Введение

Одним из ключевых требований к воздушным судам, предназначенным для пассажирских перевозок, является их безопасная эксплуатация. Конструкция воздушного судна должна обеспечивать защиту от возгорания и распространения огня. Основные элементы конструкции должны соответствовать стандартам пожаробезопасности, включая материалы интерьера салона и отделочные покрытия. Требования Авиационных правил по пожарной безопасности включают комплекс мер, направленных на предотвращение возникновения пожаров и обеспечение безопасной эвакуации пассажиров и экипажа воздушных судов. Требования по пожаробезопасности, предъявляемые к материалам интерьера гражданских легких самолетов и самолетов транспортной категории, установлены Нормами летной годности НЛГ-23 и НЛГ-25 в соответствии с Авиационными правилами АП-23 и АП-25; требованиями к материалам интерьера винтокрылых аппаратов нормальной и транспортной категорий изложены в НЛГ-27 (АП-27) и НЛГ-29 (АП-29) соответственно. Выбор лакокрасочных материалов для защитно-декоративного окрашивания элементов конструкции пассажирского салона обусловлен несколькими важными факторами, такими как масса, прочность и эластичность, экологичность, простота ухода и высокие эксплуатационные характеристики материалов.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ ранее разработана интерьерная однокомпонентная эмаль ВЭ-67 на водной основе (ТУ 1-595-15-1010–2008). Эмаль обладает высокими физико-механическими характеристиками, грибостойка и определяется как трудносгорающая. Однако широкого применения эмаль не получила в связи с прекращением производства основного компонента – водорастворимого акрилового сополимера [1–4].

Лакокрасочные материалы на водной основе широко применяются для внутренней отделки интерьера воздушных судов иностранного производства благодаря своим преимуществам по экологичности, пожаробезопасности и высоким эксплуатационным характеристикам. Однако в связи с решением вопроса об импортозамещении, с повышенными требованиями к пожарной безопасности материалов функционального назначения, предназначенных для внутренней декоративной отделки пассажирской кабины авиационной техники [5–7], а также с существенным увеличением стоимости лакокрасочной продукции (преимущественно импортного производства), предназначенной для внутренней декоративной отделки пассажирской кабины авиационной техники, остается актуальным вопрос о создании лакокрасочных материалов на основе недефицитного отечественного сырья.

При разработке современных интерьерных лакокрасочных материалов выделяют следующие основные направления исследований: повышение экологической безопасности, устойчивость к царапанию, обеспечение адгезии к окрашиваемой поверхности, повышение устойчивости к воздействию пламени и грибостойкости. Это позволяет обеспечивать высокое качество поверхностей внутреннего пространства воздушного судна. Наиболее успешно проблемы получения высококачественных интерьерных покрытий разрешаются при использовании водорастворимых стирол-акриловых дисперсий, сочетающих свойства стирола и акрилатов. Основными преимуществами таких дисперсий являются высокая прочность пленки на их основе, высокая адгезия к окрашиваемым поверхностям, быстрое высыхание слоев, их использование также способствует упрощению технологического процесса изготовления лакокрасочных материалов.

В данной работе представлены результаты исследования новой интерьерной однокомпонентной эмали ВЭ-87 на основе водорастворимой стирол-акриловой дисперсии и свойства получаемых покрытий на ее основе. Показаны результаты исследования покрытий в сравнении с существующими аналогами.

Продолжительность отверждения водно-дисперсионных лакокрасочных покрытий оказывает значительное влияние на их конечную твердость и прочность. Для набора максимальных значений данных показателей ключевыми факторами являются скорость испарения воды из нанесенного слоя лакокрасочного материала, а также степень наполнения лакокрасочного материала твердыми веществами (пигментами и функциональными наполнителями). Установлено, что искусственная сушка покрытий на основе экспериментальных образцов эмали ВЭ-87 при повышенных температурах (от 60 до 80 °С) приводит к образованию трещин и разрывов получаемого покрытия. Это связано с тем, что чрезмерно быстрое высыхание формируемого покрытия на основе водной дисперсии полимера приводит к ослаблению связей между частицами полимера, что в свою очередь снижает итоговые значения твердости и прочности сформированного покрытия. Поэтому необходимо обеспечить постепенное испарение воды из формируемого покрытия, что позволит частицам полимера сблизиться друг с другом. Чем дольше длится эта стадия, тем больше воды успевает испариться, обеспечивая оптимальные условия для формирования покрытия. Далее наступает следующая стадия формирования покрытия – частицы полимера сближаются и начинают взаимодействовать между собой, полимерная сетка становится плотнее, увеличивая прочность покрытия. Следует отметить, что высокая влажность воздуха замедляет испарение воды, увеличивая время отверждения. Это положительно сказывается на формировании прочной пленки, однако требует большего времени ожидания перед эксплуатацией поверхности. Таким образом, правильный выбор условий отверждения является важным фактором, определяющим долговечность и качество покрытий на основе водно-дисперсионной эмали.

Материалы и методы

Объект исследования ‒ водоразбавляемая эмаль ВЭ-87 (ТУ 20.30.12-194-07545412–2024) для защитно-декоративной окраски элементов интерьера салона воздушного судна, разработанная в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Эмаль марки ВЭ-87 представляет собой однокомпонентный пигментированный лакокрасочный материал на основе водной дисперсии стирол-акрилового сополимера. Исходными компонентами для получения декоративной эмали являлись стирол-акриловая дисперсия, пигменты и функциональные наполнители серийного производства.

Вода имеет решающее значение в формировании и свойствах лакокрасочных покрытий на основе водных дисперсий полимеров. Контроль влажности, температуры и степени чистоты воды необходим для получения качественного покрытия. При разработке рецептуры эмали и для доведения ее до необходимой рабочей вязкости использована дистиллированная вода (ГОСТ Р 58144–2018). Показатель удельной электрической проводимости не превышал 5,1·10^–4 См/м; рН воды составил 5,5; массовая концентрация примесей не превышала допустимых значений.

В качестве подложки использованы образцы из алюминиевого сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр и стеклопластика ВПС-39П (ТУ 1-595-10-1009–2009), применяемого в настоящее время для изготовления деталей и обшивок трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе изготовленных бесклеевым методом), который характеризуется низким значением тепловыделения и полностью соответствует требованиям Авиационных правил и Норм летной годности по пожаробезопасности [8–10]. Характеристики пожаробезопасности стеклопластика ВПС-39П представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства стеклопластика ВПС-39П [8, 10]

Определение времени и степени высыхания проводили по ГОСТ 19007–2023, прочность при ударе определяли по ГОСТ 4765–2024, эластичность при изгибе ‒ по ГОСТ 6806–2024, прочность при царапании ‒ по ИСО 1518-1:2011, твердость ‒ по ГОСТ 5233–2021 (маятник Б), адгезию к подложкам ‒ по ГОСТ 31149–2014.

Испытания на воздействие плесневых грибов проводили в соответствии с ГОСТ 9.049‒91 (метод 1), который устанавливает грибостойкость материалов при отсутствии минеральных и органических загрязнений. Сущность метода заключается в заражении лакокрасочного покрытия на основе эмали ВЭ-87 спорами плесневых грибов в воде. При этом плесневые грибы будут расти только на тех питательных веществах, которые содержатся в составе эмали. Продолжительность испытаний составила 28 сут.

Горючесть определяли по ГОСТ Р 57924–2017 (метод испытания с экспозицией в течение 60 с). Испытания по определению дымообразования конструкционных панелей пассажирской кабины с нанесенной эмалью ВЭ-87 проводили в режимах горения и пиролиза по ГОСТ 24632‒81, тепловыделение – по методике, изложенной в АП-25 (Приложение F, Часть IV).

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [11–17].

Результаты и обсуждение

Для определения оптимального времени сушки покрытия на основе эмали ВЭ-87 исследовано влияние продолжительности формирования покрытия на его твердость и прочность при царапании по методу Клемана при одинаковых контролируемых температурно-влажностных условиях формирования покрытия.

Степень наполнения ‒ один из важных показателей качества водоразбавляемых лакокрасочных материалов, влияющий на эксплуатационные характеристики покрытий, формируемых на их основе. Чем больше степень наполнения, тем более положительно это влияет на укрывистость эмали, уменьшая при этом количество наносимых слоев, что снижает расход материала и ускоряет процесс нанесения покрытий. Однако чрезмерно высокое отношение массы пигментной части к массе пленкообразущего может привести к ухудшению адгезии и снижению прочностных характеристик получаемого покрытия, а также к появлению различных дефектов. В табл. 2 представлены результаты определения твердости и прочности покрытия в зависимости от степени пигментирования: 0,5/1; 0,6/1; 0,7/1 (отношение пигментной части к пленкообразующему).

Таблица 2

Влияние продолжительности формирования покрытия на его твердость и прочность

при царапании по методу Клемана

Полученные результаты показали, что значения твердости и прочности при царапании по методу Клемана покрытия на основе экспериментальных образцов эмали на начальном периоде сушки у всех образцов невысоки и со временем возрастают неравномерно, что связано со степенью пигментирования. При степени пигментирования 0,7 получены более низкие показатели твердости и прочности при царапании. Максимальные значения показателей достигаются у образцов со степенью пигментирования 0,5 за 120 ч, поэтому данный состав выбран для дальнейших исследований. При содержании пигментов и наполнителей 0,6 и более нарушается устойчивость дисперсной системы из-за снижения концентрации полимера. При этом время высыхания покрытия до степени 3 составляет 1 ч для всех композиций.

Немаловажным фактором для лакокрасочных покрытий является их прочность сцепления с подложкой. В табл. 3 представлены адгезия и физико-механические свойства покрытия на основе эмали ВЭ-87 в сравнении с отечественным и зарубежными аналогами.

Таблица 3

Адгезия и физико-механические свойства покрытия на основе эмали ВЭ-87

По результатам определения физико-механических свойств установлено, что покрытие на основе эмали ВЭ-87 соответствует уровню свойств интерьерных покрытий зарубежного производства и обеспечивает более высокий уровень адгезии, а по прочности при ударе и адгезии к металлической поверхности превосходит отечественный аналог ‒ эмаль ВЭ-67.

Один из важнейших факторов для материалов пассажирских салонов или любых других обитаемых помещений ‒ стойкость к микроорганизмам, которые являются непосредственными спутниками человека.  Исследования стойкости покрытия на основе эмали ВЭ-87 к воздействию плесневых грибов показали, что нанесенные на покрытие споры плесневых грибов не получили развития. Лакокрасочное покрытие на основе эмали ВЭ-87 не является питательной средой для роста и развития плесневых грибов ‒ оно является грибостойким.

Проведены также исследования горючести, дымообразования и тепловыделения покрытия на основе эмали ВЭ-87, результаты испытаний представлены в табл. 4‒6.

Таблица 4

Характеристики горючести покрытий на основе декоративной эмали ВЭ-87

на подложке из алюминиевого сплава Д16-АТ Ан.окс.нхр

Таблица 5

Характеристики дымообразования покрытий на основе декоративной эмали ВЭ-87

на подложке из стеклопластика ВПС-39П

Таблица 6

Характеристики тепловыделения покрытий на основе декоративной эмали ВЭ-87

на подложке из стеклопластика ВПС-39П

Результаты определения горючести показали, что при воздействии пламени испытательной горелки образцы покрытия на основе эмали ВЭ-87 сохраняют свою целостность, продолжительность остаточного горения отсутствует, средняя длина прогорания (обугливания) составляет 0 мм и относится к группе 1а – трудносгорающие.

Значение оптической плотности дыма испытанных образцов стеклопластика ВПС-39П с нанесенной эмалью ВЭ-87 в течение первых 4 мин испытания составляет 13 и 29 с при горении и пиролизе соответственно, что удовлетворяет требованиям Авиационных правил и считается допустимым для применения в конструкции пассажирской кабины воздушного судна.

Полученные данные, приведенные в табл. 6, при определении нормируемых показателей тепловыделения показали, что при одинаковой максимальной скорости выделения тепла окрашенного и неокрашенного образцов стеклопластика ВПС-39П общее количество тепла, выделившегося за первые 2 мин, у образцов ВПС-39П, окрашенных эмалью ВЭ-87, меньше на 21 % по сравнению с неокрашенными образцами ВПС-39П (табл. 1).

По результатам проведенных исследований характеристик пожаробезопасности установлено, что декоративная эмаль ВЭ-87 соответствует требованиям Норм летной годности и Авиационных правил по характеристикам пожаробезопасности. Значения показателей пожаробезопасности конструкционных панелей, изготовленных из стеклопластика ВПС-39П на основе фенолформальдегидного связующего, могут быть снижены путем окрашивания разработанной декоративной эмалью ВЭ-87.

Эмаль разработана на основе серийно выпускаемых недефицитных компонентах отечественного производства и может наноситься методом пневматического распыления или кистью.

Заключения

Результаты исследований показали, что выбранные исходные компоненты и подобранный режим изготовления водно-дисперсионной эмали позволили достичь высоких показателей качества покрытия на ее основе.

Показано, что покрытие на основе разработанной эмали ВЭ-87 обладает высокими физико-механическими характеристиками, адгезией к металлическим и неметаллическим подложкам.

Разработанный состав эмали ВЭ-87 позволяет получать лакокрасочные покрытия на интерьерных конструкциях вертолетной и самолетной техники, к которым предъявляются высокие требования по горючести, дымообразованию, тепловыделению, и соответствует требованиям Авиационных правил и Норм летной годности.

Выбранные исходные компоненты и подобранный режим изготовления водно-дисперсионной эмали позволили достичь высоких показателей качества покрытия на ее основе.