Введение

Полимерные трехслойные панели нашли применение при производстве различных конструктивных элементов авиационной техники. Особенно широкое использование они получили для изготовления элементов отделки кабин самолетов [1–3]. Все материалы и изготовленные из них конструктивные элементы внутренней отделки воздушных судов, наряду с обеспечением заданных функциональных характеристик, должны в обязательном порядке удовлетворять и требованиям по пожарной безопасности. Требования по пожарной безопасности материалов интерьера пассажирских кабин, багажных и грузовых отсеков приведены в параграфах 23.853 и 23.855 авиационных норм для гражданских легких самолетов [4], 25.853 и 25.855 – для самолетов транспортной категории [5], 27.853 и 27.855 – для винтокрылых аппаратов (вертолетов) нормальной категории [6], 29.853 и 29.855 – для винтокрылых аппаратов транспортной категории [7], ОЛС.853 – для очень легких самолетов [8]. Аналогичные требования содержатся и в зарубежных авиационных нормах [9, 10].

Наиболее жесткие требования по пожаробезопасности предъявляют к панелям отделки стен, потолка и перегородок пассажирских кабин больших транспортных самолетов. Эти панели, кроме выполнения требований по ограничению горючести (контролируются продолжительность остаточного самостоятельного горения образца, длина поврежденной части и продолжительность горения падающих капель), должны также соответствовать требованиям по дымообразованию (контролируется оптическая плотность дыма за 4 мин в режиме испытания «горение») и тепловыделению при горении (контролируются максимальная интенсивность выделения тепла и общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания). Требования по ограничению выделения тепла при горении являются наиболее сложно выполнимыми и призваны обеспечить приемлемые условия для выживания людей в случае наземного летного происшествия, сопровождающегося возникновением интенсивного внешнего пожара от разлившегося углеводородного топлива [11].

Горение полимерных материалов является сложным многостадийным процессом, имеющим большое количество положительных и отрицательных обратных связей, причем каждая составляющая этого процесса может оказывать существенное влияние на конечный результат [12]. Для достижения поставленной цели (повышение пожарной безопасности авиационной техники) необходимо учитывать как характеристики отдельных составляющих материалов (компонентов), так и их возможное взаимодействие в конкретном конструктивном элементе. Поэтому задача снижения пожарной опасности конечного изделия или элемента конструкции является значительно более сложной, чем повышение пожарной безопасности одного конкретного материала.

Трехслойная панель является конструктивным элементом, включающим:

– лицевой декоративный слой;

– внешнюю обшивку, как правило, состоящую из 2–3 слоев стеклопластика;

– заполнитель – как правило, это сотопласт (но может быть пенопласт, гофра или иной разделитель с низкой кажущейся объемной плотностью);

– тыльную обшивку, как правило, аналогичную по составу внешней обшивке;

– тыльное декоративное или защитное покрытие.

Торцы трехслойной панели с целью повышения ее прочности, защиты внутреннего заполнителя и снижения действия факторов окружающей среды, как правило, защищены специальным заполнителем. Иногда для обеспечения лучшей звукоизоляции, снижения массы и иных целей тыльную обшивку выполняют не из сплошного стеклопластика, а из сетки. Тыльная или лицевая обшивки также могут иметь сквозную перфорацию. В случае большой толщины трехслойной панели возможно наличие внутри нее еще одного дополнительного слоя в виде обшивки. Все компоненты такой панели соединены между собой при помощи клея либо соединение происходит в процессе изготовления конструктивного элемента за счет отверждения полимерного связующего, содержащегося в неотвержденных обшивках.

Многослойная структура трехслойной панели приводит к дополнительному усложнению процесса горения:

– сначала происходят прогрев, термодеструкция и воспламенение внешней обшивки с лицевым декоративным покрытием. Одновременно за счет теплопередачи постепенно прогреваются заполнитель и тыльная обшивка;

– затем часть образующихся газообразных продуктов термодеструкции, выделяющихся с тыльной стороны внешней обшивки, попадает в объем заполнителя и накапливается в нем, создавая избыточное давление, распирающее изнутри трехслойную панель;

– по мере термодеструкции полимерной составляющей внешней обшивки и/или клеевого соединения, соединяющего внешнюю обшивку с заполнителем, и повышения избыточного давления газообразных продуктов термодеструкции во внутреннем заполнителе, происходит превышение внутреннего давления газов над пределом прочности клеевого соединения на отрыв. Вследствие этого практически мгновенно отслаивается внешняя обшивка по всей плоскости образца и скопившиеся во внутреннем объеме заполнителя горючие газообразные продукты термодеструкции практически мгновенно выходят наружу, где и воспламеняются;

– по мере выгорания полимерной составляющей всех компонентов трехслойной панели постепенно снижается интенсивность выделения тепла.

Вследствие этой многостадийности процесс выделения тепла при горении трехслойных панелей, в отличие от горения монолитных пластиков, как правило, имеет не один, а несколько пиков (локальных максимумов). Первый пик тепловыделения связан с интенсивностью горения декоративного покрытия; второй – с горением лицевой обшивки; третий – с горением газообразных продуктов термодеструкции, скопившихся в объеме заполнителя; четвертый и пятый – с горением заполнителя и тыльной обшивки. Величина и время наступления каждого локального максимума зависят от ряда факторов: химического состава деструктирующего слоя, количества полимера в нем, его композиционной структуры, толщины и др. В процессе испытания пики тепловыделения могут частично пересекаться или наслаиваться друг на друга.

За максимальную интенсивность тепловыделения, допустимая величина которой регламентирована авиационными нормами, принимают пик с абсолютной максимальной интенсивностью. Как правило, первый и второй пики (горение лицевого декоративного покрытия и внешней обшивки) практически совпадают, а четвертый и пятый пики (горение заполнителя и тыльной обшивки) – незначительны. Типичный вид кривой, описывающей кинетику процесса тепловыделения трехслойной сотовой панели, приведен на рис. 1 [13].

Рис. 1. Типичный вид кинетической кривой тепловыделения трехслойной сотовой панели [13]

Таким образом, на кинетику и интенсивность выделения тепла при горении трехслойных сотовых панелей оказывают несколько различных составляющих. Наиболее важным с точки зрения обеспечения пожарной безопасности является снижение двух пиков тепловыделения, отвечающих за горение лицевой обшивки с декоративным покрытием и газообразных продуктов, скапливающихся в объеме заполнителя.

Изредка для изготовления трехслойных панелей используют другие составляющие компоненты. Например, в панели фирмы Schneller, применяемой Техническим центром Федерального авиационного агентства США в качестве стандартной при проведении исследований, сравнительных и круговых межлабораторных испытаний, для тыльной обшивки использовали сетчатый материал. Вследствие высокой газопроницаемости кривая выделения тепла при горении такой панели имеет только один существенный пик (рис. 2) [14].

Рис. 2. Тепловыделение «стандартной» трехслойной панели производства фирмы Schneller (США) [14]

Иногда при создании трехслойных панелей вместо сотового заполнителя используют пенопласт, гофру или иные складчатые заполнители, обеспечивающие бóльшие возможности по изготовлению конструктивных элементов одинарной либо двойной кривизны, или с лучшими характеристиками звукопоглощения [15, 16].

Имеется ряд отечественных работ, описывающих научные исследования, проведенные с целью повышения пожарной безопасности за счет изменения химического состава полимерного связующего [17–19] или структуры композита обшивки [20]. Аналогичные исследования выполняют и за рубежом [21–24]. В рекомендательном циркуляре PS‑ANM‑25.853‑01‑R2 Федеральной авиационной администрации США описано влияние различных факторов на характеристики пожарной опасности, однако влияние газопроницаемости панелей на величину ее пожарной опасности не рассмотрено [25].

В случае использования достаточно термостойкого декоративного покрытия и полимерного связующего максимальную интенсивность выделения тепла можно регламентировать с помощью пика тепловыделения, связанного с горением газообразных продуктов из заполнителя. Одной из возможностей снижения тепловыделения является именно изменение процесса выхода горючих газообразных продуктов из объема заполнителя.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 2. «Фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль» комплексной научной проблемы 2.2. «Квалификация и исследования материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [26–28].

Материалы и методы

Исследования проведены на образцах трехслойных сотовых панелей следующего состава.

Вариант 1:

– сотовый заполнитель ПСП-1-2,5×45 толщиной 8,8 мм;

– обшивки: 1 слой препрега ПТ-15(П).ФП-520-62 + 1 слой препрега СТ-520-15;

– декоративное покрытие: шпон натуральный с огнезащитной пропиткой, покрытый огнезащитным лаком и приклеенный к обшивкам клеем Pur-501 фирмы Klebchemie M.G. Becker GmbH & Co KG (Германия).

Вариант 2: образцы трехслойной сотовой панели ЕС-РА233Е фирмы Euro-Composites S.A. (Люксембург) толщиной 20 мм с приклеенным клеем 88НП декоративным покрытием – искусственной замшей фирмы Alcantara (Италия).

Характеристики тепловыделения определяли в соответствии с требованиями Авиационных норм (АП-25, Приложение F, Часть IV) [5] при помощи проточного калориметра типа OSU при падающем тепловом потоке на образец, равном 35 кВт/м². Оборудование и метод испытания описаны в ГОСТ Р 57928–2017 и ASTM E906M-14 (Release Rate Apparatus – Configuration A).

Сущность метода заключается в следующем: образец испытываемого материала (конструктивного элемента) помещают в испытательную камеру оборудования, в которой на него воздействует тепловой поток заданной интенсивности; воспламенение образца и сгорание продуктов термодеструкции обеспечивают при помощи газовых горелок. Через испытательную камеру продувают воздух с заданным расходом; температуру воздуха на входе в оборудование и на выходе из него измеряют при помощи термодатчиков. По разности температур, на основании заранее определенного термического коэффициента испытательного оборудования, рассчитывают интенсивность выделения тепла в каждый момент времени испытания.

В процессе испытания регистрируют кинетику выделения тепла (HRR – Heat Release Rate) в графическом и табличном виде. На основании полученных данных определяют максимальную интенсивность выделения тепла (Peak, кВт/м²), общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания (Total Heat Release, кВт·мин/м²) и время наступления максимальной интенсивности тепловыделения.

Результаты и обсуждение

Сначала проведены испытания панелей в исходном состоянии. В процессе испытания под воздействием теплового потока происходил прогрев лицевой поверхности панели, а затем ее воспламенение. Через некоторое время после начала горения лицевой поверхности происходило резкое разрушение панели (с хлопко́м), сопровождавшееся отслоением лицевой обшивки и значительным усилением образовавшегося пламени. Графики тепловыделения при горении исходных трехслойных сотовых панелей представлены на рис. 3. Видно, что в каждом случае имеется несколько пиков тепловыделения, причем их абсолютная величина сопоставима: максимальным может быть первый пик (рис. 3, а), а могут и последующие пики (рис. 3, б).

Рис. 3. Тепловыделение исходных трехслойных сотовых панелей по вариантам 1 (а) и 2 (б)

Выдвинуто предположение, что снижение герметичности внутреннего объема сотовой панели может способствовать плавному выходу образующихся во внутреннем объеме заполнителя горючих газообразных продуктов термодеструкции, вследствие чего величина пика будет сглажена по абсолютной величине. С этой целью в образцах панелей произведена перфорация тыльных обшивок при помощи сверла диаметром 1 мм с шагом 10 мм. В процессе испытания резкого разрушения панелей и существенного увеличения высоты пламени не происходило. Результаты испытаний таких панелей с перфорированной тыльной обшивкой приведены на рис. 4.

При сопоставлении графиков на рис. 3 и 4 видно, что перфорация тыльной обшивки привела к желаемому эффекту – существенно снизилась величина пика тепловыделения, связанного с резким выходом газообразных продуктов из внутреннего объема. Одновременно может несколько снизиться и величина предыдущего пика, связанного с горением лицевой обшивки. В случае перфорации тыльной обшивки панели выход горючих продуктов, образовавшихся в процессе термодеструкции внутреннего объема такого конструктивного элемента, осуществляется на противоположную от декоративной сторону. Таким образом, уменьшается интенсивность горения материала и токсичные продукты выходят на лицевую поверхность – в объем пассажирского салона, т. е. безопасность и выживаемость людей в случае пожара значительно возрастают.

Рис. 4. Тепловыделение трехслойных сотовых панелей с перфорированной тыльной обшивкой
по вариантам 1 (а) и 2 (б)

Как упоминалось ранее, иногда вместо сотопласта используют другие виды заполнителей, например гофру, ячеистый или складчатый заполнители. Общей их особенностью является то, что они либо образуют общее незамкнутое внутреннее пространство (ячеистый и складчатый заполнители), либо содержат внутренние каналы большой протяженности по всей внутренней поверхности образца. Хотя панели интерьера при монтаже салона обычно имеют заделку торцов, стандартным испытаниям на тепловыделение в соответствии с требованиями нормативных документов (АП-25, FAR-25, CS-25) должны подвергаться образцы без заделки. Тогда при испытании панелей с альтернативными заполнителями (гофра, ячеистый, складчатый), как и при испытании сотовых панелей с перфорацией тыльной обшивки, происходит свободный выход газообразных продуктов из внутреннего объема заполнителя и значительный пик тепловыделения не формируется. Для проверки этой гипотезы проведена модификация сотового заполнителя трехслойной панели (вариант 2) – с торцов образца с шагом 30 мм сделаны сквозные проколы сотопласта на всю ширину образца диаметром 3 мм. Эти проколы в заполнителе обеспечивают почти такой же плавный выход газообразных продуктов из внутреннего объема панели (рис. 5).

Рис. 5. Тепловыделение трехслойной сотовой панели с проколотым сотовым заполнителем (вариант 2)

Для визуального сопоставления полученных результатов на рис. 6 одновременно приведены графики выделения тепла исходной сотовой панели и этой же панели, но с перфорированной обшивкой и проколами в сотовом заполнителе.

Рис. 6. Тепловыделение трехслойной сотовой панели (вариант 2): в исходном состоянии (──),
с перфорацией тыльной обшивки (──) и с проколотым сотовым заполнителем (──)

В таблице приведены численные данные по значениям нормируемых характеристик тепловыделения для исходных вариантов трехслойных сотовых панелей и модифицированных образцов.

Сводные данные по тепловыделению образцов трехслойных сотовых панелей

в исходном состоянии и модифицированных

Из представленных данных видно, что за счет выполненной модификации трехслойных сотовых панелей возможно достичь существенного снижения выделения тепла при горении, регистрируемого при помощи проточного калориметра типа OSU.

Заключения

Проведено исследование влияния газопроницаемости обшивок и сотового заполнителя трехслойных панелей на величину характеристик тепловыделения при горении. Показана возможность снижения интенсивности выделения тепла за счет изменения конструкции панелей и обеспечения лучшей газопроницаемости.

Сравнительные испытания исходных и модифицированных образцов трехслойных сотовых панелей подтвердили существенное снижение регистрируемых значений – максимальной интенсивности тепловыделения и общего количества выделяемого при горении тепла.

Тем не менее достичь положительных результатов испытаний (чтобы испытанные образцы полностью соответствовали требованиям авиационных норм) в данном исследовании не удалось. Это вызвано очень высокой интенсивностью выделения тепла лицевой обшивкой с декоративным покрытием. Для достижения положительных результатов необходимо сочетание как низкого тепловыделения лицевой обшивкой, так и низкого тепловыделения из внутреннего объема панели.