Исследование влияния состава связующего на плотность, физико-механические и гидрофобные свойства теплозвукоизоляционного материала

Введение

Возрождение отечественного самолетостроения в совокупности с ужесточением требований к безопасности и уровню комфорта пассажиров, а также уменьшению удельного расхода топлива и повышению удельной тяги двигателей диктует необходимость рассмотрения новых конструкторских решений, равно как и постановки новых задач перед материаловедами. По некоторым сведениям, доля импортных материалов, используемых при создании гражданской авиационной техники, превышает 70 %. В условиях санкционного давления со стороны США и стран Евросоюза необходимо импортозамещение бóльшей части деталей радиоэлектроники, силовых конструкций, функциональных материалов и др., в том числе теплозвукоизоляционного материала (ТЗИМ) марки Microlite AA blanket производства фирмы Jonson Marvell (США), поставки которого в РФ приостановлены. В то же время в связи с отсутствием спроса авиастроительной промышленности на отечественный аналог – материал марки АТМ-1, его производство прекращено, а оборудование уничтожено. Восстановление оборудования и технологии производства материала АТМ-1, в том числе сырьевой базы, является крайне сложной задачей, требующей больших капиталовложений и значительных человеческих ресурсов.

В связи с этим возникла необходимость в создании отечественного гибкого волокнистого теплозвукоизоляционного материала низкой плотности, не уступающего по характеристикам материалам-аналогам Microlite AA blanket и АТМ-1, и технологии его производства. Разрабатываемый материал должен обладать низкой плотностью, сохранять работоспособность в условиях циклических тепловых нагрузок и вибраций, быть пожаробезопасным.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ накоплен богатый опыт разработки волокнистых ТЗИМ для летательных аппаратов [1–6]. Изначально применялись стеганые материалы на основе хлопка и оленьей шерсти – АТИМХ и АТИМО соответственно, основными недостатками которых являлись высокая горючесть и значительное дымовыделение при горении [7]. Для снижения горючести материалы обрабатывали антипиренами, что приводило к повышению гидрофильности и коррозионной активности, помимо этого, материалы обладали высокой удельной массой. Позже были разработаны материалы марок ВТ4 и ВТ4С из штапельного капронового волокна с полиамидным клеем в качестве связующего, что позволило вдвое (до 25 кг/м³) снизить плотность материала. Следующим значимым этапом являлась разработка теплозвукоизоляционного материала АТМ-1 [8] на основе стеклянного волокна марки С и фенолформальдегидного связующего, имеющего плотность 10 кг/м³, предназначенного для изоляции салона и кабины пилотов всех типов пассажирских самолетов. Его важнейшим недостатком была высокая гидрофильность – поглощение влаги составляло до 50 % от собственной массы.

Для материаловедов при разработке нового ТЗИМ с улучшенным комплексом основных свойств одной из главных задач был выбор исходных компонентов. В настоящее время ассортимент стеклянных волокон, выпускаемых на территории России, весьма ограничен – в частности, боросиликатное стекло, являющееся основой материала Microlite AA blanket, серийно не выпускается, а самыми распространенными являются волокна из стекол типа Е или S. Существенное влияние на свойства ТЗИМ оказывают связующие компоненты на основе термоотверждаемых органических веществ, сохраняющие гибкость после отверждения, среди которых оптимальными являются формальдегидные смолы ввиду их низкой стоимости и больших объемов производства в России. Связующие вещества, помимо гибкости, должны обеспечивать гидрофобность материала [9–11], что осуществляется путем введения дополнительных компонентов – гидрофобизаторов, а также пожарную безопасность: малое выделение дыма, ограниченное распространение пламени при воздействии теплового потока и склонность к самозатуханию.

Помимо высоких эксплуатационных характеристик, к функциональным материалам предъявляются также требования по так называемой технологичности. В частности, при монтаже ТЗИМ немаловажными оказываются такие характеристики, как прочность при растяжении, упругость и гибкость. В случае низкой степени гидрозапутывания волокон или низкой адгезии связующего к стекловолокну возможно расслоение и образование разрывов под действием собственной тяжести ТЗИМ, что крайне осложнит процесс его монтажа, поэтому необходимо повышать уровень предела прочности при растяжении материала. Существует два основных пути решения данной задачи – увеличение количества переплетений волокон на единицу объема материала либо повышение адгезионных свойств связующего. В первом случае повышение прочности приведет к значительному увеличению плотности, что является недопустимым, так как одним из требований авиастроителей является снижение общей массы всего изделия, в том числе за счет применения ТЗИМ. Во втором случае необходимо достичь оптимального соотношения количества связующего и значений физико-химических свойств материала, которое, с одной стороны, позволит придать необходимые прочностные характеристики материалу с сохранением минимальной плотности, а с другой – придаст гидрофобные свойства с одновременным высоким уровнем пожаробезопасных характеристик [12, 13].

Процесс монтажа ТЗИМ представляет собой заправку мата из волокнистой теплоизоляции вручную в пространство между силовыми элементами – стрингерами и шпангоутами. Низкоплотный ТЗИМ на ~95 % состоит из воздуха, заключенного в межволоконном пространстве, поэтому обладает свойством деформирования – сминаемости. Но деформация неизбежно приведет к изменению геометрических параметров ТЗИМ, увеличению плотности и, как следствие, к ухудшению шумопоглощения и увеличению коэффициента теплопроводности, что недопустимо с точки зрения требований авиастроителей. Следующий параметр высокой технологичности ТЗИМ – их упругость, т. е. способность восстанавливать исходную форму после снятия деформационных нагрузок. Данное свойство можно повысить за счет применения связующих компонентов определенной физико-химической природы.

Последним, но не менее важным показателем технологичности ТЗИМ является его гибкость – свойство материала сохранять свою целостность при огибании цилиндрической поверхности заданного радиуса [14]. Так, когда материал, который имеет некоторую толщину, сгибают, то на слоях с его внутренней стороны (которая прилегает к цилиндрической поверхности) возникают сжимающие напряжения, тогда как на слоях с внешней стороны – растягивающие. Возникновение таких напряжений может привести к разрушению материала. Для повышения гибкости материала необходимо применять связующие компоненты определенной физико-химической природы [15].

Для данной публикации проведены исследования и установлено влияние состава связующих компонентов экспериментальных образцов гибких волокнистых ТЗИМ низкой плотности на основе стекловолокна (из стекла типа Е) на их основные физико-механические характеристики для сравнения с отечественным и зарубежным аналогами. В качестве основных исходных компонентов связующего рассмотрены промышленно выпускаемые карбамидомодифицированная фенолформальдегидная и карбамидомеламиноформальдегидная смолы с добавлением полиэтилгидросилоксана или полиметилфенилсилоксана в качестве гидрофобизаторов.

Материалы и методы

Объектом исследования являлись экспериментальные образцы гибких волокнистых ТЗИМ низкой плотности, которые получены аэрационным осаждением волокна (из стекла типа Е) с послойным нанесением связующего на основе:

– 1 – карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы с добавлением в качестве гидрофобизатора полиэтилгидросилоксана;

– 2 – карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы с добавлением в качестве гидрофобизатора полиметилфенилсилоксана;

– 3 – карбамидомеламиноформальдегидной смолы с добавлением в качестве гидрофобизатора полиэтилгидросилоксана.

Проведены исследования экспериментальных образцов гибких волокнистых ТЗИМ низкой плотности после нанесения связующего различного состава. Исследованы плотность, гибкость, упругость, влажность, сорбционная влажность в течение 30 сут и предел прочности при растяжении в соответствии с методиками из ГОСТ 17177–94.

Результаты

Результаты исследования плотности, гибкости, упругости, влажности, сорбционной влажности в течение 30 сут и предела прочности при растяжении экспериментальных образцов гибких волокнистых ТЗИМ низкой плотности после нанесения связующего различного состава представлены в таблице.

Результаты исследования плотности, физико-механических

и гидрофобных свойств образцов гибких волокнистых ТЗИМ низкой плотности

и их сравнение с материалами марок MicroliteAAblankets и АТМ-1

Видно, что по среднему значению плотности все экспериментальные образцы гибких волокнистых ТЗИМ находятся на одном уровне в пределах погрешности серии измерений. Следует также отметить, что все они имеют в среднем меньшую плотность, чем их зарубежный и отечественный аналоги – материалы марок Microlite AA blankets (плотность 9,6 кг/м³) и АТМ-1 (плотность 10 кг/м³).

Установлено, что наименьший радиус изгиба образцов гибких волокнистых ТЗИМ низкой плотности составляет 15 мм для всех образцов. Полученные значения гибкости являются типичными для подобных материалов марок Microlite AA blankets и АТМ-1.

Упругость образцов гибких волокнистых ТЗИМ, полученных с применением карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы в качестве основы связующего, находится приблизительно на одном уровне вне зависимости от концентрации и вида гидрофобизатора. Значения упругости данных образцов находятся в пределах погрешности серии измерений. Упругость образцов гибкого волокнистого ТЗИМ низкой плотности, содержащих в качестве основного компонента связующего карбамидомеламиноформальдегидную смолу, составляет в среднем 75,8 %, что меньше, чем у образцов, полученных с применением карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы в качестве основы связующего. Данный результат можно объяснить меньшей адгезией карбамидомеламиноформальдегидной смолы к стеклянному волокну по сравнению с карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолой, а также наличием мелкодисперсной упрочняющей кристаллической фазы в отвержденной карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смоле.

По результатам исследований образцов гибких волокнистых ТЗИМ можно сделать вывод, что ТЗИМ, полученный с применением карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы в качестве основы связующего, будет обладать меньшей слеживаемостью, так как его геометрические размеры, а следовательно, и плотность под воздействием собственной массы будут меняться меньше, чем у ТЗИМ, полученного с применением карбамидомеламиноформальдегидной смолы в качестве основы связующего. Поэтому гибкий волокнистый ТЗИМ, полученный с применением карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы в качестве основы связующего, будет обладать более длительным сроком хранения и эксплуатации, чем материал, полученный с применением карбамидомеламиноформальдегидной смолы.

Из данных таблицы также видно, что образцы гибкого волокнистого ТЗИМ, полученные с применением связующего на основе карбамидомеламиноформальдегидной смолы, обладают наименьшей прочностью. Данный эффект (как и в предыдущем случае) можно объяснить меньшей адгезией карбамидомеламиноформальдегидной смолы к стеклянному волокну по сравнению с карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолой, а также наличием мелкодисперсной упрочняющей кристаллической фазы в отвержденной карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смоле. Наибольшей прочностью обладают образцы, полученные с применением связующего на основе карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы с добавлением полиметилфенилсилоксана в качестве гидрофобизатора. Полученный результат можно объяснить тем, что полиметилфенилсилоксан в данном случае является не только гидрофобизатором, но и пластификатором и модификатором ударной прочности отвержденной смолы. Образцы гибких волокнистых ТЗИМ, полученные с применением связующего на основе карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы с добавлением в качестве гидрофобизатора полиэтилгидросилоксана, обладают удовлетворительной прочностью, причем прочность практически не зависит от концентрации гидрофобизатора в связующем в диапазоне 0,25÷1,00 % (по массе).

Исследования гидрофобных свойств: сорбционной влажности при выдержке в эксикаторе при температуре 22±5 °С, φ = 98 % в течение 30 сут и влажности при выдержке образцов материалов в атмосфере воздуха при температуре 22±5 °С, показали (см. таблицу), что наименьшей влажностью обладают образцы гибкого волокнистого ТЗИМ, содержащие в составе связующего полиэтилгидросилоксан, причем уменьшение концентрации полиэтилгидросилоксана ведет к увеличению влажности материала. Образцы, содержащие в составе связующего в качестве гидрофобизатора полиметилфенилсилоксан, обладают в среднем более высоким показателем влажности, чем материалы, содержащие в составе связующего полиэтилгидросилоксан.

Наименьшим значением сорбционной влажности (14,4 %) обладают образцы гибкого волокнистого ТЗИМ с применением связующего на основе карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы, содержащие в качестве гидрофобизатора полиэтилгидросилоксан. Уменьшение содержания полиэтилгидросилоксана в составе связующего в 3 раза приводит к увеличению значения сорбционной влажности до 41,5 %. Использование полиметилфенилсилоксана в качестве гидрофобизатора с той же концентрацией также приводит к увеличению значения сорбционной влажности до 25,4 %. Следует отметить, что образцы гибкого волокнистого ТЗИМ, полученные с применением связующего на основе карбамидомеламиноформальдегидной смолы, характеризуются повышенным значением сорбционной влажности 98,8 %. Данный результат можно объяснить большим влагопоглощением карбамидомеламиноформальдегидной смолы по сравнению с карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолой.

Обсуждение и заключения

Исследованы плотность, физико-механические (гибкость, упругость и предел прочности при растяжении) и гидрофобные (влажность и сорбционная влажность) свойства образцов гибких волокнистых ТЗИМ низкой плотности.

Плотность всех экспериментальных образцов составила 8,6÷9,0 кг/м³, что меньше, чем у зарубежного и отечественного аналогов – материалов Microlite AA blankets (плотность 9,6 кг/м³) и АТМ-1 (плотность 10 кг/м³). Наименьший радиус изгиба для всех образцов составил 15 мм.

Упругость образцов, полученных с применением карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы в качестве основы связующего, находится приблизительно на одном уровне вне зависимости от концентрации и вида гидрофобизатора. Упругость образцов, полученных с применением карбамидомеламиноформальдегидной смолы, меньше, чем у образцов, полученных с применением карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы, что связано с разной адгезией данных смол к стеклянному волокну и их различной структурой.

Наибольшей прочностью (значение предела прочности при растяжении ~1,8 кПа) обладают образцы, полученные с применением связующего на основе карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы с добавлением полиметилфенилсилоксана в качестве гидрофобизатора. Наименьшей прочностью (значение предела прочности при растяжении <1,0 кПа) обладают образцы, полученные с применением связующего на основе карбамидомеламиноформальдегидной смолы. Образцы, полученные с применением связующего на основе карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы с добавлением в качестве гидрофобизатора полиэтилгидросилоксана, обладают удовлетворительной прочностью, причем прочность практически не зависит от концентрации гидрофобизатора в связующем в диапазоне 0,25÷1,00 % (по массе) (значения предела прочности при растяжении составляют 1,33 кПа).

Показано также, что наилучшими гидрофобными свойствами обладают образцы, полученные с применением связующего на основе карбамидомодифицированной фенолформальдегидной смолы с добавлением в качестве гидрофобизатора полиэтилгидросилоксана. Значение влажности у данных образцов составляет 0,5 %, а значение сорбционной влажности 14,4 %. Данный состав является оптимальным по уровню основных эксплуатационных свойств и технологичности.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.