Влияние структуры стеклопластика на тепловыделение при горении

С. Л. Барботько

канд. техн. наук, начальниклаборатории "Исследования на пожарную безопасность, климатическую и микробиологическую стойкость" ФГУП "ВИАМ", г. Москва, Россия

Т. Ф. Изотова

ведущий инженер лаборатории "Декоративные, акустические, технические текстильные и термопластичные конструкционные материалы" ФГУП "ВИАМ", г. Москва, Россия

УДК 614.841.41:629.7.042.2

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ СТЕКЛОПЛАСТИКА НА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ ГОРЕНИИ

Показано существенное влияние типа стеклоткани (поверхностная плотность, толщина, тип волокон) на пожаро-безопасность полимерных композиционных материалов, а именно на характеристики тепловыделения при горении (максимальную интенсивность и общее количество выделившегося тепла).

Ключевые слова: тепловыделение при горении; полимерный композиционный материал; стеклопластик.

Введение

Обычно при сопоставлении характеристик пожарной опасности различных полимерных композиционных материалов (ПКМ) наибольшее внимание уделяют виду полимерной матрицы и процентному содержанию связующего. Часто считается, что на характеристики пожарной опасности (горючесть, воспламеняемость, дымообразование и др.) инертный наполнитель (не воспламеняющийся и не деструктирующий в пламени) оказывает влияние только с точки зрения снижения горючей составляющей в материале, а влияние структуры ПКМ на процессы горения практически отсутствует. Другими словами, полагают, что при одном и том же содержании одного и того же связующего, при одинаковой толщине (или поверхностной массе) стеклопластика независимо от вида стеклоткани (марка волокна, поверхностная плотность стеклоткани, тип переплетения) либо при использовании ровин-га или рубленого стекловолокна результаты определения характеристик пожарной опасности практически не меняются. Считается, что на изменение показателей пожарной опасности, в крайнем случае, могут оказывать влияние такие характеристики, как теплоемкость и теплопроводность наполнителя. Это мнение обосновывается тем фактором, что масса и состав горючей составляющей постоянны, масса инертного наполнителя всегда одна и та же, следовательно, количество выделяемого тепла и тепловые потери на прогрев наполнителя постоянны.

Однако в ряде случаев изменения структуры полимерного композиционного материала при сохранении процентного содержания его составных час© Барботько С. Л., Изотова Т. Ф., 2011

тей могут оказывать существенное влияние на регистрируемые показатели пожарной опасности. Так, в работе [1] было показано, что структура наполнителя в ПКМ может влиять на такую характеристику горючести, как продолжительность остаточного горения (испытания проводили по методу, используемому для материалов авиационного назначения [2, Прил. Б, Ч. I]).

Теоретическое обоснование работы

В условиях пожара под действием пламени и теплового потока происходит термодеструкция и постепенное выгорание полимерного связующего, в результате чего обнажаются слои инертного наполнителя. Оказавшись на поверхности, они под действием парогазовых продуктов термодеструкции раздвигаются, и площадь их взаимного контакта существенно сокращается. В условиях передачи тепла преимущественно лучистым потоком слои стеклоткани работают как тепловые экраны, в результате чего падающий на полимер тепловой поток многократно уменьшается, что приводит к снижению интенсивности термодеструкции и массовой скорости выгорания. Количество передаваемого тепла в зависимости от количества тепловых экранов меняется по закону [3]:

9вых = 9пад /(1 + П ),

где дпад и двых — падающий и выходящий тепловые

потоки, Вт/м2;

п — количество тепловых экранов.

Для снижения интенсивности выделения тепла при горении сотовых панелей интерьера имеется техническое решение, предусматривающее приме-

Таблица 1. Марки стеклотканей, наиболее широко используемые при изготовлении конструкционных стеклопластиков авиационного назначения

Марка НТД Толщина, Поверхностная Плотность нитей на 1 см Разрывная нагрузка, кН Тип

стеклоткани мм плотность, г/м2 по основе по утку по основе по утку переплетения

Т-10(ВМП)-4с ТУ 5952-183-05786904- -2004 0,25 + 0,02 310-10 36+1 20 + 1 > 3,2 > 1,8 Сатин 8/3

Т-10-80 ГОСТ 19170-2001* 0,25 + 0,02 290 + 7 36+1 20 + 1 > 2,8 > 1,4 То же

Т-64(ВМП)-270 ТУ 5952-009-16319666- -98 0,09 + 0,01 100 + 5 25-1 24 + 1 > 0,9 > 0,5 Сатин 4-ремизный

Т-60(ВМП) ТУ 6-48-05786904-111- 92 < 0,22 215 + 15 24+1 6 + 1 > 2,5 > 0,3 Полотно

Т-15(П)-76 ТУ 6-48-107-94 0,19 + 0,03 160 + 16 24+1 18 + 1 > 0,8 > 0,7 Сатин 5/3

нение промежуточных огнеблокирующих слоев из металлической фольги или другого негорючего материала [4]. Однако использование дополнительных слоев приводит к утяжелению материала. Кроме того, зачастую для их монтажа необходимо использовать клей, что приводит к дополнительному выделению тепла при горении защищаемого элемента конструкции.

Снижение тепловыделения путем использования тепловых экранов при изготовлении композиционных материалов может быть достигнуто другим способом.

В зависимости от поставленных задач при изготовлении ПКМ могут применяться различные стеклоткани. Наиболее часто используемые для изготовления ПКМ авиационного назначения марки конструкционных стеклотканей представлены в табл. 1. Поверхностная плотность (масса 1 м2) и толщина одного слоя в зависимости от марки стеклоткани могут различаться в несколько раз. Следовательно, при использовании более тонкой (легкой) стеклоткани количество слоев для стеклопластиков с одной и той же поверхностной плотностью во столько же раз будет больше.

Увеличение количества слоев стеклоткани при одной и той же массе выгоревшего связующего обеспечивает более эффективное снижение проникающего лучистого теплового потока, а следовательно, и уменьшение скорости деструкции полимера и количества выделяющихся горючих парогазовых продуктов термодеструкции. Другими словами, использование более тонкой (легкой) стеклоткани при изготовлении стеклопластика той же заданной толщины (поверхностной плотности) должно приводить к снижению интенсивности выделения тепла.

Это предположение было проверено расчетами с использованием математической модели прогрева - термодеструкции - тепловыделения материалов [5-7].

Полученные расчетные кинетические кривые процесса тепловыделения при горении данных мо-

120 100 80 60 40 20 0 -20

1/

// /л- \\ Зу-'-Ч

/ " \-V-4

\ \ \ \ \ -  _

\

0

60

120 180 Время, с

240

300

Рис. 1. Расчетные данные по влиянию поверхностной плотности стеклоткани на кинетику тепловыделения модельного стеклопластика толщиной 1 мм: 1 — 400 г/м2; 2 — 200 г/м2; 3 — 100 г/м2; 4 — 50 г/м2

дельных стеклопластиков приведены на рис. 1. При выполнении расчетов для приведенных графиков были приняты следующие основные исходные данные:

Расчетная толщина стеклопластика,

мм

Расчетное количество элементарных слоев .......10

Содержание связующего (одинаковое

во всех элементарных слоях)..................40

Теплота сгорания, кДж/г.....................30

Полнота сгорания ..........................0,8

Коксовое число ...........................0,25

Теплота пиролиза, кДж/г......................2

Температура термодеструкции, °С............400

Теплоемкость пластика, Дж/(г-К).............1,25

Теплопроводность, Вт/(м-К)..................0,2

Количество слоев стеклоткани заданной поверхностной плотности для стеклопластика толщиной 1 мм:

50 г/м2....................................20

100 г/м2...................................10

200 г/м2....................................5

400 г/м2...................................2,5

По расчетным графикам кинетики тепловыделения видно, что в зависимости от количества тепло-отражающих слоев, образующихся в процессе горения материала с различной поверхностной плотностью как стеклопластика, так и использованной стеклоткани, максимальная скорость тепловыделения и общее количество выделившегося тепла (площадь под кривой) за 1 и 2 мин меняются в 1,2.. .1,7 раза.

На самом деле, при использовании тонких и плотных стеклотканей эффект снижения тепловыделения может быть выше за счет повышения гидравлического сопротивления выходу на поверхность образующихся горючих продуктов термодеструкции, в результате чего на слоях стеклоткани образуется дополнительный слой кокса — припек, т. е. повышается коксовое число и снижается полнота сгорания полимерной составляющей.

Полученные расчетные данные необходимо было проверить экспериментально.

Оборудование, методика проведения испытаний и образцы

Испытания образцов композиционных материалов на тепловыделение при горении* проводили на модифицированном проточном калориметре типа OSU марки HRR-3, изготовленном Atlas Electric Devices (США) и эксплуатируемом в ФГУП "ВИАМ" с 1998 г. Подробное описание аппаратуры и методики проведения испытаний приведено в Авиационных правилах [2, Прил. F, Ч. IV]. В соответствии с отечественными авиационными нормами испытания образцов проводятся в течение 5 мин при вертикальном положении образца. Для испытаний используют квадратные образцы размером 150x150 мм и толщиной до 40 мм. Перед испытанием образец заворачивают в алюминиевую фольгу и помещают в держатель таким образом, чтобы оставалась открытой только экспонируемая поверхность размером 140x140 мм. Во время испытания на открытую поверхность образца воздействует постоянный во времени и равномерный по поверхности тепловой поток мощностью 35 кВт/м2. Воспламенение образца инициируется пламенем пилотной горелки. Согласно требованиям [2] при проведении испытаний определяют: максимальную скорость выделения тепла (пик) в кВт/м2 и общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания в кВт-мин/м2 (1 кВт-мин/м2 = 0,06 МДж/м2).

В качестве образцов для испытаний были выбраны стеклопластики на различных связующих: модельный термопластичный некоксующийся материал — полиэтилен высокого давления ПЭВД 1000x70

* Испытания по определению характеристик тепловыделения выполнены сотрудником ФГУП "ВИАМ" О. С. Вольным.

Таблица 2. Экспериментальные данные по тепловыделению стеклопластиков на основе различных типов стеклоткани и полимерных матриц

Марка стеклоткани Количество слоев стеклоткани Содержание связующего, % Поверхностная плотность, г/м2 Толщина, мм Максимальная скорость тепловыделения (пик), кВт/м2 Общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин, кВт-мин/м2

Матрица — полиэтилен ПЭВД

Т-10(ВМП)-4с 1 41,5 540 0,37 290 159

2 37,4 1010 0,65 362 245

3 39,2 1560 1,03 306 289

6 35,7 2950 2 268 272

Т-64(ВМП)-270 2 41,4 340 0,23 219 85

4 40,5 670 0,45 284 160

9 41,7 1540 1,04 272 273

20 39,6 3300 2,23 252 254

Т-15(П)-76 2 38,5 540 0,4 170 109

3 38,5 810 0,6 222 177

5 37,1 1320 0,96 196 222

11 38,1 2950 2,25 231 208

Матрица — полисулъфон ПСФ-150

Т-10(ВМП)-4с 1 41,5 540 0,3 46 32

2 37,4 1010 0,52 57 47

3 36,8 1500 0,85 65 58

6 36,6 2990 1,7 67 48

Т-64(ВМП)-270 2 41,4 340 0,2 15 15

4 41,4 680 0,39 26 19

9 39,4 1480 0,84 47 20

20 39,0 3270 1,83 61 5

Т-15(П)-76 2 38,7 542 0,35 21 19

3 35,3 770 0,48 25 21

5 51,5 1710 1,19 45 24

11 43,8 3250 2,1 54 13

Матрица — - фенолъное связующее ФП-520

Т-10-80 2 34,2 875 0,4 62 31

4 33,4 1730 1 70 53

6 20,0 2160 1,5 97 93

8 18,6 2830 2 131 106

Т-15(П)-76 2 39,6 550 0,3 32 27

3 37,8 800 0,4 34 29

4 45,1 1210 0,8 42 36

6 33,1 1490 1 57 41

10 18,2 2030 1,5 76 53

12 21,6 2540 2 94 91

(по ГОСТ 10354-82), термопластичный коксующийся материал — полисульфон ПСФ-150 (по ТУ 6-06-6-88) и термореактивный материал — феноль-ное связующее ФП-520 (по ТУ 1-595-25-276-95). Для изготовления стеклопластиков использовали стеклоткани Т-10, Т-15(П) и Т-64 (см. табл. 1 и 2). Количество слоев стеклоткани в образцах варьировали от 1 до 20 в зависимости от марки стеклоткани и необходимой толщины образца. Поскольку тепловыделение материала существенным образом зависит от толщины образца, то для проведения исследований были изготовлены образцы разной толщины — от 0,2 до 2 мм. Среднее содержание термопластичного полимерного связующего в образцах составляло 40 %, термореактивного — 30 %. Режимы формования образцов стеклопластиков: на полиэтилене — давление 10 кгс/см2, температура 160 °С, выдержка 10...20 мин (в зависимости от толщины образца); на полисульфоне — давление 15 кгс/см2, температура 290 °С, выдержка 15.30 мин (в зависимости от толщины образца); на фенольном связующем—давление 15 кгс/см2, температура 210 °С, выдержка 1 ч.

Результаты

Экспериментальные данные по характеристикам тепловыделения для различных стеклопластиков приведены в табл. 2. На рис. 2 представлены графики, подтверждающие существенное влияние поверхностной массы стеклоткани из сплошного стекловолокна как на максимальную интенсивность выделения тепла, так и на общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания. Видно, что при использовании более тонкой стеклоткани максимальная интенсивность тепловыделения и общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания снижаются на 20.80 % в зависимости от толщины образца и вида полимерной матрицы.

Наибольшее изменение максимальной интенсивности тепловыделения наблюдается при испытаниях сравнительно тонких образцов (до 1 мм). Для образцов большей толщины (свыше 2 мм) влияние поверхностной плотности стеклоткани на максимальную интенсивность тепловыделения снижается до 10.20 %, что может быть объяснено увеличением доли затрат тепла на прогрев образца в первоначальный период времени.

При изготовлении стеклопластиков может использоваться и стеклоткань на основе полых волокон, например Т-15(П)-76 (см. табл. 1). При заданной толщине стеклопластика такая ткань обеспечивает снижение поверхностной плотности материала на 20.30 %. Полая стеклоткань обладает меньшей теплопроводностью по сравнению со стеклотканя-

£

400 г 350 300 250 200 150 100 50

1

V

-

Г / кр

/

2'0

и

№

и §

ч Я м о

£

70 г 60 50 40 30 20 10

0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 Толщина, мм

б

-А

1 /

д' —-д

г/ Л /

¿Г-о-" 2' ------

0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 Толщина, мм

Рис. 2. Влияние массы стеклоткани Т-10(ВМП)-4с (310 г/м2) (1, 1') и Т-64(ВМП)-270 (97 г/м2) (2, 2') на тепловыделение для стеклопластиков на полиэтилене ПЭВД (а) и полисульфоне ПСФ-150 (б): 1,2 — пик, кВт/м2; 1', 2' —общее тепловыделение за первые 2 мин, кВт-мин/м2

400 г

350

300

250

200

150 :

е2

и §

£

50 500

70 60 50 40 30 20

--

______О— ,, —

¿/''.я''' --«— 2

/2'

1000 1500 2000 2500 Поверхностная плотность, г/м2

3000

10

1^

^ г у Г 2- £

2'

-о

500 1000 1500 2000 2500 3000 Поверхностная плотность, г/м2

3500

Рис. 3. Влияние типа стеклоткани Т-10(ВМП)-4с (1, 1') и Т-15(П)-76 (2,2') на тепловыделение для стеклопластиков на полиэтилене ПЭВД (а), полисульфоне ПСФ-150 (б): 1, 2 — пик, кВт/м2; 1', 2' —общее тепловыделение за первые 2 мин, кВт-мин/м2

дены графики зависимости тепловыделения от поверхностной плотности материала. Видно, что при использовании полой стеклоткани вместо ткани из сплошного стекловолокна в отдельных случаях может быть достигнуто двукратное снижение тепловыделения при горении.

Выводы

Показано, что в зависимости от вида стеклоткани (толщина, поверхностная плотность, тип волокон) при одной и той же толщине стеклопластика и содержании связующего существенным образом изменяются характеристики тепловыделения при горении стеклопластиков.

Варьируя тип стеклоткани, в зависимости от вида связующего и толщины ПКМ можно добиться существенного снижения тепловыделения материалов как по максимальной интенсивности, так и по общему количеству выделяемого тепла за первые 2 мин.

Наибольшая эффективность снижения тепловыделения при горении за счет использования тонких стеклотканей наблюдается у стеклопластиков толщиной до 1 мм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барботько С. Л., Дементьева Л. А., Сереженков А. А. Горючесть стекло- и углепластиков на основе клеевых препрегов // Клеи. Герметики. Технологии. — 2008. — № 7.— С. 29-31.

2. Авиационные правила. Гл. 25: Нормы летной годности самолетов транспортной категории // Межгосударственный авиационный комитет. — Изд. 3-е с поправками 1-6. — М.: ОАО "Авиа-издат", 2009. — 274 с.

3. ЛыковА. В. Теория теплопроводности. — М. : Высшая школа, 1967. — 600 с.

4. Pat. 5 527 598 US. Composite sandwich element / Campbell F. S., Brownell P., Jordan R. E. — Jun. 18, 1996. URL : http://scholar.google.com.

5. Барботько С. Л. Моделирование процесса горения материалов при испытаниях по оценке тепловыделения // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 3. — С. 10-24.

6. Барботько С. Л., Вольный О. С., Изотова Т. Ф. Математическое моделирование тепловыделения при горении для полимерных композиционных материалов различной толщины // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 4. — С. 16-20.

7. Барботько С. Л. Оценка погрешностей сделанных допущений в математической модели тепловыделения при горении полимерных материалов // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 5. — С. 19-22.

Материал поступил в редакцию 25 июля 2011 г.

Электронный адрес авторов: slbarbotko@yandex.ru.

£

140 г 120 100 80 60 40

20 500

1Л

......

А—

4

t-- ......

1000 1500 2000 2500 3000 Поверхностная плотность, г/м2

Рис. 4. Влияние типа стеклоткани Т-10-80 (1, 1') и Т-15(П)-76 (2, 2') на тепловыделение для стеклопластиков на феноль-ном связующем ФП-520: 1, 2 — пик, кВт/м ; 1', 2'— общее тепловыделение за первые 2 мин, кВт-мин/м2

ми на сплошном стекловолокне (Т-10, Т-64), в соответствии с этим изменяется и динамика прогрева материала. Влияние замены сплошной стеклоткани на полую на характеристики тепловыделения приведено в табл. 2 и на рис. 3 и 4. Для объективного сравнения стеклопластиков с одинаковым содержанием полимерной составляющей на рис. 3 и 4 приве-