Введение

В настоящее время полимерные материалы являются одними из самых востребованных в мире. За последние 70 лет спрос на них вырос практически в 200 раз. Ежегодно проводится множество научных исследований по разработке и усовершенствованию способов синтеза новых полимеров, развиваются технологии, позволяющие получать полимерные материалы с уникальной комбинацией характеристик [1]. Благодаря своим высоким прочностным свойствам и улучшенным механическим показателям, а также весовой эффективности и возможности модифицирования они нашли применение в таких областях, как промышленное и гражданское строительство, авиация, машиностроение, ядерная техника, космонавтика, и в других сферах [2]. Для материалов также важно обеспечить не только высокие показатели конструкционных свойств, но и сохранять их в широком интервале температур [3]. Полимерные материалы с успехом справляются и с этой задачей [4].

Особое место занимают газонаполненные (вспененные, ячеистые, теплоизоляционные) пластмассы, основу которых составляют полимерные материалы, а заполнителем является газ [5]. Использование данных материалов позволяет снизить массу конструкции при сохранении высокой прочности [6]. Их применяют не только в качестве легких заполнителей, но и как материал для фильтрации и сепарации жидкостей и газов [7].

Среди газонаполненных пластмасс выделяют пеноматериалы на основе фенолформальдегидных олигомеров. С каждым годом они находят все более широкое применение благодаря низкой стоимости и массовой доступности, а также за счет таких важных характеристик, как огнестойкость, механическая и ударная прочность, малая плотность и высокие показатели теплостойкости [2, 8].

В последние десятилетия в авиационной промышленности широко востребованы фенолокаучуковые пенопласты, получаемые взаимодействием фенолоальдегидных смол с нитрильным эластомером. При этом одновременно происходят два процесса: вспенивание частично отвержденных фенолформальдегидных олигомеров и перевод их в неплавкое состояние с помощью подведенного тепла снаружи (извне) [9]. Данные материалы полностью удовлетворяют жестким требованиям, предъявляемым к материалам для авиационной и космической техники, которые должны обладать весовой эффективностью, надежностью, выносливостью, термостойкостью, стойкостью к коррозии и способностью работать в условиях силового воздействия [7, 10, 11]. Это объясняется высокими требованиями к безопасности в авиации, где даже малейшая неисправность может привести к деструкции всего изделия [12].

В связи с интенсивным развитием авиации одним из приоритетных направлений является создание новых и модифицирование уже существующих материалов для авиастроения [13, 14]. В данной статье рассматриваются структура и свойства разработанного в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ пенопласта марки ФК-20. Это вспененная, отвержденная композиция на основе фенолформальдегидной смолы и акрилнитрильного каучука, вводимого для придания эластичности пластмассам и увеличения их ударной вязкости, однако стойкость к удару при этом уменьшается [8]. Пластификатор не образует химических связей с полимерной матрицей, внедряясь в ее структуру и ослабляя межмолекулярные взаимодействия, тем самым давая возможность макромолекулам двигаться относительно друг друга [9]. Пенопласт ФК-20 применяют как в качестве силового заполнителя, так и в качестве конструкционного, теплоизоляционного материала. Вследствие достаточно низкого содержания нитрильного каучука данный материал имеет повышенную жесткость, а также высокую стабильность в большом интервале температур. В процессе нагревания он сначала становится вязкотекучим, а при достижении определенной температуры – вспенивается [15].

Материалы и методы

Объектом исследования является пенопласт марки ФК-20 с температурой эксплуатации до 120 °С. Физико-механические свойства данного материала приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-механические свойствапенопласта марки ФК-20

В данной работе использовали следующие методы исследований.

Плотность.Исследования проводили по ГОСТ 15139–69 «Пластмассы. Методы определения плотности (объемной массы)» (п. 2).

Предел прочности при сжатии.Исследования осуществляли на испытательной машине Zwick/Roell Z050 по ГОСТ 4651–2014 «Пластмассы. Метод испытания на сжатие». Температура воздуха в помещении составляла 20±5 °С, относительная влажность 50±10 %. Для определения данного параметра использовали образцы размером 30×30×30 мм. По разнице расчетных длин исходного и испытываемого образцов вычисляли модуль упругости при сжатии.

Предел прочности при изгибе. Исследования проводили на испытательной машине Zwick/Roell Z050 по ГОСТ 18564–2017 «Пластмассы ячеистые жесткие. Метод испытания на статический изгиб». Температура воздуха в помещении составляла 20±5 °С, относительная влажность 50±10 %. Для определения данного параметра использовали образцы размером 120×25×20 мм. По значениям прогиба и нагрузке, которая потребовалась для его получения, вычисляли условный модуль упругости при изгибе пенопласта.

Ударная вязкость при изгибе. Исследования осуществляли по ГОСТ 14359–69 «Пластмассы. Методы механических испытаний. Общие требования». Для определения данного параметра использовали 10 образцов размером 80×10×4 мм. Испытания проводили при комнатной температуре. По энергии удара маятника, затраченной на разрушение образца, вычисляли удельную ударную вязкость при изгибе.

Линейная усадка.Исследования проводили по ТУ 1-595-10-612–2005 «Пенопласт термореактивный марок ФК-20, ФК-40, ФК-60 и ФФ» (изменения 1–4). Для определения данного параметра использовали образцы размером 120×15×10 мм, предварительно сняв с поверхности бруска поверхностный слой на глубину не менее 5 мм. Испытания проводили при температуре 120±3 °С в течение 24 ч. По разнице размеров образцов до и после прогрева определяли линейную усадку. За конечный результат принимали среднее арифметическое значение замеров трех образцов.

Коэффициент теплопроводности. Исследования осуществляли по ГОСТ 7076–99 «Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме». Для определения данного параметра использовали образцы пенопласта размером 300×300×20 мм. Испытания проводили в температурном интервале от –60 до +150 °С.

Коэффициент линейного теплового расширения. Исследования проводили по ГОСТ 32618.2–2014 «Пластмассы. Термомеханический анализ (ТМА). Часть 2. Определение коэффициента линейного теплового расширения и температуры стеклования».

Температура стеклования.Исследования осуществляли по ГОСТ Р 56753–2015 «Определение механических свойств при динамическом нагружении».

Водопоглощение.Исследования проводили по ГОСТ 12020–2018 «Методы определения стойкости к действию химических сред». Для определения данного параметра использовали образцы размером 30×30×30 мм. Выдержку образцов проводили в течение 24 ч при температуре в помещении 20±5 °С.

Горючесть. Исследования осуществляли по ОСТ 1 90094–79 «Полимерные материалы. Метод определения горючести декоративно-отделочных и конструкционных полимерных материалов». Для определения данного параметра использовали образцы размером 305×75×10 мм, испытывая их в вертикальном положении. Воспламенение проводили с нижней кромки образца в течение 60 с. По результатам испытаний образцов пенопласта определяли продолжительность остаточного горения после удаления пламени, наличие и продолжительность горения падающих капель, а также максимальную длину поврежденной части.

Дымообразование. Исследования проводили по ГОСТ 24632–81 «Материалы полимерные. Метод определения дымообразования». Для оценки дымообразующей способности использовали образцы размером 75×75 мм с разной толщиной: 10, 15 и 20 мм. По удельной оптической плотности дыма в объеме камеры при термическом разложении образца определяли дымообразование. Режимы испытаний – пиролиз и горение. В условиях пиролиза на образцы воздействовал только тепловой поток заданной интенсивности, в условиях горения – тепловой поток и пламя пилотной горелки.

Микроструктура (методами световой и электронной сканирующей микроскопии).Исследования проводили по ММ 1.595-12-243–2007 «Методика анализа микроструктуры полимерных композиционных материалов (ПКМ) с применением сканирующей электронной микроскопии». Для микроструктурных исследований пенопласта марки ФК-20 использовали образцы, вырезанные из плиты по направлению образования пены и из боковой поверхности (торец). Данные образцы приклеивали с помощью токопроводящего клея к держателям образцов для сканирующего электронного микроскопа. Поверхности образцов для выявления тонкой структуры подвергали ионно-плазменному травлению в вакуумной установке. Для снятия их электрических зарядов при исследовании в сканирующем электронном микроскопе проводили металлизацию образцов методом магнетронного напыления в вакуумной установке. Микроструктурный анализ пенопласта марки ФК-20 осуществляли на сканирующем электронном микроскопе в режиме вторичных электронов при увеличениях от ×40 до ×60000. Фотографирование проведено в помещении при температуре 24 °C и влажности 41 %.

Результаты и обсуждение

Высокие показатели прочностных свойств пенопласта ФК-20 позволяют использовать его в конструкционных изделиях, а пониженный показатель плотности, составляющий100–220 кг/м³, – применять в авиационной промышленности, где из него изготавливают легкие конструкционные заполнители крыльев, лопастей винтов летательных аппаратов, винтовентиляторов двигателей, виброударопрочных конструкций [8].

Примером применения пенопласта ФК-20 в авиации являются лопасти несущего винта вертолета смешанной конструкции – металлический лонжерон, хвостовые секции и обшивка выполнены из композиционных материалов (рис. 1).

Рис. 1. Поперечное сечение смешанной конструкции лопасти несущего винта вертолета

Носовая часть лопасти состоит из компенсаторов, пенопластового заполнителя ФК-20, обшивки-облицовки и пакета противообледенительной системы. Лонжерон лопасти выполнен в форме трубы из высоколегированной стали. После закалки наружную и внутреннюю поверхности трубы полируют. Затем на этих поверхностях создают наклеп виброударным способом, повышающим сопротивление усталости лонжерона. Лонжерон помещают в каркас из вспененного пенопласта ФК-20, который снаружи покрыт стеклопластиковой обшивкой. К каркасу приклеены хвостовые секции также с обшивками из стеклопластика и сотовым заполнителем.

Пенопласт ФК-20 с коэффициентом теплопроводности 0,05 Вт/(м·К) и минимальной плотностью 100 кг/м³ немного уступает по данным показателям промышленным теплоизоляционным материалам, таким, например, как АТМ-3 (0,038 Вт/(м·К)), однако широко используется в качестве утеплителя, а также применяется для строительных сооружений, различных транспортных средств и промышленного оборудования.

Высокая температура стеклования данного материала и способность сохранять свои эксплуатационные свойства в большом интервале температур (от –60 до +130 °С) дает возможность использовать его в строительной, космической и авиационной технике, в вагоностроении и для изготовления холодильной техники. Кроме того, он применяется в регионах с низкими климатическими температурами.

Результаты исследования пенопласта ФК-20 на горючесть и дымовыделение показали, что он по характеристикам относится к самозатухающим, среднедымящим материалам (табл. 2 и 3): при выносе из пламени не горит (продолжительность остаточного горения составляет 0–1 с). Такие показатели горючести и дымообразования позволяют использовать данный пенопласт в качестве материала для пожаробезопасных конструкций.

Таблица 2

Показатели горючести образцов пенопласта маркиФК-20

Таблица 3

Показатели дымообразования образцов пенопласта марки ФК-20

Результаты испытаний на коррозионную агрессивность показали, что пенопласт ФК-20 не проявляет коррозионной активности по отношению к различным металлам: не вызывает коррозии алюминиевых и магниевых сплавов в непосредственном контакте и в контакте через клей, а также не вызывает коррозии стали в прямом контакте.

Показатель водопоглощения для пенопласта ФК-20 составляет 8 % при плотности материала 220 кг/м³ и 17 % при плотности 100 кг/м³. Из этого следует, что изделия из данного материала необходимо защищать от воздействия водной среды.

Пенопласт может быть переработан в изделие методом фрезерования, в качестве заготовки-полуфабриката используют плиты толщиной не более 100 мм с габаритными размерами, ограниченными применяемой оснасткой для формования.

Методом сканирующей электронной микроскопии проведен анализ микроструктуры пенопласта марки ФК-20. Результаты исследований приведены на рис. 2 и 3.

Микроструктурные исследования образцов из пенопласта ФК-20 показали, что материал состоит из сообщающихся пор размером от 20 до 500 мкм (рис. 2, а–г; рис. 3, а–г); диапазон размеров сохраняется вне зависимости от направления вырезки образцов. Стенки между порами разрушаются с образованием хрупких сколов (рис. 2, д–з; рис. 3, д–з).

Микрофазовая структура матрицы – многофазная и состоит из основной матрицы, в которой хаотично распределены частицы сферической и овальной форм (рис. 2, и–м; рис. 3, и–м). Размеры частиц сферической формы находятся в диапазоне от 100 нм до 1 мкм, а овальной формы – от 1 до 10 мкм.

Рис. 2. Микроструктура (а – ×40; б – ×100; в – ×200; г – ×600; д – ×2000; е – ×4000; ж – ×6000; з – ×10000; и – ×20000; к, л – ×40000; м – ×60000) среза пенопласта марки ФК-20 (направление образования пены)

Рис. 3. Микроструктура (а – ×40; б – ×100; в – ×200; г – ×600; д – ×2000; е – ×4000; ж – ×6000; з – ×10000; и – ×20000; к, л – ×40000; м – ×60000) среза пенопласта марки ФК-20 (торцевая сторона)

На рис. 4 и 5 приведены гистограммы распределения пор по размерам и толщины стенок между порами. Средний размер пор составляет 230 мкм, а средняя толщина стенок 32 мкм.

Рис. 4. Гистограмма распределения пор по размерам (диаметр Фере средний): D_min = 34,8 мкм, D_ср = 230 мкм, D_max = 486 мкм

Рис. 5. Гистограмма распределения толщины стенок между порами: l_min = 4,8 мкм, l_ср = 32 мкм, l_max = 99 мкм

Анализ результатов исследования показал, что в образце из пенопласта марки ФК-20 содержание пор составляет ~69 %.

Заключение

В данной статье проанализированы свойства и структура пенопласта марки ФК-20 на основе фенолформальдегидной смолы и бутадиен-нитрильного каучука. За счет высоких прочностных свойств, пожаробезопасности, термостойкости, весовой эффективности, а также благодаря невысокой стоимости данный пенопласт является востребованным материалом для применения в авиационной, космической и других видах техники.

Благодарности

Авторы выражают благодарность сотрудникам НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ Е.В. Куршеву и С.Л. Лонскому за подготовку образцов и проведение микроструктурных исследований.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.