Особенности влияния атмосферных факторов на Авиационные органические стекла

УДК 620.1:66.017

И.В. Мекалина1, М.К. Айзатулина1, Е.Г. Сентюрин1, А.А. Попов1

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ НА АВИАЦИОННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СТЕКЛА

DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-11-28-34

Исследовано влияние атмосферных факторов на свойства полиметилметакрилатных и сополимерных органических стекол после старения в различных климатических зонах. Проведена оценка физико-механических и оптических характеристик, «серебростойко-сти», температуры размягчения органических стекол после старения в условиях ГЦКИ, штатов США Аризона и Флорида. Рассмотрены основные особенности климатического старения оргстекол частично сшитой структуры: полиметилметакрилатных типа СО-120С и сополимерных ВОС-1 и ВОС-2 - в ориентированном и неориентированном состояниях. Проведен сравнительный анализ полученных данных с серийно применяемыми оргстеклами СО-120А, А0-120 и Э-2.

Ключевые слова: органические стекла, полиметилметакрилат, сополимер, «серебро-стойкость», климатическое старение, атмосферостойкость, механические характеристики, коэффициент пропускания, эксплуатация, остекление.

I.V. Mekalina1, M.K. Aizatulina1, E.G. Sentjurin1, A.A. Popov1

FEATURES OF INFLUENCE OF ATMOSPHERIC FACTORS ON AVIATION ORGANIC GLASS

The paper studies the influence of atmospheric factors on the properties of polymethylmethacrylate and copolymer organic glasses after aging in different climatic zones. The assessment of physical and mechanical, optical characteristics, «silver resistance», softening temperature of organic glasses after aging in the conditions of FCC, Arizona (USA), Florida (USA). The basic features of the climatic ageing of organic glasses of the partially cross-linked structure: polimetilmetakrilata SO-120S and copolymer VOS-1 and VOS-2 - in the oriented and unoriented states. A comparative analysis of the data obtained with commercially used рlexiglas SO-120A, AO-120 and E-2.

Keywords: organic glass, polymethylmethacrylate, copolymer, «silver resistance», climatic aging, weather resistance, mechanical characteristics, transmittance, operation, glazing.

^Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru

Введение

В условиях эксплуатации наряду с воздействием эксплуатационных нагрузок детали остекления изделий авиационной техники также подвергаются воздействию атмосферных факторов - солнечной радиации, влаги, озона, тепла, кислорода воздуха и т. д. Поэтому при оценке эксплуатационной надежности материалов остекления на основе органических стекол большое внимание уделяется их атмосферостойкости [1, 2]. Стабильность свойств во времени при воздействии атмосферных факторов - одно из основных требований, предъявляемых к органическим стеклам для остекления самолетов.

На протяжении многих лет применения органических стекол в деталях остекления отечественных самолетов систематизированы данные по исследованию

атмосферостойкости в различных климатических зонах (умеренная, тропическая, субтропическая, полярная) серийных органических стекол линейного строения марок СО-120, АО-120 и Э-2, эксплуатирующихся в деталях остекления самолетов [2-4]. Опыт проведения длительных испытаний оргстекол в различных климатических зонах и результаты длительной эксплуатации оргстекол линейного строения на самолетах показали, что для изделий авиации атмосферостойкость органических стекол является одной из важнейших характеристик для прогнозирования ресурса их эксплуатации. Для оценки ресурсных характеристик вновь разработанных модифицированных оргстекол частично сшитой структуры типа СО-120С и сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 - в неориентированном и ориентированном состояниях, требуется получение аналогичных данных по их климатической стойкости в различных климатических зонах: с умеренным теплым климатом приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона) и субтропического (Флорида) климата США.

Высокие требования к атмосферостойкости авиационных органических стекол предъявляются и зарубежными производителями авиационной техники. Квалификационные испытания оргстекол по стандартам США требуют проверки стабильности свойств стекол после открытой экспозиции в Южной Флориде в течение 6 мес. По стандарту Великобритании необходима проверка состояния оргстекол после экспозиции во влажном жарком климате Квинселенда (Австралия) в течение 6 мес.

В 1967 году во ФГУП «ВИАМ» совместно с ЦАГИ разработано «Директивное указание о порядке проектирования, изготовления, испытания и эксплуатации фонарей с остеклением из органических стекол». Документ до настоящего времени во многом не потерял актуальности. Применение стекол типа СО-120 в ориентированном состоянии более предпочтительно, чем стекла в неориентированном состоянии. Выполнение рекомендаций, изложенных в данном директивном указании, гарантирует длительность эксплуатации деталей остекления из неориентированного стекла СО-120 в течение 5 и более лет и в течение 10 и более лет - деталей из ориентированного стекла [5-7].

Разработанная отечественная система создания авиационных органических стекол и деталей остекления на их основе основывается на рекомендациях паспортов, выпущенных в ВИАМ, на конкретные марки органических стекол на стадии их опытного освоения. Для серийного производства руководящими документами являются ГОСТ, технологический регламент на изготовление, технические условия, технологические рекомендации и производственные инструкции на технологию переработки, эксплуатации и ремонта [8-10].

Паспорта ВИАМ на конкретные марки органических стекол являются главными документами, которые определяют условия их применения и на первой стадии - ориентировочные сроки эксплуатации. Выбор материалов остекления для конкретных изделий авиационной техники осуществляется с помощью спецификаций, согласованных с ВИАМ. Особенностью отечественного производства деталей авиационной техники является то, что в большинстве они изготавливаются непосредственно в цехах авиационных заводов одновременно с изготовлением самолетов и вертолетов.

Оценка зарубежных органических стекол основывается на системе стандартов по типам материалов, независимо от конкретных марок и особенностей их составов. Применяемые в США акрилатные стекла должны отвечать требованиям стандартов -спецификаций MIL. За рубежом детали остекления изготавливают на специализированных предприятиях, отдельно от основных авиационных изделий. Однако в стандартах на исходные акриловые материалы содержатся требования по характеристикам для обеспечения эксплуатационной надежности деталей остекления: длительное водопо-глощение, искусственное и естественное старение, коэффициент роста трещин, «сереб-ростойкость» под нагрузкой при действии химических реагентов, которые реально могут действовать на поверхность оргстекол при эксплуатации (изопропиловый спирт, смесь толуола и изобутилацетата).

В данной работе исследовано влияние атмосферных факторов на свойства поли-метилметакрилатных и сополимерных органических стекол после старения в различных климатических зонах. Проведена оценка физико-механических и оптических характеристик органических стекол после старении в условиях ГЦКИ, штатов США Аризона и Флорида.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.4. «Оптические материалы и материалы остекления» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [11-14].

Материалы и методы

Объектами исследования являлись оргстекла частично сшитой структуры: по-лиметилметакрилатные СО-120С и АО-120С, а также теплостойкие сополимерные марок ВОС-1, ВОС-2 и ВОС-2АО - в неориентированном и ориентированном состояниях, в сравнении с серийными полиметилметакрилатными оргстеклами СО-120А и А0-120.

Старение органических стекол проводили по СТП 1-595-20-376-2005, ГОСТ 9.708-83 и ГОСТ 9.906-83 на открытых атмосферных стендах. Стойкость к климатическому старению оргстекол оценивали по изменению характеристик: удельной ударной вязкости по ГОСТ 4647-80, «серебростойкости» по ПИ 1.2А515-98, температуре размягчения по ГОСТ 15088-2014, коэффициенту светопропускания по ГОСТ Р 8.829-2013, коэффициенту желтизны, который определяли по формуле

Кж = Тб80'Т420 -100%,

Т560

где 1420, 1560, 1680 - коэффициенты пропускания при длинах волн 420, 560 и 680 нм.

Результаты и обсуждение

Результаты исследования свойств полиметилметакрилатных оргстекол линейной, частично сшитой структуры и сополимерных оргстекол после старения в условиях с умеренным теплым климатом приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона) и субтропического (Флорида) климата США представлены в табл. 1-5.

Таблица 1

Зона экспозиции Продолжительность экспозиции, год Удельная ударная вязкость* ан, кДж/м2 «Серебро-стойкость», мин Температура размягчения, °С Коэффициент, %

облученная сторона необлученная сторона светопропускания желтизны

В исходном состоянии - 19,0-21,9 21,0 Не менее 3 119 92,0 3,1

ГЦКИ 1 20,0-21,6 20,5 20,0-22,3 21,0 Не менее 3 119 91,6 5,9

Аризона (США) 1 17,5-18,6 18,0 20,2-22,2 21,0 Не менее 3 119 91,2 6,0

3 19,9-24,3 21,9 20,9-26,1 23,3 Не менее 3 119 90,1 9,7

Флорида (США) 1 19,4-20,3 19,9 20,5-20,9 20,8 Не менее 3 119 90,7 7,0

3 20,5-21,1 20,8 19,8-21,5 20,5 Не менее 3 119 89,4 10,8

Морская станция на Кубе 1 19,0 20,5 Не менее 3 119 90,6

г. Батуми 1 18,0 18,0 Не менее 3 119 90,4 -

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

Таблица 2

Сохраняемость свойств органическое стекла А0-120 после экспозиции

Зона экспозиции Продолжительность Удельная ударная вязкость* ан, кДж/м2 «Серебро-стойкость», Температура размягчения, Коэффициент, %

экспозиции, год облученная сторона необлученная сторона мин °С светопро-пускания желтизны

В исходном состоянии - 39,5-44,5 42,5 Не менее 3 118 90,5 2,2

ГЦКИ 1 38,7-49,3 44,2 39,0-44,6 44,8 Не менее 3 118 90,5 2,1

Аризона (США) 1 42,8-49,3 47,1 42,8-49,3 47,1 Не менее 3 118 91,3 2,0

3 31,7-40,2 37,3 30,3-41,5 38,3 Не менее 3 118 90,4 3,5

Флорида (США) 1 33,8-34,0 33,9 33,8-34,0 33,9 Не менее 3 118 91,0 2,0

3 31,7-41,9 38,7 35,9-42,4 40,2 Не менее 3 118 85,9 6,9

Морская станция на Кубе 1 42,5 42,5 Не менее 3 118 91,2

г. Батуми 1 41,0 40,0 Не менее 3 118 91,0 -

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

Сох аняемость свойств органического стекла АО-1 Таблица 3 20С после экспозиции

Зона экспозиции Продолжительность Удельная ударная вязкость* ан, кДж/м2 «Серебро-стойкость», Температура размягчения, Коэффициент, %

экспозиции, год облученная сторона необлученная сторона мин °С светопро-пускания желтизны

В исходном состоянии - 26,3-42,1 38,7 Не менее 20 122 90,0 2,1

ГЦКИ 1 43,6-45,0 44,0 43,0-45,6 44,0 Не менее 20 122 89,8 2,2

Аризона (США) 1 39,9-49,4 43,8 39,7-43,7 41,2 Не менее 20 122 90,4 2,0

3 42,6-53,4 47,6 49,5-53,4 51,6 Не менее 20 122 89,9 3,3

Флорида (США) 1 42,8-45,9 44,8 35,9-45,8 41,8 Не менее 20 122 90,4 2,0

3 30,7-40,4 35,5 32,7-37,3 36,3 Не менее 20 121 88,8 5,8

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

Таблица 4

Сохраняемость свойств органического стекла ВОС-1 после экспозиции

Зона экспозиции Продолжительность экспозиции, год Удельная ударная вязкость* ан, кДж/м2 «Серебро-стойкость», мин Температура размягчения, °С Коэффициент, %

облученная сторона после термообработки при 160°С,1ч светопро-пускания желтизны

В исходном состоянии - 22,5-26,0 25,0 Не менее 20 130 91,0 4,5

ГЦКИ 1 14,1-16,1 15,3 23,3-24,3 23,5 Не менее 20 127 88,9 9,0

Аризона (США) 1 5,0-6,5 5,6 17,3-20,0 18,8 Не менее 20 125 87,3 8,9

3 4,0-5,5 4,7 15,3-18,0 16,0 Не менее 20 123 86,3 10,0

Флорида (США) 1 5,0-6,0 5,4 17,0-19,9 18,0 Не менее 20 122 86,9 9,0

3 3,0-6,0 4,0 13,6-17,0 14,8 Не менее 20 120 86,0 20,0

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

Таблица 5

Сохраняемость свойств органического стекла ВОС-2АО после экспозиции

Зона экспозиции Продолжительность экспозиции, год Удельная ударная вязкость* ан, кДж/м2 «Серебро-стойкость», мин Температура размягчения, °С Коэффициент, %

облученная сторона после снятия поверхностного слоя светопро-пускания желтизны

В исходном состоянии - 23,0-26,7 25,0 Не менее 20 147 90,4 7,8

ГЦКИ 1 3,13-6,20 5,1 28,1-34,8 32,0 Не менее 20 142,5 86,0 19,8

3 - - Не менее 20 - - -

Аризона (США) 1 3,0-3,4 3,3 37,0-39,0 38,5 2 с 142 87,1 25,0

3 3,0-5,3 3,8 26,8-39,0 35,1 Трещины «серебра» после экспозиции 141 (после снятия поверхностного слоя) 86,1 30,0

Флорида (США) 1 2,5-2,7 2,6 37,0-39,0 38,5 То же 141 (после снятия поверхностного слоя) 86,7 26,0

3 3,1-3,9 3,6 27,8-42,9 34,1 -«- 140 (после снятия поверхностного слоя) 86,0 35,0

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

Анализ полученных данных по естественному атмосферному старению полиме-тилметакрилатных оргстекол линейной структуры СО-120А и АО-120, частично сшитой структуры АО-120С показал, что свойства исследованных оргстекол сохраняются практически на исходном уровне независимо от климатической зоны старения материала.

Установлено, что климатическое старение сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2АО проходит одинаково. Ударная вязкость оргстекол снижается с 25 до 5 кДж/м . После термообработки выше температуры размягчения оргстекла ВОС-1 при температуре 160°С показатель ударной вязкости восстанавливается до значения 15-18,5 кДж/м , следовательно, степень необратимых деструктивных процессов в оргстеклах после атмосферного старения не критична, потеря прочности зависит только от фотохимической деструкции поверхности оргстекла под действием солнечной радиации. После удаления деструктивного поверхностного слоя с оргстекла ВОС-2АО механические свойства практически полностью восстанавливаются до исходных значений. Аналогичное снижение значений происходит для показателей «серебростойкости» и температуры размягчения. Коэффициент светопропускания изменяется в пределах 5%. Коэффициент желтизны увеличивается в 4 раза. После снятия состаренного поверхностного слоя оптические характеристики оргстекол восстанавливаются до исходных значений.

Проведенные исследования показали, что атмосферостойкость органических стекол зависит от их химической природы, закономерности влияния условий климатических станций практически не прослеживается. Полиметилметакрилатные стекла как линейной, так и сшитой структуры при климатическом старении во всех исследованных зонах сохраняют свои свойства практически на исходном уровне. У сополимерных оргстекол независимо от климатической зоны старения происходит фотохимическая деструкция поверхностного слоя, удаление этого поверхностного слоя восстанавливает механические свойства до исходных значений. Физико-химические процессы, протекающие в материале при старении, вызывают необратимые изменения в облучаемой

поверхности и практически отсутствуют в необлучаемой поверхности и объеме образцов. Под воздействием внешней среды образуется тонкий деструктивный поверхностный слой, являющийся главной причиной ухудшения комплекса прочностных показателей вследствие изменения характера разрушения от вязкого к хрупкому. Удаление дефектного слоя восстанавливает свойства стекла практически до исходного уровня.

Заключения

На основании анализа полученных данных по естественному атмосферному старению в условиях умеренного теплого климата приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона) и субтропического (Флорида) климата США полиметилметакрилатных оргстекол линейной структуры марок СО-120 и АО-120, частично сшитой структуры марки СО-120С и теплостойких сополимерных оргстекол частично сшитой структуры марок ВОС-1 и ВОС-2 можно сделать следующие выводы:

- полиметилметакрилатные оргстекла линейной структуры СО-120 и АО-120 и частично сшитой структуры АО-120С имеют более высокую атмосферостойкость по сравнению с атмосферостойкостью сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2АО. По-лиметилметакрилатные оргстекла СО-120, АО-120 и СО-120С в ориентированном и неориентированном состояниях обладают высокой атмосферостойкостью при старении в условиях ГЦКИ, штатов США Аризона и Флорида, а серийные оргстекла СО-120 и АО-120 - также при ранее проведенном старении в г. Батуми и Республике Куба. Высокая атмосферостойкость оргстекол обеспечивает эксплуатационную живучесть деталей остекления самолетов на основе оргстекол СО-120А и АО-120 в течение 5-10 лет и более;

- ориентированное оргстекло АО-120 имеет преимущество по атмосферостойкости в сравнении с неориентированными оргстеклами, что подтверждается также ранее проведенными испытаниями ориентированных оргстекол в естественных и искусственных условиях, а также эксплуатационной живучестью деталей остекления на их основе в течение 10 и более лет при применении на самолетах;

- при атмосферном старении сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2АО происходит снижение ударной прочности и повышение коэффициента желтизны только с облученной стороны. Высокотемпературный отжиг и удаление поверхностного слоя приводят к повышению данных характеристик, так как потеря прочности и пожелтение зависят только от фотохимической деструкции поверхностного слоя оргстекла под действием солнечной радиации. Аналогичное старение сополимерных оргстекол происходит в условиях ГЦКИ, штатов США Аризона и Флорида;

- характер снижения физико-механических и оптических свойств теплостойких со-полимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 аналогичен поведению ранее разработанных теплостойких оргстекол (2-55, Т2-55, Э-2) [15]. При эксплуатации деталей остекления на основе оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 предусмотрены их зачехление и профилактические работы по ремонту в межполетный период;

- при применении теплостойких сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 необходимо учитывать склонность их к пожелтению, фотодеструкции поверхностного слоя и устанавливать ресурс в соответствии с условиями применения конкретного изделия, предусматривающими зачехление деталей остекления в межполетный период для исключения воздействия солнечной радиации;

- оргстекло ВОС-2 в ориентированном состоянии (ВОС-2АО) внедрено и эксплуатируется в фарах подсвета крыла на изделии Ил-96-300 в течение 3 лет без замечаний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сентюрин Е.Г., Куклина Л.С., Тригуб Т.С., Пашкова Т.В. Влияние атмосферостойкости на эксплуатационную надежность оргстекол // Авиационная промышленность. 1984. №5. С.56-58.

2. Гудимов М.М., Сентюрин Е.Г., Тригуб Т.С. Серебростойкость остекления самолетов из органического стекла в процессе его производства и эксплуатации // Авиационная промышленность. 1995. №9-10. С. 55-60.

3. Гудимов М.М. Трещины серебра на органическом стекле. М.: ЦИПКК АП, 1997. 260 с.

4. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. М.: Химия, 1981. 215 с.

5. Сентюрин Е.Г., Мекалина И.В., Айзатулина М.К., Исаенкова Ю.А. История создания материалов самолетного остекления и полимерных материалов со специальными свойствами (к 75-летию лаборатории полимерных материалов со специальными свойствами) // Авиационные материалы и технологии. 2017. №3 (48). С. 81-86. Б01: 10.18577/2071-9140-2017-0-3-81-86.

6. Павлюк Б.Ф. Основные направления в области разработки полимерных функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2017. №8. С. 388-392. Б01: 10.18577/2071-9140-2017-0-8-388-392.

7. Сентюрин Е.Г., Мекалина И.В., Айзатулина М.К., Богатов В.А. Акрилатные высокотемпературные органические стекла. Опыт применения. Перспективы // Известия высших учебных заведений. Сер.: Химия и химическая технология. 2015. Т. 58. №8. С. 22-24.

8. Раскутин А.Е. Российские полимерные композиционные материалы нового поколения, их освоение и внедрение в перспективных разрабатываемых конструкциях // Авиационные материалы и технологии. 2017. С. 349-367. Б01: 10.18577/2071-9140-2017-0-8-349-367.

9. Луценко А.Н., Одинцев И.Н., Гриневич А.В., Северов П.Б., Плугатарь Т.П. Исследование процесса деформации материала оптико-корреляционными методами // Авиационные материалы и технологии. 2014. №^4. С. 70-86. Б01: 10.18577/2071-9140-2014-0-84-70-86.

10. Яковлев Н.О. Исследование и описание релаксационного поведения полимерных материалов (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2014. №^4. С. 50-54. Б01: 10.18577/2071-9140-2014-0-84-50-54.

11. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. С. 7-17.

12. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.

13. Каблов Е.Н. Роль химии в создании материалов нового поколения для сложных технических систем // Тез. докл. ХХ Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Екатеринбург: УрО РАН, 2016. С. 25-26.

14. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. Б01: 10.18577/20719140-2015-0-1-3-33.

15. Акользин С.В., Фролков А.И. Восстановление работоспособности теплостойкого авиационного остекления при ремонте и в эксплуатации // Авиационная промышленность. 2014. №1. С.41-44.