На основании анализа статистики летных происшествий на воздушном транспорте при аварийной посадке и воспламенении воздушного судна или его топлива основными причинами гибели людей являются: отравление токсичными продуктами горения материалов внутренней отделки пассажирского салона, выделяющимися при пожаре; термические травмы и проблемы при эвакуации.

Одним из основных элементов системы аварийной эвакуации пассажиров является автоматически устанавливаемый надувной трап, состоящий из надувной оболочки и дорожки скольжения, позволяющий пассажирам и экипажу быстро покинуть самолет через аварийные выходы, находящиеся на достаточно большой высоте (~3–5 м), не дожидаясь подхода спасательных команд.

Поэтому основной задачей повышения выживаемости пассажиров при пожаре самолета является разработка огнестойких материалов. Это позволит в сочетании с другими улучшенными системами пожаробезопасности увеличить продолжительность безопасной эвакуации пассажиров при пожаре самолета как минимум до 10 мин (в настоящее время: 2–4 мин) [1].

Согласно распоряжению Федеральной Авиационной Администрации (FAA) США на спасательное оборудование, трапы и надувные плоты распространяются требования международного технического стандарта TSO-C69c [2]. Необходимость повышения характеристик пожарной безопасности материалов и элементов конструкций для авиационной техники отмечается и в отечественных работах [3–5].

Основными регламентирующими показателями материалов, применяемых для изготовления дорожки скольжения спасательного трапа, являются: прочность при разрыве по основе/утку – не менее 336 Н/см; сопротивление раздиру по основе/утку – не менее 89 Н/см; пожаробезопасность; грибостойкость – материалы не должны поддерживать рост плесени; материалы не должны накапливать статическое электричество. Кроме того, актуальна и весовая эффективность материала, т. е. минимально возможная поверхностная плотность при сохранении других свойств.

Основным критерием оценки пожаробезопасности материала является горючесть – материалы должны соответствовать требованиям 14 CFR §25.853(а) Приложение F, часть I (а) (1) (ii) от 6 марта 1995 г., max/FS 191a Метод 5970 и отечественным Авиационным правилам АП-25 Приложение F, часть I (продолжительность экспозиции образца в пламени газовой горелки: 12 с) – продолжительность остаточного самостоятельного горения не более 15 с, длина прогорания не более 203 мм, продолжительность горения падающих капель не более 5 с [6, 7].

Анализ отечественной и зарубежной литературы в области создания тканепленочных материалов с пониженным электрическим сопротивлением позволил выявить основные направления создания таких материалов:

– изготовление тканей с использованием в их структуре  электропроводящих нитей и волокон [8, 9];

– изготовление материалов с полимерным покрытием, содержащим в своем составе электропроводящие наполнители [10].

В настоящее время на Российских самолетах для изготовления дорожки скольжения применяются зарубежные и отечественные материалы.

Зарубежные производители в качестве дорожки скольжения спасательного трапа используют многослойный материал, включающий тканевую основу, изготовленную из полиамидных нитей Nylon-6,6 (температура плавления 280°С), с двухсторонним покрытием на основе отвержденного полиуретанового эластомера, содержащим в качестве замедлителя горения антипирен, а на внешнюю сторону материала нанесено дополнительно металлизированное покрытие. Такие материалы отвечают требованиям технического стандарта ТSO-С69с (табл. 1).

Отечественные материалы (см. табл. 1) изготовляются на основе прорезиненных тканей или из синтетических тканей с металлизированной нитью в основе. Недостатками отечественных материалов, применяемых для спасательных средств, являются: большая масса, несоответствие требованиям по горючести или электропроводимости. Синтетические ткани с металлизированной нитью имеют еще и короткий срок эксплуатации из-за низкой устойчивости к истиранию.

Целью данной работы являлась разработка многослойного электропроводящего негорючего износостойкого материала (с массой 1 м² – не более 320 г) для дорожки скольжения из отечественного сырья, соответствующего требованиям международного технического стандарта TSO-C69c.

Выбор состава материала для изготовления дорожки скольжения основывался на основных эксплуатационных характеристиках изделия: температуре эксплуатации, прочности, устойчивости к изгибу, требованиях по пожаробезопасности и др.

Выбор тканевой основы для дорожки скольжения проводили по результатам определения массы 1 м², разрывной и раздирающей нагрузкам. По литературным данным известно, что ткани на основе полиэфирных волокон обладают относительно высокой прочностью, большой долей обратимых деформаций (особенно при малых нагрузках), высокой светостойкостью, хорошей термостойкостью (существенное падение прочности начинается после 180°С), низким влагопоглощением. Ткани на основе полиамидных волокон обладают относительно высокой прочностью, повышенной эластичностью, износостойкостью, устойчивостью к биологическим воздействиям, не повреждаются микроорганизмами.

Для изготовления образцов дорожки скольжения выбраны три варианта серийно выпускаемых тканей. Свойства тканей представлены в табл. 2.

Таблица 1

Материалы для дорожки скольжения аварийных трапов

Таблица 2

Физико-механические свойства технических тканей

В приведенных ранее работах по разработке надувной оболочки спасательного трапа [11–14] в качестве полимерной матрицы покрытия был выбран полиуретановый каучук СКУ-8А, поскольку вулканизаты на его основе обладают высокими характеристиками износостойкости, прочности, эластичности, сопротивления истиранию, газонепроницаемости.

Целесообразно изготовлять изделия из материалов с использованием компонентов схожей природы (для простоты выбора клея, соединяющего материал в конструкцию), поэтому для изготовления дорожки скольжения в качестве полимерной матрицы выбран также каучук СКУ-8А.

Разработка тканепленочного материала дорожки скольжения проводилась в три этапа:

– выбор опытной рецептуры антипирированной полимерной композиции;

– выбор опытной рецептуры электропроводящей полимерной композиции;

– разработка технологии изготовления опытных образцов дорожки скольжения.

Для снижения горючести материала опробованы антипирирующие агенты разной химической природы: минеральный и органический галогенсодержащие антипирены [15–17]. Задача получения материала для дорожки скольжения, соответствующего требованиям по горючести, осложнялась тем, что при изготовлении материала использовались сгорающие тканевые основы [18] и полимерная композиция.

Изготовлены и исследованы четыре состава полимерных композиций на основе каучука СКУ-8А (100 мас. ч.) с наполнителем TiO₂, отличающиеся содержанием антипиренов:

В состав композиций также вводили полиизоцианат (ПИЦ) и этилацетат (ЭА).

На основе выбранных тканей и составов полимерных композиций изготовлены образцы тканепленочного материала для дорожки скольжения с двухсторонним покрытием.

Нанесение и формирование двухстороннего полимерного покрытия осуществлялось непосредственно на тканях послойно по растворной технологии прямым способом с промежуточной сушкой каждого слоя [19]. Для вулканизации каучука в композицию введен сшивающий агент – ПИЦ. Температура сушки образцов 120°С.

Результаты испытания на горючесть образцов с антипирированным полимерным покрытием приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты испытания (средние значения) образцов с антипирированным
полимерным покрытием

Из данных табл. 3 видно, что образцы имели массу 1 м²: 300–345 г, привес от покрытия составил 124,0–179,5 г/м². Требованиям по горючести (АП-25 Приложение F, часть I) отвечают тканепленочные материалы, изготовленные на основе тканей артикулов 5356, 8482, 56026 и полимерного покрытия состава 2, а также ткани арт. 5356 и полимерного покрытия состава 4. Материалы относятся к классу самозатухающих. Образцы материала с антипирированной полимерной композицией имели величину электрического сопротивления >4,7·10⁷ Ом.

Для дальнейшей работы выбраны образцы с полимерной композицией состава 2.

Для придания тканепленочному материалу дорожки скольжения проводимости разработан состав электропроводящей полимерной композиции на основе полиуретанового каучука СКУ-8А и электропроводящего наполнителя. В качестве наполнителей опробованы: сажа марок П-324 и П-366Э, алюминиевая паста марки ПА ТОП, оксид никеля, никель марки ПНК-1Л5, углеродное волокно, серебро марок 4ПС-3 и ПС, углеродные нанотрубки [15, 20–23].

На основе выбранных электропроводящих наполнителей изготовлены электропроводящие полиуретановые полимерные композиции, отличающиеся наполнителями или их процентным содержанием в композиции.

Введение электропроводящих наполнителей в полимерную композицию проводилось различными путями. Так, введение сажи и оксида никеля осуществляли на смесительных вальцах при температуре 20–50°С до равномерного смешения их с каучуком. Затем проводили растворение вальцованной смеси в органическом растворителе, добавляли сшивающий агент и наносили на материал [24].

Никель марки ПНК-1Л5, углеродное волокно, серебро марок 4ПС-3 и ПС вводили в готовый раствор полимерной композиции при постоянном перемешивании до равномерного распределения, добавляли сшивающий агент и наносили на материал.

Углеродные нанотрубоки вводили в растворитель и проводили их обработку ультразвуком, затем смешивали с раствором каучука концентрацией 40%, добавляли сшивающий агент и наносили на материал.

Определение электрического сопротивления выбранных для исследования тканей показало, что они имели близкие значения удельного поверхностного сопротивления (ρ_s):

Исследования по выбору электропроводящего наполнителя проводили на полиамидной ткани арт. 8482, для чего были изготовлены образцы тканепленочных материалов с двухсторонним антипирированным покрытием, затем на лицевую сторону образца послойно с промежуточной сушкой каждого слоя наносили электропроводящее покрытие. Привес от антипирированного покрытия составлял 70–80 г/м², а от электропроводящего покрытия: 70–60 г/м².

Измерение величины электрического сопротивления постоянному току образцов проводили на приборах мультиметр цифровой АРРА-207 и тераомметр Е6-13 методом «квадрата». Измерение проводятся с помощью квадратной колодки, представляющей собой неметаллическое основание из изолирующего материала, на которое крепятся латунные электроды, а сверху крепится груз. Электроды устанавливают на поверхность измеряемого материала и определяют их сопротивление постоянному току. Измерение проводят в двух взаимно перпендикулярных направлениях в каждой точке измерения (в продольном и поперечном). Результаты измерений приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты определения электрофизических свойств материалов на основе полиамидной ткани (арт. 8482) с двухсторонним антипиренсодержащим покрытием и

электропроводящим покрытием – для дорожки скольжения

Из данных табл. 4 видно, что образцы, изготовленные с использованием в качестве электропроводящих наполнителей никеля марки ПНК-1Л5 (700%) и углеродных нанотрубок (5%), имеют величину электрического сопротивления соответственно 8,2·10³–1,2·10⁴ и 5,0·10⁴–4,7·10⁵ Ом. Данные образцы признаны оптимальными вариантами.

На основе тканей артикулов 8482, 5356 и 56026 изготовлены образцы тканепленочного материала для дорожки скольжения с использованием в качестве электропроводящих наполнителей никеля ПНК-1Л5 (700%) и углеродных нанотрубок (5%), исследованы их основные физические свойства. Результаты испытаний приведены в табл. 5.

Из данных табл. 5 видно, что только образцы, изготовленные на основе ткани арт. 5356 с 5% углеродных нанотрубок (электропроводящий наполнитель), являются самозатухающими, т. е. отвечают требованиям АП-25 Приложение F, часть I по горючести. Данные образцы имели величину электрического сопротивления в продольном направлении 4,7·10⁵ Ом, в поперечном направлении: 7,9·10⁴ Ом.

Таблица 5

Результаты испытания на горючесть (средние значения) образцов

для дорожки скольжения

В связи с прекращением выпуска в 2011 г. комплексной полиэфирной нити (Республика Беларусь) и серийных технических полиэфирных тканей (в том числе арт. 5356) из импортной комплексной полиэфирной нити (ООО «Текс-Центр») изготовлена опытная партия фильтровальной ткани арт. 208 полотняного переплетения с поверхностной плотностью 179,6 г/м², шириной 95,2 см, разрывной нагрузкой по основе/утку соответственно 2410/2065 Н/50 мм. На основе ткани арт. 208 и полимерных композиций на основе каучука СКУ-8А – антипирированной и электропроводящей с 5% углеродных нанотрубок – изготовлены опытные образцы тканепленочного материала для дорожки скольжения и исследованы их свойства. Образцы имели массу 1 м²: 310–319 г, величину электрического сопротивления (3,1–5,7)·10⁴ Ом, но не отвечали требованиям АП-25 по горючести (являлись сгорающими), поэтому уточнены рецептуры полимерных покрытий. В раннее проведенных работах показано, что применение фторэластомеров, обладающих высокой термостойкостью, стойкостью к химическому воздействию, хорошими механическими, антиадгезионными и другими свойствами, позволяет повысить  пожаробезопасность материалов [25, 26]. В связи с этим в составы антипирированной и электропроводящей полимерных композиций дополнительно введен фторкаучук СКФ-32 и изготовлены производственные образцы тканепленочного материала для дорожки скольжения.

По результатам исследований производственных образцов тканепленочного материала установлено:

Масса 1 м² (ГОСТ 17073), г . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

Разрывная нагрузка полоски размером 20×100 мм (ГОСТ 17316), Н (Н/см):

по основе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 916 (458)

по утку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815 (408)

Удлинение при разрыве, %:

по основе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20,9

по утку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Сопротивление раздиру (ГОСТ 17074), Н:

по основе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27,9

по утку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29,0

Устойчивость к многократному изгибу до разрушения

покрытия (МЗ 38.405-712–90), цикл:

по основе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354150

по утку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263250

Стойкость к истиранию

(М 38.405-51/3-11-137–91), цикл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . после 1370–4000

установлены потертости полимерного покрытия до основы (полиэфирной ткани)

Электрическое сопротивление

(СТП 1-595-19-362–2002), Ом:

по основе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,8·10⁴–6,6·10⁵

по утку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,2·10⁴–2,7·10⁵

(материал обладает проводимостью)

Классификация по горючести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Самозатухающий.

Таким образом, в ходе выполнения данной работы получены следующие результаты:

– выбраны опытные рецептуры антипирированной и электропроводящей полимерных композиций;

– разработана технология изготовления тканепленочного материала для дорожки скольжения на основе технической полиэфирной ткани арт. 208 с двухсторонним антипирированным покрытием и электропроводящим покрытием с лицевой стороны;

– разработанный тканепленочный материал по основным свойствам отвечает требованиям стандарта TSO-С69c и требованиям АП-25 Приложение F, часть I по горючести;

– материал находится на уровне зарубежного тканепленочного материала фирмы Air Cruisers Company (США) арт. М-11673 по массе 1 м² и горючести, но уступает ему по разрывной нагрузке;

– дальнейшие работы необходимо продолжить в направлении отработки технологии изготовления тканепленочного материала для дорожки скольжения в производственных условиях и проведения его расширенных испытаний.