Стеклопластики являются самыми распространенными представителями полимерных композиционных материалов (ПКМ) во многих областях промышленности и сферах жизнедеятельности человека, далеко опережая по объемам производства и потребления ПКМ на основе других видов волокнистых наполнителей [1–5].

Основными причинами их лидирующего положения являются высокая прочность стеклянных волокон, доступность и дешевизна сырья, многолетний опыт их налаженного автоматизированного производства, разнообразие составов и свойств стеклянных волокон, способов их текстильной переработки, а также большой ассортимент связующих, которые позволяют добиваться требуемого уровня свойств, предъявляемых к ПКМ различного назначения.

В настоящее время стеклопластики используются в качестве конструкционных материалов в машиностроении, авиационной и космической технике, строительстве, химическом машиностроении и сельском хозяйстве; в качестве электроизоляционных материалов – в радиоэлектронике, приборостроении, электротехнике.

В качестве полимерной матрицы в стеклопластиках более 40 лет использовались термореактивные полимеры [3, 6–8]. Однако в последние годы термореактивные связующие стали заменять на термопластичные [1, 2, 4, 9, 10].

По сравнению с традиционными ПКМ на основе термореактивных связующих (как правило – эпоксидных) композиционные термопластичные материалы (КТМ) обладают следующими достоинствами:

– эксплуатационные – на 20–40% выше стойкость к ударным нагрузкам и локальным повреждениям; устойчивость к воде и дождевой эрозии, химическая стойкость, в том числе к топливам и маслам, огнестойкость, пониженные дымообразование и токсичность при пожаре; ремонтопригодность (материалы легко свариваются);

– технологические – возможность формования деталей на металлургическом оборудовании (штамповкой, вытяжкой, прокаткой), короткий цикл формообразования; возможность переформовки бракованных изделий; КИМ (коэффициент использования материалов) – до 95%, неограниченный срок хранения полуфабрикатов и изделий [2, 4, 11].

Практически все промышленно выпускаемые термопласты могут служить матрицей для КТМ. Но в последние 10–15 лет тенденцией в развитии КТМ, в том числе и стеклопластиков, является использование  термостойких высокопрочных термопластов: полиарилсульфонов, полиэфиркетонов, полиимидов, полифениленсульфидов и др. [1, 2, 4, 12].

За рубежом организованы специализированные фирмы, занимающиеся разработкой марочного ассортимента КТМ и выпуском на их основе препрегов, листов, профильных и специализированных изделий и конструкций.

В данной статье рассмотрены физико-механические и пожаробезопасные свойства стеклопластиков на основе термостойких высокопрочных термопластичных связующих, которые разработаны и выпускаются в ВИАМ [2, 10].

Формование стеклопластиков осуществлялось способом прямого прессования на гидравлическом прессе при температуре, на 110–130°С превышающей температуру стеклования термопластичного связующего, при удельном давлении – до 1,5 МПа. В качестве наполнителей были использованы стеклоткани конструкционного назначения марок Т-15(п)-76 и Т-10(ВМП)-4с; в качестве матрицы – термопластичные материалы полисульфон, полиарилсульфон, полиэфирсульфон и поликарбонат.

Исследование свойств стеклопластиков осуществлялось по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 15139, ГОСТ 4650, ГОСТ 11262, ГОСТ 4651, ГОСТ 4848. Образцы для испытаний получены механической обработкой из листового пластика толщиной ≥2 мм, вырезанных по основе.

Физико-механические свойства разработанных материалов приведены в табл. 1. Видно, что механические свойства термопластичных стеклопластиков в значительной мере определяются структурой наполнителя и наличием аппрета.

Таблица 1

Физико-механические свойства отечественных стеклопластиков [2–4, 10]

Показано, что по прочностным свойствам разработанные стеклопластики на термопластичной матрице не уступают традиционным – на основе термореактивных смол, а по водостойкости превышают показатели последних.

Исследованы пожаробезопасные свойства разработанных стеклопластиков на соответствие требованиям отечественных (АП-25) и зарубежных (FAR-25.853) норм по пожаробезопасности: горючесть, дымообразование и тепловыделение [13–16].

Горючесть определяли в соответствии с требованиями АП-25 Приложение F, Часть І, п. 853(а); дымообразование – согласно АП-25 Приложение F, Часть V,п. 853(d), а также по ГОСТ 24632 и ASTM F814; тепловыделение – в соответствии с АП-25 Приложение F, Часть ІV, а также по СТП 1-595-20-341–2000 и ASTM E906.

Изучено влияние на указанные свойства не только типа наполнителя и связующего, но и толщины стеклопластика (табл. 2).

Таблица 2

Пожаробезопасные свойства термопластичных стеклопластиков [10, 13–16]

* Согласно требованиям Авиационных правил (Глава 25), испытания проводятся при тепловом потоке 35 кВт/м².

Установлено, что при продолжительности экспозиции пламенем в течение 60 с (вертикальное положение образца) термопластичные стеклопластики являются самозатухающими или трудносгорающими материалами (продолжительность остаточного самостоятельного горения (тления) составляет соответственно 1–13 и 0 с), что отвечает требованиям АП-25 по горючести (τ_ост≤15 с).

По дымообразованию(удельной оптической плотности дыма)исследованные стеклопластики относятся в основном ко ІІ группе материалов – «слабодымящий» (Д₄ – от 1 до 14) и к ІІІ группе – «среднедымящий» (Д₄ – от 21 до 50), что также удовлетворяет требования норм АП-25 (Д₄=200).

Испытания образцов стеклопластиков на тепловыделение (максимальной интенсивности (пик) и общего количества выделившегося тепла (за первые 2 мин) при горении материала под воздействием внешнего теплового потока) показали, что максимальная интенсивность тепловыделения (пик) стеклопластиков на основе термопластичных матриц составляет 20–49 кВт/м²; общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин колеблется от «менее 2» до 50 кВт·мин/м², что значительно ниже требований FAR-25 и АП-25 (≤65 кВт·/м²).

Из приведенных данных видно, что наличие аппрета (в рецептуре стеклопластика имеется эпоксидная смола) приводит к снижению его пожаробезопасных свойств – повышается дымо- и тепловыделение.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что все марки разработанных стеклопластиков на основе термопластичных матриц (полисульфона, полиарилсульфона, поликарбоната и полиэфирсульфона) имеют высокие прочностные свойства и удовлетворяют нормам АП-25 и FAR-25.853 по пожаробезопасности.

 Образцы деталей, изготовленные из термопластичных стеклопластиков:

а – детали заполнителя трехслойных панелейиз КТМС-1П (формование); б – обтекательиз КТМС-1П (вытяжка); в – элемент крыла КамАЗаиз КТМС-1 (штамповка); г – крышка прибора из ВПС-38Т (прессование)

Разработанные термопластичные стеклопластики нашли применение в промышленности для изготовления деталей радиотехнического и конструкционного назначения (см. рисунок).