Декоративно-отделочные материалы для стеновых панелей пассажирского салона и кабины экипажа воздушных судов (обзор)

Введение

В настоящее время высокий уровень конкуренции в авиастроении приводит к необходимости повышения эксплуатационных характеристик изделий, что, как правило, неразрывно связано с созданием новых материалов, позволяющих реализовывать заложенный конструкторами потенциал. В связи с этим разработка новых материалов [1], а также оценка их свойств как в исходном состоянии [2], так и после воздействия эксплуатационных факторов [3, 4] являются важнейшей задачей.

Декоративно-отделочные материалы применяются в интерьере салона и кабины экипажа воздушных судов с целью увеличения долговечности, износостойкости и ремонтопригодности панелей интерьера и иных покрываемых поверхностей. Придание им декоративного вида повышает комфорт пассажиров, что в ряде случаев сопряжено также с требованиями авиакомпаний, касающимися цветовой гаммы. Кроме того, разрабатываемые материалы должны отвечать международным требованиям по пожаробезопасности (по горючести, тепловыделению, дымообразованию).

Для декорирования поверхности тройной кривизны используют ламинированные пленки и краски, для поверхностей с двойной кривизной применяют также декоративные тканепленочные материалы. Помимо этого, для декорирования салона самолета используют листовые материалы на основе негорючего поликарбоната без дополнительного декоративного слоя, например Lexan F6000 (фирма Sabic) [5].

В нашей стране для декорирования деталей интерьера пассажирских самолетов широко применялась поливинилхлоридная пленка ПДОАЗм-23, однако в связи с ужесточением международных авиационных правил по пожаробезопасности (по горючести, дымообразованию и тепловыделению) в середине 1980-х гг. ее применение оказалось невозможно и привело к прекращению выпуска [6].

Поскольку в настоящее время отсутствует номенклатура серийно выпускаемых декоративных пленок отечественного производства, удовлетворяющих требованиям АП-25 по пожаробезопасности, для декорирования стеновых и потолочных панелей интерьера на российских пассажирских самолетах (например, SSJ-100) применяют пленки фирмы Schneller (США), которые соответствуют американским и европейским требованиям летной годности FAR-25 и CS-25.

При этом санкционная политика ряда стран-производителей декоративно-отделочных материалов заставляет отечественные предприятия авиационной отрасли активно искать замену импортным материалам. Например, в случае поставок самолетов семейства SSJ в Иран, который находится под действием санкций США, снабжение пленками фирмы Schneller, а также другими материалами, узлами и компонентами может быть приостановлено, что негативно скажется на возможности производства воздушных судов. В связи с этим правительством РФ поставлена задача по разработке модификации самолета SSJ-100 с максимальным применением отечественных материалов, узлов и компонентов – SSJ-New. В рамках данного проекта планируется провести широкое импортозамещение и довести долю отечественных компонентов до 50–60%. Таким образом, разработка отечественных декоративных материалов является актуальной задачей.

Цели данной работы – оценка достигнутого уровня развития декоративно-отделочных материалов в нашей стране и за рубежом, а также определение основных тенденций развития таких материалов. Рассматриваются декоративно-отделочные пленки и декоративные тканепленочные материалы, применяемые для изготовления стеновых и потолочных панелей, однако не затрагиваются вопросы разработки и применения лакокрасочных материалов.

Работавыполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 17.6. «Тканепленочные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и способы их изготовления

В мировой практике используются преимущественно пленочные декоративно-отделочные материалы с многослойной структурой [7–10]. Основным принципом разделения слоев является их функциональное назначение:

– основной (базовый) слой является подложкой для формирования материала, обеспечивает прочностные характеристики и подбирается с учетом заданных свойств (кривизны, типа и назначения поверхности, адгезионных параметров и т. д.). В качестве слоя могут быть использованы:

– текстильные материалы (в результате будет получен тканепленочный материал), в качестве которых выступают технические ткани [6, 11], нетканые полотна [12], мембраны различной природы [13];

– пленки любой природы (например, на основе поливинилхлорида (ПВХ) [14], синтетического полимера АБС [8], полиолефинов [15] и др.);

– жесткие основы, в качестве которых выступают как металлические [16], так и неметаллические материалы [17–20];

– декоративный слой используется для придания рисунка и/или тиснения материала, обеспечивает его эстетические качества, а в ряде случаев является основой материала. Большой популярностью пользуются слои на основе ПВХ [21];

– защитный слой используется для обеспечения основных эксплуатационных характеристик материала, таких как пожаробезопасность, стойкость к физическим и климатическим воздействиям и др. Обязательным требованием является прозрачность для сохранения эстетических свойств декоративного слоя. В «наземных» отраслях экономики (автомобилестроении, строительной отрасли и т. д.) применяются варианты с использованием защитных слоев на основе полиэфирных [22], меламиновых [23], полиэтилентерефталатных [24], полиуретановых [25], акриловых [26–28], полиуретанакрилатных [29] и других полимеров. Поскольку к декоративно-отделочным материалам авиационного назначения предъявляются повышенные требования по пожаробезопасности, при изготовлении защитного слоя используют составы на основе фторполимеров [30–32];

– дополнительные (клеевой, адгезионный и др.) слои [33] применяются с целью обеспечения взаимосвязи слоев в материале (в случае необходимости) либо при изготовлении деталей. В части повышения адгезии слоев выделяют два направления – за счет применения специальных составов [34, 35] и за счет механической обработки поверхности [36].

Наибольшее количество работ посвящено разработке декоративно-отделочных пленок, которые в настоящее время получили достаточно широкое распространение в изделиях авиационной техники, по сравнению с защитно-декоративными тканепленочными материалами. Декоративные тканепленочные материалы, как правило, имеют прочностные свойства, превосходящие свойства декоративных пленок на один-два порядка, однако при этом могут иметь меньшую плотность. Например, поверхностная плотность материала «Полиплекс» [6] составляет 220 г/м², а пленки Aerfilm (фирма Schneller) 290 г/м². Главным недостатком декоративных тканепленочных материалов с тканевой основой можно считать невозможность изготовления деталей тройной кривизны, что значительно снижает область их применения.

К декоративно-отделочным материалам интерьера воздушных судов предъявляются повышенные требования по горючести, дымообразованию и тепловыделению (в соответствии с АП-25, FAR-25 и др.) как в исходном состоянии [37, 38], так и после воздействия эксплуатационных факторов [39]. В результате данному вопросу уделяется большое внимание.

Работы, проводимые в настоящее время, посвящены улучшению свойств и материала, и его отдельных слоев. Так, например, в патенте [40] представлена композиция, состоящая из эмульсионного поливинилхлорида, пластификатора, в качестве которого выступает диоктилфталат, стабилизатора, в роли которого используется стеарат кадмия и бария, антипирена, в качестве которого применяют фосфорорганический полимер, получаемый при взаимодействии в запаянной ампуле 4-винилбензилхлорида с бис(2-фенилэтил)фосфином (в соотношении 1:1) при температуре 65–70 °С в атмосфере аргона в течение 30 мин с последующим выделением полимера и последовательным промыванием органическими растворителями. Фосфорорганический полимер получают с высоким выходом – до 86%. Полимер имеет температуру плавления 312 °С и не растворим в воде и органических растворителях, так как обладает сшитой структурой. Технический результат, получаемый при реализации данной технологии, заключается в снижении горючести, дымообразующей способности и воспламеняемости пластифицированного поливинилхлорида при низком содержании фосфорорганического антипирена.

Снижение горючести, дымообразования и тепловыделения материалов может достигаться за счет применения с внешних сторон слоев с пониженной горючестью. В работе [41] описан декоративный ламинат, содержащий по меньшей мере три таких слоя: поверхностный слой, слой подложки и декоративный слой, расположенный между поверхностным и слоем подложки. Поверхностный слой или слой подложки (либо оба) изготовлены из огнезащитных термопластичных материалов.

В качестве защитного слоя большую популярность имеют составы, содержащие фторполимеры. Например, в работе [20] описано создание слоистого декоративного материала с пониженными горючестью и дымообразованием, состоящего из следующих слоев:

– основной слой, изготовленный из конструкционного термопласта с пониженной горючестью (самозатухающий поликарбонат, полисульфон и др.);

– слой из термореактивной смолы, усиленной волокном;

– склеивающий слой из термопластичной смолы с температурой плавления, которая меньше температуры плавления основной термопластичной смолы;

– промежуточный слой из волокнистого материала, в качестве которого используются ткани, маты, ленты, трикотажные полотна, бумага из стеклянных, органических или минеральных волокон;

– декоративный слой, выполненный из материалов на основе стеклянных или органических волокон, состоящий из двух прослоек, пропитанных термопластичной смолой склеивающего слоя и смолой защитного слоя соответственно;

– защитный слой, в качестве которого применяют прозрачные водостойкие термопласты с пониженными горючестью и дымообразованием (например, поливинилиденфторид) и другие плавкие фторопласты.

В работе [42] материал состоит из декоративного базового слоя (ПВХ), акрилового клеевого слоя и прозрачного слоя. Базовый слой может содержать до 50% (по массе) неорганического негорючего наполнителя. Прозрачный слой состоит из фторполимеров (поливинилиденфторида и поливинилфторида). Материал имеет пониженные тепловыделение и воспламеняемость по сравнению с имеющимися в настоящее время аналогами.

Декоративный материал, представленный в работе [43], состоит из прозрачного защитного слоя, выполненного из полимера, содержащего фтор, декоративного слоя и подложки. Между защитным слоем и подложкой при необходимости может быть добавлен слой с тиснением. Слой с тиснением или подложка (либо оба) могут содержать один или несколько галогенсодержащих веществ, повышающих огнестойкость материала. Декоративный материал устойчив к длительному воспламенению (категория M1 в соответствии с французским стандартом Epiradiateur NFP 92-501 [44]). Значение индекса дыма – не более 80, класс – не хуже F3 (по французскому стандарту NF F-16-101 [45] на основе тестов NF X 70-100 и NF X 10-702). Устойчивость к граффити – в диапазоне G0–G1 (в соответствии с французским стандартом NF F-31-112 [46]).

Вопросы снижения пожарной опасности рассматриваются как при разработке материалов [47], так и при изготовлении конструкций. Например, в работе [48] описана конструкция поддона, представляющего собой единую систему из материалов, подобранных таким образом, чтобы обеспечить необходимый уровень свойств по влагонепроницаемости, износостойкости, горючести и токсичности для длительного и безопасного использования в воздушных судах, и в частности в качестве пола туалета воздушного судна. Поддон содержит базовый слой (один или несколько слоев на основе АБС/ПВХ), являющийся огнезащитным, и декоративный слой (выполнен из пленки на основе ПВХ), расположенный поверх базового слоя.

В ряде работ рассматриваются вопросы повышения иных свойств материалов. Например, в патенте [49] представлены стабильный по размерам материал и способ его изготовления. Стабильности размеров достигают за счет использования сетчатой подложки, которая прикрепляется к материалу во время ламинирования и обработки. В процессе ламинирования используют пленки, состоящие из одного или нескольких компонентов, выбранных из группы: поливинилфторид, поливинилиденфторид, поливинилхлорид, акрил, полиэстер, поликарбонат, ПЭТ, уретан, АБС и другие подходящие фторированные материалы или их сополимеры. Базовый слой выполнен из материала, выбранного из следующей группы: полиэфир, стекло, ткань, бумага, жесткие полимерные пленки, поликарбонат, полиимид.

Большое количество работ посвящено улучшению свойств материалов за счет использования или модификации защитного слоя. Например, в работах [50, 51] рассматриваются вопросы улучшения текстуры поверхности и повышения функциональной прочности декоративной пленки на основе ПВХ путем нанесения наружного защитного покрытия. Работы [52–54] посвящены повышению стойкости к истиранию или повреждениям. Например, в работах [42, 54] повышения стойкости добиваются за счет применения специально подобранного внешнего слоя, содержащего неорганический наполнитель. В патентах [55, 56] рассматриваются вопросы повышения стойкости к воздействию внешних факторов, в том числе атмосферных, благодаря применению внешнего слоя [55] либо наличию внутреннего слоя [56], содержащего УФ-стабилизаторы. Работа [57] посвящена повышению устойчивости к образованию пятен на полиуретановых покрытиях за счет формирования пленки на прозрачном полиуретановом слое, который используется в качестве защитного.

В ряде работ рассматриваются вопросы повышения антибактериальных свойств материала без существенного влияния на его другие параметры [58, 59]. Например, в патенте [58] описан декоративный материал, состоящий из сформованных между собой базового, декоративного и внешнего слоев, причем внешний слой содержит противомикробный компонент, которой придает материалу антибактериальные свойства.

Выделяют три основных способа изготовления декоративно-отделочных материалов:

– нанесение защитного слоя в виде раствора [60, 32] или смеси мономеров/олигомеров [61] на основу c декоративными свойствами с последующим отверждением (полимеризацией);

– переработка термопластичных полимеров: экструзия [62, 63, 31], соэкструзия [64, 35] и литье под давлением [65, 66]. Например, в работе [64] описана устойчивая к пожелтению декоративная пленка, включающая барьерный и декоративный слои, которую получают путем соэкструзии. Барьерный слой содержит сополимер этилена и винилового спирта (EVOH) и/или полиамид, и/или смесь EVOH и полиамида;

– путем соединения нескольких пленок (листов) за счет давления (прессование [67, 12, 68, 69], ламинирование [70, 27], каландрование [7, 71] и др.). Например, в работе [7] описан способ изготовления декоративного листа, включающий следующие стадии: каландрование термопластичной пленки и последующее прессование пленки, которая имеет термоплавкий адгезионный слой. В патенте [71] представлена подготовка ламинированной композиционной структуры. Такие слоистые композиты содержат базовый слой, включающий подложку, и по меньшей мере один полимерный слой, нанесенный путем ламинирования на поверхность базовой подложки. Полимерный слой предпочтительно является декоративным на внешней поверхности и связан с основной подложкой с помощью термореактивного клея, расположенного между поверхностью подложки и полимерным слоем. Полимерный слой содержит непрозрачную полимерную пленку на основе полипропилена с покрытием на ней (предпочтительно на акриловой основе), нанесенное на обе стороны пленки. Такие слоистые структуры могут быть получены путем пропускания базового слоя, пленки полимерного и адгезионного слоев через наборы роликов или барабанов, которые подают тепло и/или давление, необходимое для адгезионного соединения слоев.

В работе [50] описан армирующий слой, покрытый декоративным слоем, с расположенным между ними клеевым слоем. Этот пакет формуют для образования первого ламинатного слоя. Поверхность декоративного слоя в первом ламинатном слое покрывают прозрачным адгезионным слоем из жидкой полиуретановой смолы, на поверхности которого в свою очередь располагают прозрачную пленку, и формуют для получения второго ламинатного слоя. Второй ламинатный слой помещают в форму и наносят клеевой слой с последующим добавлением прозрачного твердого покрытия, обеспечивающего более высокую стойкость к истиранию.

В патенте [27] приведен способ получения покрытия, содержащего пленку акриловой смолы, декоративный слой и пленку термопластичного полимера, в котором на пленке образуется декоративный слой. Акриловая пленка ламинируется на декоративном слое в качестве защитного слоя.

Серьезных успехов в коммерческой реализации и серийном производстве декоративно-отделочных материалов для авиационных интерьеров добилась компания Schneller Inc. (США), которая в настоящее время является одним из мировых лидеров в области предоставления комплексных решений в данной области и поставщиком материалов для таких фирм, как Boeing, Airbus, Bombardier, Embraer, Sukhoi, Mitsubishi и др.

Семейство декоративных пленок Aerfilm LHR – одно из наиболее распространенных. Такие пленки обладают низкими показателями тепловыделения, дымообразования и токсичности и предназначены для покрытия плоских и трехмерных панелей. Материалы имеют поверхностную плотность 290 г/м² (±10%). По горючести, дымообразованию, тепловыделению отвечают американским требованиям летной годности FAR-25 [72].

Заключения

Таким образом, можно выделить ряд тенденций развития декоративно-отделочных материалов интерьера.

Во-первых, преимущественно используются многослойные материалы. Основной принцип разделения слоев – их функциональное назначение:

– основной (базовый) слой является подложкой для формирования материала;

– декоративный слой используется для придания рисунка материалу и/или тиснения на нем и обеспечивает его эстетические качества. В ряде случаев может являться основой материала (например, при использовании ПВХ);

– защитный слой используется для обеспечения основных эксплуатационных характеристик материала, таких как пожаробезопасность, стойкость к физическим и климатическим воздействиям и др. Обязательным требованием является прозрачность слоя для сохранения эстетических свойств декоративного слоя;

– дополнительные (клеевой, адгезионный и др.) слои применяются с целью обеспечения взаимосвязи слоев в материале (в случае необходимости) либо при изготовлении деталей.

Наибольшее внимание при этом уделяется защитному слою, в составе которого, как правило, используются материалы на основе фторполимеров (полимеры или сопо-лимеры винилиденфторида, тетрафторэтилена или поливинилфторида) либо слои на основе поликарбоната. Большую популярность в качестве базового слоя получили пленки на основе ПВХ, так как позволяют совмещать базовый и декоративный слои, снижая толщину и массу материала.

Во-вторых, в настоящее время можно выделить три основных способа изготовления декоративно-отделочных материалов:

– метод прямого нанесения защитного слоя из раствора либо смеси мономеров/олигомеров;

– переработка термопластичных полимеров (экструзия, соэкструзия и литье под давлением);

– дублирование слоев при воздействии температуры и давления.

В-третьих, при разработке новых материалов, как правило, решаются вопросы снижения плотности, повышения технологичности переработки и стабильности их свойств в процессе эксплуатации с обеспечением пожаробезопасных свойств декоративно-отделочных материалов.