Пожаробезопасные литьевые термопласты и термоэластопласты

Литьевые термопластичные материалы благодаря уникальному сочетанию эксплуатационных и технологических свойств получили широкое распространение в различных отраслях машиностроения, в том числе и в авиационной технике (рис. 1).

 Рисунок 1. Вертолет Ми-26

 Рисунок 2. Детали краскораспылителя, изготовленные из литьевых термопластов

В летательных аппаратах данные материалы используются для изготовления деталей конструкционного и декоративно-конструкционного назначения: корпуса приборов, детали краскораспылителей, кронштейны, детали вентиляционной системы и пассажирских кресел, панели обслуживания, осветительные приборы, электроразъемы, детали ауди- и электротехники (рис. 2) [1–13].

До последнего времени перечисленные детали в основном изготовлялись из полиэтилена, композиций на основе полиамидов ПА 12-Л и ПА 610-Л и поликарбоната.  Однако в результате перестройки выпуск полиамидов ПА 12-Л, ПА 610-Л и поликарбоната ПК-ЛТ-10 в России был полностью прекращен, потому что многие предприятия по изготовлению мономеров для термопластов оказались за рубежом – странах СНГ.

К настоящему времени восстановлено в небольших объемах производство полиамида ПА 610-Л и поликарбоната. Производство полиамида ПА 12-Л и композиций на его основе возобновлять в РФ не планируется [6, 12, 14, 15].

За рубежом перечисленные детали и изделия изготовляются из литьевых пожаробезопасных термопластов: полиэфиримида (ПЭИ), полифениленсульфида (ПФС), полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) и жидкокристаллических термопластов (ЖКТ). Указанные материалы в России не выпускаются даже на экспериментальных участках.

Организация производства новых декоративно-конструкционных и функциональных пожаробезопасных термопластов связана со строительством химических предприятий по выпуску мономеров и синтезу собственно полимеров. Однако существует другой – более дешевый способ – физическая или химическая модификация выпускаемых в РФ полимеров [6, 16–21].

В последние годы авиационная, космическая и другие области техники предъявляют повышенные требования не только по прочностным показателям термопластичных материалов, но и по их температуре эксплуатации и пожаробезопасности: термопласты должны выдерживать длительное воздействие температуры – от 150 до 200°С, быть трудносгорающими (самозатухающими), не выделять при пожаре дыма и вредных веществ [6, 11, 16, 21–24].

Создание материалов, отвечающих перечисленным требованиям, является одним из главных направлений работ лаборатории.

Для изготовления деталей декоративно-конструкционного назначения способом литья под давлением разработаны физически модифицированные материалы, температура эксплуатации которых не требует высоких значений.

Свойства разработанных материалов [12, 25–27] в сравнении с полиамидом ПА 610-Л приведены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства материалов декоративно-конструкционного назначения

Поликарбонат ПК-М-2 представляет собой модифицированный фторопластом 42Л и двуоксидом титана поликарбонат ПК-ЛЭТ-7. Введение модифицирующих добавок в рецептуру позволило повысить серебростойкость материала, снизить на 20°С температуру переработки литьем под давлением и исключить термообработку деталей после их отливки.

По горючести он относится к самозатухающим материалам, максимальная температура эксплуатации составляет +130°С. Поликарбонат – непрозрачный материал.

Для получения изделий конструкционного и светотехнического назначения в авиационной промышленности разработан поликарбонат ПК-М-С. Материал имеет коэффициент интегрального светопропускания, равный 85%. Он полностью отвечает требованиям АП-25 по пожаробезопасности: время остаточного горения составляет 3 с, максимальное дымообразование равно 65 ед.

Литьевая пожаробезопасная композиция марки ВТП 1-Л и термопластичная пожаробезопасная композиция марки ВТП-5 разработаны для частичной замены полиамидов на основе ПА 610-Л и ПА 12-Л.

Композиция ВТП 1-Л имеет высокие прочностные свойства, относительное удлинение при разрыве составляет 7%. Максимальное водопоглощение композиции равно 0,5%. После выдержки в воде ее свойства практически не изменяются, ВТП 1-Л относится к группе самозатухающих материалов.

Композиция ВТП-5 обладает высоким уровнем не только прочностных, но и деформационных свойств, имеет низкое водопоглощение, полностью отвечает требованиям АП-25 по пожаробезопасности.

Перечисленные материалы хорошо окрашиваются в любой цвет. Их производство мощностью 5–10 тонн/год организовано в ВИАМ (рис. 3). Переработка данных материалов должна производиться только на современном оборудовании – термопластоавтоматах со шнековой пластикацией.

Рисунок 3. Линия по получению пожаробезопасных композиций на основе термопластов и термоэластопластов

Большое внимание в лаборатории уделено также созданию материалов функционального назначения.

В связи с прекращением выпуска термопластичных материалов с повышенной теплостойкостью (полиэфирэфиркетона, полиэфирсульфона, жидкокристаллического термопласта КИ-75), в ВИАМ совместно с ОАО «НИИПМ» возобновлены работы по созданию новых конструкционных материалов с рабочей температурой >150°С [16, 21].

Полисульфон ПСФФ-40 представляет собой модифицированный кардовыми группами полисульфон ПСФ-150. Он относится к группе суперконструкционных материалов: предел текучести при растяжении составляет 79,5 МПа, прочность при разрыве равна 78 МПа (табл. 2).

Таблица 2

Свойства конструкционных термопластичных материалов

Полисульфон ПСФФ-40 обладает высокой усталостной прочностью, имеет незначительные колебания значений температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в диапазоне рабочих температур. Материал относится к группе самозатухающих и имеет низкое дымоообразование, рекомендуется для изготовления деталей приборов конструкционного и электротехнического назначения с повышенной температурой эксплуатации – до 190°С (рис. 4).

Рисунок 4. Штепсельные разъемы из полисульфона ПСФФ-40

Одно из последних направлений работ лаборатории – создание негорючих композиций на основе термоэластопластов (ТЭП). Термоэластопласты – это новый класс полимеров, сочетающих в себе прочность пластмасс, деформативность резин и технологичность термопластов [28, 29].

Термоэластопласты применяются  в тех же областях, где и традиционная резина: для изготовления уплотнений агрегатов пневмо-, гидро- и топливных систем, оболочек электрических кабелей, вибропоглощающих и других деталей. Однако по сравнению с традиционными резинами ТЭП имеют более низкую плотность (на 20–30%), обладают высокой озоно- и атмосферостойкостью, морозостойкостью, устойчивы к набуханию в агрессивных средах, могут компаундироваться с различными наполнителями без снижения основных механических характеристик, имеют широкую цветовую гамму.

Преимуществами технологий получения и переработки ТЭП по сравнению с резинами являются: исключение стадии вулканизации; переработка в изделия способами, характерными для термопластов, – литьем под давлением, экструзией, вакуум–формованием, пневмоформованием и т. д.; возможность многократной переработки без ухудшения свойств изделия; регулирование свойств варьированием соотношения компонентов.

Основным методом создания данного класса материалов является метод реакционного смешения (динамическая вулканизация), т. е. вулканизация эластомера происходит при его смешении с термопластичным полимером. Это позволяет получить уникальную морфологию смеси, в которой частицы вулканизованного эластомера диспергированы в непрерывной термопластичной матрице. Данный метод создания ТЭП является экологически чистым, непрерывным и безотходным по сравнению с традиционной технологией получения резин. Поэтому в настоящее время разработка и создание термоэластопластов является одним из наиболее перспективных направлений современного полимерного материаловедения [28–33].

За рубежом в промышленном масштабе производят большой ассортимент каучуков и термопластов, различающихся структурой и молекулярными характеристиками, что позволяет производить ТЭП с широким спектром свойств.

В России и странах СНГ промышленное производство термоэластопластов технического назначения отсутствует. В настоящее время организованы производства по получению только двух типов ТЭП: дивинилстирольных (серийное) и полиуретановых (мелкосерийное). Однако необходимо отметить, что все перечисленные выше термоэластопласты являются сгорающими материалами и не отвечают требованиям АП-25 по пожаробезопасности.

В ВИАМ в настоящее время разработаны три марки самозатухающих композиций термоэластопластов и освоено их опытное производство [34, 35].

Литьевой уплотнительный материал с повышенной атмосферостойкостью марки ВТЭП 1-Л представляет собой смесь термопласта на основе простого полиэфира и модифицирующих добавок. Материал предназначен для герметизации дверей и люков, к которым предъявляются повышенные требования по пожаробезопасности, износо- и атмосферостойкости, технологичности и окраске.

Композиция ВТЭП 1-Л имеет низкую плотность (1117 кг/м³), высокое для термоэластопластов значение прочности при разрыве (20,4 МПа), относительное удлинение при разрыве, равное 645%. Хорошая текучесть материала позволяет перерабатывать его высокопроизводительными методами литья под давлением и экструзией. Сравнительные свойства литьевого уплотнительного материала ВТЭП 1-Л и его аналогов приведены в табл. 3.

Квотами преимущества разработанного материала перед материалом аналогичного назначения – резиной ИРП-1078 – являются: пониженная плотность, повышенные значения прочности и относительного удлинения при разрыве, полное соответствие нормам АП-25 по горючести, а также меньшая продолжительность переработки в изделия и  более низкая область отрицательных рабочих температур.

По сравнению с зарубежным аналогом – термоэластопластом марки «Ритефлекс 425» фирмы Тicona (Германия) – разработанный материал имеет более высокую прочность при разрыве (в 2 раза) и на 15% выше значение относительного удлинения при разрыве. Кроме того, материал ВТЭП 1-Л стоек к воздействию горючесмазочных материалов.

Результаты расширенных испытаний литьевого уплотнительного термоэластопласта показали, что материал обладает повышенной износо- и атмосферостойкостью, полностью отвечает требованиям АП-25 по горючести.

Таблица 3

Сравнительные  свойства термоэластопластов и резин

* Горючесмазочные материалы.

 Установлено, что разработанный уплотнительный материал ВТЭП 1-Л стоек к воздействию влаги и грибов: прочностные свойства снижаются незначительно, а деформационные характеристики увеличиваются. Напряжение сжатия остается после испытаний практически без изменения. Разработанный ТЭП имеет небольшой балл грибостойкости: 1–2.

В отличие от резин разработанный материал может окрашиваться в любые цвета суперконцентратами пигментов на основе полипропилена.

Термоэластопласт уплотнительный ударостойкий электроизоляционный марки ВТЭП 2-Л получен динамической вулканизацией каучука, полипропилена, вулканизующей системы и модифицирующих добавок.

Материал рекомендуется для изготовления способами литья под давлением и экструзией уплотнений, оболочек проводов и других изделий с повышенными пожаробезопасными и электроизоляционными свойствами.

По сравнению с резиной ИРП-1078 разработанный материал имеет пониженную плотность (на 24,5%), повышенное относительное удлинение при разрыве (в 2,6–3 раза), пониженное время остаточного горения (более чем в 10 раз), меньшее время изготовления детали (в 20–30 раз), более низкую область отрицательных рабочих температур (на 20°С).

Термоэластопласт марки «Ритефлекс 425» (Германия) уступает материалу ВТЭП 2-Л по водопоглощению, электроизоляционным свойствам, горючести и рабочей температуре. Рабочие температуры материала ВТЭП 2-Л находятся в интервале от -60 до +100°С.

Разработанный термоэластопласт отвечает требованиям АП-25 по горючести, обладает повышенными электроизоляционными свойствами, стоек к гидролизу, воздействию микроорганизмов (грибов и плесени), авиационных топлив и масел, имеет высокую текучесть расплава.

Фторсодержащий термоэластопласт марки ВТЭП 3-Л представляет собой фторированный термопласт на основе простого полиэфира с модифицирующими добавками. Совмещение термопластичного полимера с фторполимером позволило не только повысить стойкость термопласта к топливам и маслам, но и значительно увеличить его рабочую температуру. Разработанный материал может эксплуатироваться при температурах от -60 до +120°С.

Материал предназначен для изготовления уплотнителей, фиксаторов электропроводов, манжет и других деталей пневмо-, вакуум- и гидросистем, используемых в различных отраслях народного хозяйства (рис. 5).

Рисунок 5. Окрашенные изделия из материала ВТЭП 3-Л, полученные экструзией

По сравнению с резиновой смесью В-14 разработанный материал ВТЭП 3-Л имеет более высокие прочностные свойства, пониженную горючесть, расширенный диапазон рабочих температур, а также – более технологичен при переработке.

Зарубежный аналог – термоэластопласт марки «Ритефлекс 425» (Германия) – уступает термоэластопласту ВТЭП 3-Л по прочностным и деформационным характеристикам, горючести и стойкости к воздействию горючесмазочных материалов. Максимальная температура его эксплуатации составляет 80°С, что на 40°С ниже, чем у разработанного ТЭП.

Разработаны технологии изготовления материала и переработки его в изделия способами литья под давлением и экструзией.

Таким образом, приведенные свойства разработанных термопластичных эластомеров – композиций термоэластопластов марок ВТЭП 1-Л, ВТЭП 2-Л и ВТЭП 3-Л – показывают, что по многим показателям данные материалы не уступают резинам, а по некоторым – даже превосходят. Это позволяет успешно использовать их для изготовления уплотнений, манжет, оболочек проводов и других изделий, обладающих повышенными пожаробезопасными свойствами, высокой стойкостью к горючесмазочным материалам, морозостойкостью и повышенной температурой эксплуатации (рис. 6).

Применение разработанных материалов обеспечивает решение задач утилизации отходов и улучшения экологической обстановки в цехах; повышение КИМ (коэффициент использования материала) – в 1,5 раза, снижение трудоемкости изготовления деталей – в 20–30 раз (1–3 мин вместо 30–60 мин) [3, 24, 28, 34, 36].

Рисунок 6. Области применения термоэластопластов:
а, б – уплотнители; в – манжета

В настоящее время проводятся исследования по созданию термостойких термопластичных материалов с функциональными свойствами. Так, введение углеродных нанотрубок в состав полиарилсульфонов позволило получить композицию с повышенными антистатическими характеристиками.