Влияние длительного теплового воздействия на пожаробезопасность полимерных материалов

С. Л. БАРБОТЬКО, канд. техн. наук, начальник лаборатории "Исследование неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность" ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" ГНЦ РФ

В. И. ПОСТНОВ, д-р техн. наук, начальник Ульяновского научно-технологического центра ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" ГНЦ РФ

УДК 614.841.41:629.7.042.2

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Проведены исследования по влиянию теплового воздействия на характеристики пожарной опасности стеклопластиков на различных типах полимерной матрицы. Показано отсутствие ухудшения измеренных характеристик пожарной опасности материалов при выбранных условиях испытаний их на тепловое старение.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал; пожарная безопасность; тепловое старение.

Введение

Расширение области использования полимеров, и полимерных композиционных материалов (ПКМ) в частности, для изготовления сложных технических систем в различных отраслях промышленности, в том числе в авиастроении, требует усиления контроля за сохраняемостью в процессе эксплуатации свойств материалов, входящих в узлы и элементы конструкций.

Одними из основных факторов, воздействующих на технику, изделия сложных технических систем, здания и сооружения в процессе их эксплуатации, кроме механических нагрузок, являются факторы климата (повышенные и пониженные температуры, влажность и осадки, излучение солнечного спектра и др.). Интенсивность воздействия тепло-влажно-стных факторов существенно варьируется в зависимости от условий хранения и эксплуатации. В связи с этим исследование воздействия факторов климата и условий эксплуатации на материалы авиационной техники, эксплуатируемой в различных климатических условиях, и определение степени сохраняемости свойств и эксплуатационных (служебных) характеристик являются важной и актуальной задачей. Как правило, оценка сохраняемости служебных

характеристик полимерных материалов проводится по изменению величины основных физико-механических свойств (предел прочности при растяжении, сдвиге, изгибе и др.). Одними из важнейших показателей для полимерных материалов, используемых во внутренних конструкциях авиационной техники (пассажирская кабина, багажно-грузовые отсеки и др.), являются характеристики пожарной опасности [1]. В связи с использованием в настоящее время ПКМ в конструкциях корпусов вертолетов и планируемым применением их в конструкциях внешнего контура пассажирских самолетов (фюзеляж, крыло, киль, рули направления и высоты, элементы механизации крыла), а также в конструкциях изделий сложных технических систем встает задача оценки сохранения ими пожаробезопасности в течение длительных сроков.

В авиационной отрасли требования по пожарной безопасности распространяются преимущественно на материалы внутренней отделки самолетов (пассажирские салоны, багажно-грузовые отсеки, кабина экипажа) [2]. Воздействие климатических факторов на материалы этого назначения ограничено (отсутствует влияние атмосферных осадков, УФ-излучения, в меньшей степени имеет место влияние

© Барботько С. Л., Барботько М. С., Вольный О. С., Постное В. И., 2014

тепла и влажности). В связи с этим исследования по влиянию климатических факторов на изменение по-жаробезопасности авиационных материалов до настоящего времени не проводились.

Тем не менее оценка сохраняемости пожаробез-опасности полимерных конструкционных материалов в результате воздействия на них климатических факторов нуждается в серьезном исследовании. В процессе воздействия влажности, осадков, солнечного излучения, переменных температур, кислорода, озона и т. п. происходит изменение полимерной матрицы ПКМ, миграция пластификаторов, анти-пиренов и пр. Все эти процессы закономерно могут привести к изменению характеристик пожарной опасности полимерных материалов.

В связи с этим с учетом перспективы широкого использования ПКМ во внешнем контуре пассажирских самолетов в ближайшие годы будут введены нормы пожарной безопасности для этой группы функциональных материалов [3,4]. В частности, необходимость оценки влияния климатических факторов на характеристики пожарной опасности ПКМ самолетов, эксплуатируемых в любых климатических условиях, отмечается в справочнике по композиционным материалам Министерства обороны США [5].

В настоящее время данные по влиянию атмосферных факторов (влажности, солнечного излучения, осадков, перепадов температуры, промышленных выбросов и др.) на изменение характеристик пожарной опасности (горючесть, дымообразующая способность, тепловыделение) полимерных композиционных материалов в общем случае отсутствуют. Имеются отдельные литературные данные по влиянию факторов атмосферного старения на изменение характеристик пожарной опасности строительных и электрокабельных материалов.

В строительной отрасли влияние климатических факторов на изменение пожаробезопасности преимущественно рассматривается применительно к древесным материалам при оценке сохранения эффективности огнезащитных пропиток. С течением времени происходит вымывание веществ огнезащитных пропиток, изменение их химического состава, разрушение поверхности самого материала. Вследствие этого, с одной стороны, возможно повышение горючести, дымообразующей способности, скорости распространения пламени, массовой скорости выгорания, а с другой — наоборот, снижение показателей горючести за счет накопления атмосферной влаги во внутренних слоях материалов вследствие разрушения их поверхности. В связи с этим для оценки влияния климатических факторов требуется проведение огневых испытаний. Например, в соответствии с требованиями ВНИИПО [6] испытания древесных материалов проводятся по ГОСТ 16363-98. В работе [7] приведены данные по

изменению характеристик пожарной опасности древесины, взятой из построек различной давности. Эти данные показывают нелинейное (в некоторых случаях циклическое) изменение характеристик пожарной опасности, связанное со сложным характером изменения свойств и структуры материала под воздействием климатических факторов.

Согласно литературным данным [8-10] для электрокабелей актуальна проблема сохраняемости пожаробезопасных свойств полимерных покрытий электроизоляции в процессе эксплуатации. Наиболее распространенными ПКМ, применяемыми для огнезащиты электроизоляции, являются композиции на основе поливинилхлорида (ПВХ). Однако с течением времени в результате воздействия тепла, атмосферной влаги, УФ-излучения, кислорода происходит разрушение химических связей и отщепление хлористого водорода в полимерной цепи материала. Вследствие этого изменяется цвет материала, его механические и электроизолирующие свойства, характеристики пожарной опасности [8]. Влияние теплового старения на материалы, применяемые для изоляции электрических кабелей, рассмотрено в [9]. В результате воздействия теплового старения на полимеры ряда полиолефинов (антипирированный этиленпропиленовый каучук и хлорсульфирован-ный полиэтилен) было отмечено снижение содержания антипирена (трехокись сурьмы) и хлора, что привело к изменению предельного значения кислородного индекса. Для некоторых композиций после теплового старения стойкость к воспламенению возросла, что можно объяснить потерей низкомолекулярной фракции материала [10]. При испытаниях элементов электрокабелей с изоляцией на основе неопрена и поперечно-сшитого полиэтилена отмечено, что тепловое старение оказывает влияние на изменение способности материала к воспламенению и характеристики погасания. Однако установить явную корреляционную связь между режимами теплового старения (температура и длительность) и изменением пожаробезопасности не представилось возможным [9].

Постановка задачи, объекты и методы испытаний

Натурная экспозиция образцов материалов требует длительного времени (эксплуатация авиационной техники или других изделий сложных технических систем составляет 20 лет и более) и наличия станций с необходимой инфраструктурой, расположенных в различных представительных климатических зонах [11], а также испытаний образцов на режимах, имитирующих воздействие факторов окружающей среды в условиях эксплуатации (в случае многократного использования изделий). Поэтому

было принято решение на первом этапе исследований ограничиться лабораторными методами испытаний, имитирующими только суммарное воздействие (дозу) тепловых факторов климата и эксплуатации. Так как материалы в условиях эксплуатации имеют слой защитного лакокрасочного покрытия, исследование воздействия солнечного излучения (ультрафиолета) на образцы материалов в данной работе было решено не проводить. В [12] показано, что в первом приближении (для сухих образцов элементов конструкций) изменение свойств полимерных композиционных материалов, использованных для изготовления стабилизаторов самолета В-737, после 20 лет эксплуатации может быть смоделировано тепловым старением материала.

Перед исследователями была поставлена задача: на образцах нескольких типовых представителей ПКМ, применяемых в различных отраслях промышленности, провести исследования по оценке степени и направления изменения характеристик пожарной опасности с использованием методов, предназначенных для оценки и квалификации авиационных полимерных материалов.

Для имитации воздействия факторов эксплуатации и климата использовали метод теплового ресурса — воздействие повышенной температуры. Суммарная доза воздействия на материалы тепловых факторов в ожидаемых условиях хранения и эксплуатации за 15-20 лет имитировалась экспозицией их в тепловых термостатах при температуре 120 °С в течение 2000 ч.

Характеристики пожарной опасности материалов зависят от химического состава и содержания связующего, толщины материала, его структуры и ряда других показателей [13-16]. Поэтому для адекватного сопоставления материалов необходимо выполнить ряд условий, в частности обеспечить совпадение свойств образцов с заранее зафиксированными неизменяемыми характеристиками. Так как в данном случае не ставилась задача исследования влияния толщины или содержания связующего на характеристики ПКМ после воздействия тепловых факторов, для снижения разброса свойств по образцам одного и того же типа все испытания проводили на одной партии образцов материалов.

В качестве объектов испытаний были выбраны стеклопластики (наполнитель — 4 слоя стеклоткани марки Т-10-80), для изготовления которых использовались следующие полимерные матрицы:

• полиэфирная смола (Р805ТР);

• эпоксидная смола холодного отверждения (ЭД-20);

• эпоксидная смола горячего отверждения с анти-

пиреном (ЭДТ-69);

• фенольная смола с антипиреном (ФПР-520).

Толщина образцов в зависимости от марки связующего составляла 1,1-1,4 мм; содержание связу-

ющего для различных материалов варьировалось от 20 до 28,5 %. Однако разброс поверхностной плотности, вызванный различием содержания связующего для каждого типа материала, для всех образцов не превышал 1,0 %.

Оценка характеристик пожарной опасности проводилась следующими методами, включенными в Авиационные правила (АП-25) [2]:

• определение горючести (см. приложение Б, часть I (Ь) (4)); метод аналогичен ОСТ 1 90094-79, в США — А^/АБТМ Б501-77). Продолжительность экспозиции пламенем лабораторной горелки Бун-зена 60 с, высота пламени 38-40 мм. Регистрируемые параметры: продолжительность остаточного горения/тления (с), длина прогорания (мм), наличие и продолжительность горения падающих капель (с). В данной работе использовались образцы, отличные по размерам от стандартных (150x75 мм вместо (290^310)х75 мм);

• дымообразующая способность (см. приложение Б, часть V; метод испытаний по ГОСТ 24632-81, зарубежные аналоги — АБТМ Е662, АБТМ Б814). Размер образцов 75x75 мм. Режимы испытаний: пиролиз (воздействие только теплового потока) и горение (тепловой поток + пламя пилотной горелки). Плотность теплового потока на образец 25 кВт/м2. Регистрируемые параметры*: удельная оптическая плотность дыма (оптическая плотность дыма на 1 м2 образца) за 2 мин (^2), 4 мин (В4) и максимальная (Отах) в течение времени эксперимента (15 мин) (безразмерные величины);

• тепловыделение при горении (см. приложение Б, часть IV; метод испытаний на проточном калориметре типа ОБИ, зарубежный аналог — АБТМ Е906, конфигурация А). Размер образцов 150x150 мм. Режим испытаний: вертикальная ориентация образца; тепловой поток на образец плотностью 35 кВт/м2 + пламя инициирующей пилотной горелки + пламя верхней горелки, обеспечивающей сгорание продуктов термодеструкции. Продолжительность эксперимента 5 мин. Регистрируемые параметры: максимальная интенсивность выделения тепла (пик) (кВт/м2), общее количество тепла, выделившегося за первые 2 мин испытания (кВт-мин/м2), время до начала воспламенения/положительного тепловыделения (с).

Обоснование используемых методов оценки пожарной опасности для материалов авиационного назначения приведено в [17-19].

* Согласно требованиям АП-25 необходимо определять максимальную оптическую плотность дыма за первые 4 мин испытания в режиме горения, однако в данной работе определялись и другие параметры.

Перед проведением испытаний с целью определения характеристик пожарной опасности образцы термостатировали при следующих условиях: относительная влажность (50+5) %, температура (23+2) °С, продолжительность — не менее 24 ч. При проведении исследований для каждого вида (режима) испытаний использовали по три параллельных образца.

Результаты эксперимента

Полученные в экспериментах результаты представлены в сводной таблице. На рис. 1 и 2 приведены графики показателей пожарной опасности для

Характеристики пожарной опасности исходных образцов стеклопластиков и образцов после теплового воздействия

250

Характеристика Значение до/после теплового воздействия

Эпоксидная смола холодного отверждения Эпоксидная смола горячего отверждения Фенольная смола Полиэфирная смола

Горючесть:

- длина прогорания, мм П. в. д.* П. в. д. 110 106 15 15 П. в. д. П. в. д.

- продолжительность остаточного самостоятельного горения, с 48 7 0 0 0 0 23 19

Дымообразующая способность (оптическая плотность) в режиме:

- горения:

за 2 мин В2 175 109 205 194 6 5 156 78

за 4 мин В4 184 130 209 197 20 10 160 86

максимальная Втах 187 132 209 197 36 13 160 86

- пиролиза:

за 2 мин В2 63 19 46 45 3 0 13 4

за 4 мин В4 177 71 110 109 11 2 39 21

максимальная Втах 241 222 147 144 29 9 111 86

Тепловыделение при горении:

- максимальная интенсивность выделения тепла ИЯКтах, кВт/м2 225 207 118 104 74 65 212 153

- общее количество выделившегося за 2 мин тепла ТКИ2, кВт-мин/м2 170 172 74 84 71 60 156 112

* П. в. д. — образец прогорает по всей длине.

200

к и

250 200 150 100

и

к 50

Ё

о

о

М и и в"

В

О

200

150

м

и и в"

В

О

100

50

150

100

2,

1 У у у

./7 ----- У

1/ 1 1 2' -/ ✓ У

и ' / / /

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Время, с

б

0

50

40

30

20

10

1

1'

2 2'

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Время, с

2

__ ___

/ Л- _ и— _✓

100 200 300 400 500 600 700 800 9( Время, с

1 Г

/ 1- 2

/ 1'

1 У ** У У у у У

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Время, с

Рис. 1. Графики дымообразования стеклопластиков в режиме горения (1,1') и пиролиза (2, 2') в исходном состоянии (1, 2) и после теплового старения (1', 2'): а—на эпоксидном связующем холодного отверждения ЭД-20; б — на эпоксидном связующем горячего отверждения ЭДТ-69; в — на феноль-ном связующем ФПР-520; г — на полиэфирном связующем Р805ТБ

И

§ I

Я Ч

я И

§ I

И С

5

о н я к 8 § Й я

к ё

о

250 200 150 100 50 О

-50

125 100 75 50 25 О -25

80 60 40 20 О -20

//\\ 1 \

2\

О

60

120 180 Время, с

240

300

и

\\

^2 NN

0

60

120 180 Время, с

240

300

\\ \\

2

1

60

120 180 Время, с

240

300

(Ч 250

н

£<а 200

О св Я в 150

к « о н 100

Я № Н « н 3 я 1 50

0

* о -50

1

2\

1 \ \ / \ V

II \ /1 ч

II --

60

120 180 Время, с

240

300

Рис. 2. Графики тепловыделения стеклопластиков в исходном состоянии (/) и после теплового старения (2): а — на эпоксидном связующем холодного отверждения ЭД-20; б — на эпоксидном связующем горячего отверждения ЭДТ-69; в — на фенольном связующем ФПР-520; г — на полиэфирном связующем Г805ТБ

материалов до теплового старения (исходных) и после него. Согласно принципам, изложенным в [20], по полученным данным рассчитаны различные индивидуальные характеристики пожарной опасности и сводная интегральная характеристика (рис. 3).

На основании сопоставления данных таблицы видно, что тепловое старение приводит к улучшению характеристик горючести: уменьшается продолжительность остаточного самостоятельного горения и/или длина прогорания. Наиболее интенсивное улучшение данных характеристик наблюдается

>к о а и

I Горючесть  Тепловыделение

I Дымообразование  Комплексная оценка

& -

Эпоксидная Эпоксидная Фенольная Полиэфирная

смола смола смола смола

холодного горячего

отверждения отверждения

Рис. 3. Влияние теплового старения на изменение характеристик пожарной опасности стеклопластиков на основе полимерных связующих различных типов

у наиболее горючих материалов — стеклопластиков на эпоксидном связующем холодного отверждения ЭД-20 и полиэфирной смоле Р805ТЕ

Полученные данные по дымообразованию (см. таблицу и рис. 1) показывают, что для исследованных образцов материалов характеристики оптической плотности дыма также улучшаются. Снижение максимальной интенсивности оптической плотности дыма после теплового старения может достигать 50 % от показателей исходного материала.

Показатели тепловыделения материалов при горении (см. таблицу и рис. 2) после воздействия на них выбранного режима теплового старения меняются неоднозначно: у всех образцов происходит снижение максимальной интенсивности выделения тепла, однако общее количество выделившегося тепла в зависимости от вида материала и периода измерения может и возрасти. Интегральная оценка по тепловыделению показывает, что у всех испытываемых материалов тепловыделение снижается.

Общая комплексная оценка пожарной опасности испытываемых материалов (см. рис. 3), рассчитанная как среднеквадратичное из их индивидуальных характеристик, показывает, что в результате воздействия выбранных уровней и доз теплового воздействия на образцы пожарная опасность материалов снижается.

Улучшение физико-механических характеристик на начальном этапе натурного климатического старения или в результате теплового старения — известный факт [21,22]. Эти улучшения вызваны либо доотверждением полимерной матрицы, либо снятием термических напряжений, возникших в материале в процессе его изготовления. В данном случае для повышения пожаробезопасности в процессе теплового старения в образцах материалов должны были протекать процессы, способствующие уменьшению содержания в них низкотермостойких горючих продуктов. К такому результату могла привести дополнительная термосшивка (доотверждение) по-

лимерной матрицы либо удаление низкомолекулярных летучих продуктов. Существенной деструкции основной цепи полимерной матрицы при этом происходить не должно.

Выводы

Исследования стеклопластиков на эпоксидном связующем холодного и горячего отверждения, фе-нольном связующем, полиэфирной смоле показали, что тепловое старение их в течение 2000 ч при температуре +120 °С, как правило, приводит к снижению пожарной опасности материалов.

Это может быть объяснено тем, что в условиях выбранных режимов воздействия, видимо, происходят процессы доотверждения полимерной матрицы, а процессы термодеструкции не имеют места или незначительны либо происшедшее изменение структуры материала положительно сказывается на пожаробезопасности материалов.

В дальнейшем планируется проведение исследований по совместному влиянию факторов повышенной температуры и влажности, а также перепадов температур на характеристики пожарной опасности полимерных композиционных материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барботько С. Л. Пожаробезопасность авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. —2012. — № S. — С. 431-439.

2. Авиационные правила. Глава 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории // Межгосударственный авиационный комитет. Изд. 3-е с попр. 1-6. — М.: ОАО Авиаиздат, 2009. — 274 с.

3. Sarcos G. Evolution of FAA Fire Safety R&D Over the Years / The Fifth Triennial Fire & Cabin Safety Research Conference, October 29-November 1,2007, Atlantic City,NJ. URL: http://www.fire.tc.faa.gov/ 2007Conference/files/General_Fire/TueAM/SarkosFAAFire/SarkosFAAFirePres.pdf (дата обращения: 18.07.2013 г.).

4. Marker T. Burnthrough Overview / The Fifth Triennial Fire & Cabin Safety Research Conference, October 29 - November 1, 2007, Atlantic City, NJ. URL : http://www.fire.tc.faa.gov/2007Conferen-ce/files/Burnthrough/WedAM/MarkerBurnthrough/MarkerburnthroughoverviewPres.pdf (дата обращения: 18.07.2013 г.).

5. Composite materials handbook. V. 1. Polymer matrix composites guidelines for characterization of structural materials. — MIL-HDBK-17-1F. — 586 p.

6. Способы и средства огнезащиты древесины : руководство (перераб. и доп.). — М. : ВНИИПО, 1998.—23 с.

7. Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Горение древесины и ее пожароопасные свойства. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2010. — 262 с.

8. Горение, деструкция и стабилизация полимеров / Под ред. Г. Е. Заикова. — СПб. : Научные основы и технологии, 2008. — 422 с.

9. The impact of thermal aging on the flammability of electric cables / Prepared by S. P. Nowlen // NUREG/CR-5619 SAND90-2121 Sandia National Laboratories, 1991. — 44 p. URL: http://pba-dupws.nrc.gov/ docs/ML0625/ML062510133.pdf (дата обращения: 18.07.2013 г.).

10. CloughR. L. Aging effects on fire-retardant additives in polymers // Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition. — 1983. — Vol. 21. — P. 767-780.

11. Кириллов В. H., Старцев О. В., Ефимов В. А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути решения // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № S. — C. 412-423.

12. Tian W., Hodgkin /.Long-term aging in a commercial aerospace composite sample: Chemical and physical changes // Journal of Applied Polymer Science. — 2010. — Vol. 115. — P. 2981-2985.

13. Барботько С. Л. Пути обеспечения пожарной безопасности авиационных материалов // Российский химический журнал. — 2010. — Т. LIV, № 1. — С. 121-126.

14. Кузьмин С. В., Барботько С. Л. Влияние некоторых факторов на тепловыделение стеклопластиков // Авиационные материалы и технологии. — 2002. — Вып. 3. — С. 51-54.

15. Пат. 2467042 С1 Российская Федерация. МПКC09D 5/33 (2006.01), C09D 175/04 (2006.01). Полимерная теплоотражающая композиция для покрытия / МаловаН. Е., КабловЕ. Н., Кондратов Э. К., Веренникова Н. П., Барботько С. Л. — № 2011122924/05; заявл. 07.06.2011 г.; опубл. 20.11.2012 г., Бюл.№ 32.

16. Шуркова Е. H., Вольный О. С., Изотова Т. Ф., Барботько С. Л. Исследование возможности снижения тепловыделения при горении композиционного материала за счет изменения его структуры // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № 1. — С. 27-30.

17. Барботько С. Л., Кириллов В. Н., Шуркова Е. Н. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов авиационного назначения // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — № 3. — С. 56-63.

18. Барботько С. Л., Шуркова Е. Н. О пожарной безопасности материалов, используемых для изготовления внешнего контура самолетов // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 10. — С. 19-24.

19. Барботько С. Л., Шуркова Е. Н., Вольный О. С., Скрылёв Н. С. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов для внешнего контура авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. — 2013. — № 1. — С. 56-59.

20. Барботько С. Л., Голиков Н. И. О комплексной оценке пожарной опасности материалов // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 6. — С. 16-24.

21. Кириллов В. Н., Ефимов В. А., Вапиров Ю. М. К вопросу о возможности прогнозирования атмосферной стойкости ПКМ // Докл. VII науч. конф. по гидроавиации "Гидросалон-2008". — М., 2008. —С. 307-313.

22. Barbaux Y., Cinquin /.Materials for supersonic civil transport aircraft // Aerospace Materials / Ed. Brian Cantor, Hazel Assender and Patrick Grant. — Department of Materials, University of Oxford, UK, 2001.—P. 28-37.

Материал поступил в редакцию 6 августа 2013 г.

= English

INFLUENCE OF LONG THERMAL EXPOSURE ON FIRE SAFETY OF POLYMERIC MATERIALS

BARBOTKO S. L., Candidate of Technical Sciences, Head of Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials", State Research Center of the Russian Federation

BARBOTKO M. S., Engineer of 1st Category of Open Society Research-and-Production Association "Energomash" named after Academician V. P. Glushko

VOLNYY O. S., Engineer of 2nd Category in Laboratory "Research of Nonmetallic Materials on Climatic, Microbiological Resistance and Fire Safety", Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials", State Research Center of the Russian Federation

POSTNOV V. I., Doctor of Technical Sciences, Head of Ulyanovsk Science-Technological Centre, Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials", State Research Center of the Russian Federation

ABSTRACT

All the polymeric materials used for manufacturing external contour of complex technical systems are undergoing influence of an environment. The greatest influence on polymeric materials is associated with factors of temperature and the increased humidity. Influence of these factors on materials leads to degradation of their main certificates of service. One of the major characteristics for polymeric materials is its fire safety. In the given work the influence of the long thermal exposure simulating 15-20 years of operation without taking into account influence of humidity, on characteristics of fire safety was studied. Research was executed for four kinds of fibreglasses on following kinds of polymeric matrixes: polyester resin, cold-setting epoxy resin, hot-setting epoxy resin containing fire-retardant additives, phenolic fire resistance resin. Tests of initial samples of materials and after thermal aging at raised temperature +120 °C within 2000 hours was carried out. Following characteristics of fire danger according to requirements of aviation norms were defined: flammability, optical smoke density, heat release. Also the complex index of fire danger was calculated. It is shown, that after the chosen dose of thermal exposure the characteristics of fire safety as a rule improved:

there were a reduction of duration of residual burning and/or lengths of a burn-out, optical density of a smoke, the maximal heat release rate. The greatest changes have been registered for glass-reinforced plastics on polyester binder and cold-setting epoxy resin. It is the most probable that the occurred changes are caused due to post cure effect of a polymeric matrix, elimination and additional cross-link processes, and also removal from the material combustible low-molecular products.

Keywords: polymeric composite materials; fire safety; heat aging.

REFERENCES

1. Barbotko S. L. Pozharobezopasnost aviatsionnykh materialov [Fire safety of aviation materials]. Avia-tsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. S, pp. 431-439.

2. Aviation Rules. Chapter 25. Airworthiness norms of a transport category airplanes. Interstate Aviation Committee. 3rd ed. with amendments 1-6. Moscow, Aviaizdat, 2009. 274 p. (in Russian).

3. SarcosG. Evolution of FAA Fire Safety R&D Overthe Years. Fifth Triennial Fire & Cabin Safety Research Conference, October 29 -November 1,2007, Atlantic City, NJ. Available at: http://www.fire.tc.faa.gov/ 2007Conference/files/General_Fire/TueAM/SarkosFAAFire/SarkosFAAFirePres.pdf (Accessed July 2013).

4. Marker T. Burnthrough Overview. Fifth Triennial Fire & Cabin Safety Research Conference, October 29 -November 1, 2007, Atlantic City, NJ. Available at: http://www.fire.tc.faa.gov/2007Conference/ files/Burnthrough/WedAM/MarkerBurnthrough/MarkerburnthroughoverviewPres.pdf (Accessed July 2013).

5. Composite materials handbook. Vol. 1. Polymer matrix composites guidelines for characterization of structural materials, MIL-HDBK-17-1F. 586 p.

6. Sposoby i sredstva ognezashchity drevesiny. Rukovodstvo [Ways and means of fire safety wood. A manual]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection Publ., 1998. 23 p.

7. AseevaR. M., Serkov B. B., Sivenkov A. B. Goreniye drevesiny iyeyepozharoopasnyye svoystva [Burning of wood and its fire-dangerous properties]. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2010. 262 p.

8. Zaikov G. E. (ed.) Goreniye, destruktsiya i stabilizatsiyapolimerov [Burning, destruction and stabilization of polymers]. St.-Petersburg, Scientific Bases and Technologies Publ., 2008. 422 p.

9. The impact of thermal aging on the flammability of electric cables. Prepared by S. P. Nowlen. NUREG/CR-5619 SAND90-2121 Sandia National Laboratories, 1991. 44 p. Available at: http://pba-dupws.nrc.gov/docs/ML0625/ML062510133.pdf (Accessed July 2013).

10. Clough R. L. Aging effects on fire-retardant additives in polymers. Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition, 1983, vol. 21, pp. 767-780.

11. Kirillov V. N., Startsev O. V., Efimov V. A. Klimaticheskaya stoykosti povrezhdayemostpolimernykh kompozitsyonnykh materialov, problemy i puti resheniya [Climatic stability and damageability of polymeric composite materials, problems and ways of the decision]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. S, pp. 412-423.

12. Tian W., Hodgkin J. Long-term aging in a commercial aerospace composite sample: chemical and physical changes. Journal of Applied Polymer Science, 2010, vol. 115, pp. 2981-2985.

13. Barbotko S. L. Puti obespecheniya pozharnoy bezopasnosti aviatsionnykh materialov [Ways of ensuring fire safety of aviation materials]. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal — Russian Chemical Journal, 2010, vol. LIV, no. 1, pp. 121-126.

14. Kuzmin S. V., Barbotko S. L. Vliyaniyenekotorykhfaktorovnateplovydeleniye stekloplastikov [Influence of some factors on a hear release of fibreglasses]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2002, Issue 3, pp. 51-54.

15. MalovaN. E., Kablov E. N., Kondrashov E. K., VerennikovaN. P., Barbotko S. L. Polimernayateplo-otrazhayushchaya kompozitsiya dlya pokrytiya [Polymeric heat-reflecting coating composition]. Patent RF, no. 2467042, 2011.

16. Shurkova E. N., Volnyy O. S., Izotova T. F., Barbotko S. L. Issledovaniye vozmozhnosti snizheniya teplovydeleniya pri gorenii kompozitsionnogo materiala putem izmeneniya yego struktury [Research of an opportunity to reduction the heat release at burning for polymer composite material due to a changing of its structure]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2012, no. 1, pp. 27-30.

17. Barbotko S. L., Kirillov V. N., Shurkova E. N. Otsenka pozharnoy bezopasnosti polimernykh kompo-zitsionnykh materialov aviatsionnogo naznacheniya [Estimation of fire safety for polymeric composite materials of aviation purpose]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii —Aviation Materials and Technology, 2012, no. 3, pp. 56-63.

18. Barbotko S. L., Shurkova E. N. O pozharnoy bezopasnosti materialov, ispolzuyemykh dlya izgotovle-niya vneshnego kontura samolyetov [About fire safety of the materials used for manufacturing of external contour of aircrafts]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 10, pp. 19-24.

19. Barbotko S. L., Shurkova E. N., VolnyyO. S., SkrylyevN. S. Otsenka pozharnoy bezopasnosti polimernykh kompozitsionnykh materialov dlya vneshnego kontura aviatsionnoy tekhniki [Estimation of fire safety of polymeric composite materials for an external contour of aviation technics]. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii — Aviation Materials and Technology, 2013, no. 1, pp. 56-59.

20. Barbotko S. L., GolikovN. I. Okompleksnoyotsenkepozarnoy opasnosti materialov [About a complex estimation of fire danger of materials]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 6, pp. 16-24.

21. Kirillov V. N., Efimov V. A., Vapirov Yu. M. K voprosu o vozmozhnosti prognozirovaniya atmosfer-noy stoykosti PKM [To question on opportunity of forecasting of atmospheric stability of PCM]. Do-klady VIInauchnoy konferentsiipo gidroaviatsii "Gidrosalon-2008" — Reports of VIIScientific Conference on Hydroaviation "Gidrosalon-2008". Moscow, 2008, pp. 307-313.

22. BarbauxY., Cinquin J. Materials for supersonic civil transport aircraft. In: Aerospace Materials. Ed. Brian Cantor, Hazel Assender and Patrick Grant. Department of Materials, University of Oxford, UK, 2001, pp. 28-37.

Издательство «П0ЖНАУКА»

ВНИМАНИЕ! Распространяется БЕСПЛАТНО!

Средcréa огне- и бнозащсты

А. Я. Корольченко, 0. Н. Корольченко

СРЕДСТВА ОГНЕ- и БИОЗАЩИТЫ

Изд. 3-е, перераб. и доп. - 2010. - 250 с.

В третье издание внесены существенные изменения: включена глава, посвященная механизму огнебиозащиты древесины, расширена глава по анализу требований, содержащихся в нормативных документах по средствам огнезащиты, и их применению в практике строительства. Приведена информация ведущих производителей средств, предлагаемых на отечественном рынке для огнезащиты: древесины (пропитки, лаки и краски), несущих металлических конструкций (средства для конструктивной огнезащиты, огнезащитные штукатурки, вспучивающиеся покрытия), воздуховодов, кабелей и кабельных проходок, ковровых покрытий и тканей. Представлены также биозащитные составы для древесины.

Информация о средствах огне- и биозащиты вкючает данные о рекомендуемых областях их применения, эффективности, технологии нанесения, организациях-производителях.

Издание предназначено для работников проектных организаций, специалистов в области огне- и биозащиты и пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail @firepress.ru