климатического старения деструктивные изменения структуры герметизирующих материалов различных типов, следует отметить, что в традиционных условиях эксплуатации герметики подвергаются воздействию солнечного излучения в значительно меньшей степени, чем в проведенных экспериментах [19].

Благодарности

Авторы выражают благодарность за помощь в проведении данной работы сотрудникам ФГУП «ВИАМ» – к.т.н. Е.В. Николаеву, к.т.н. М.Р. Павлову, к.т.н. Н.П. Андреевой, А.А. Скирте.