автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Перспективные пожаробезопасные текстильные материалы для применения в гражданской авиации

КИРИН Константин Михайлович

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЕ ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

05.19.02 Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КИРИН Константин Михайлович

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЕ ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

05.19.02 Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Российском Заочном Институте Текстильной и Легкой Промышленности (ГОУ ВПО РосЗИТЛП).

Научный руководитель: - доктор технических наук

БУДНИЦКИЙ Геннадий Алфеевич

Научный консультатнт: - кандидат технических наук, доцент

НИКИШИН Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

КРИЧЕВСКИЙ Герман Евсеевич

- кандидат технических наук

КАЧАРОВ Сергей Александрович

Ведущая организация:

Государственный научный центр ФГУП «Всероссийский Институт Авиационных Материалов» (ВИАМ)

Защита состоится 5 октября 2004 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К.212.201.01 при Российском заочном институте текстильной и легкой промышленности по адресу: 123298, г. Москва, ул. Народного Ополчения, дом 38, корпус 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского заочного института текстильной и легкой промышленности (РосЗИТЛП).

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

кандидат технических наук Т.П.Тихонова

АННОТАЦИЯ

На основе анализа статистики авиационных происшествий показано, что для такой транспортной системы с ограниченными условиями аварийного покидания как воздушное судно, применение новых пожаробезопасных (тепловыделение, токсичность) полимерных материалов позволит повысить выживаемость пассажиров при авиационных происшествиях связанных с пожаром. Приоритетным направлением является использование термически стабильных материалов, без применения антипиренов.

Необходимость создания аварийного надувного трапа для эвакуации пассажиров двухпалубного самолета большой пассажировместимости, оболочка которого обладает большим внутренним обьемом, вынуждает применять пиротехнические системы газонаполнения. Высокая температура газа подаваемого в оболочку трапа накладывает ограничения на применяемые материалы.

Приведены основные физико-механические и экономические показатели известных термостойких материалов. Подробно рассмотрены пара-арамидные (Армос®), полиимидные (Аримид®) и пара-метаарамидные (Тверлана®) волокнообразующие полимеры российского производства. Основной причиной сдерживающей их широкое применение в промышленности является чрезвычайно высокая стоимость. Показано, что Тверлана® обладает оптимальным сочетанием экономических и термо-механических характеристик.

Приведены результаты испытаний по определению полной величины тепло выделения применяющихся в настоящее время материалов оболочек аварийных надувных трапов российского и зарубежного производства.

Даны характеристики синтетических каучуков российского производства общего и специального назначения. Изготовлены опытные образцы и проведены испытания термостойких материалов Армос®, Аримид® и Тверлана® с покрытием на основе бутадиенового каучука нестереорегулярного строения, идентичным покрытию трапов российского производства.

Показано, что наносимое нетермостойкое покрытие оказывает значительное влияние на величину тепловыделения и не позволяет в полной мере реализовать преимущества термостойких материалов основы ткани.

Применение синтетического фторкаучукового покрытия, отличающегося высокой термостойкостью, в комбинации с термостойкой полиимидной тканью, позволяет получить лучшие результаты с более низкой величиной тепловыделения по сравнению с зарубежными аналогами.

Разработан проект раздела «Характеристики материала оболочки» общих Квалификационных требований к аварийным трапам для эвакуации пассажиров самолета.

-41. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

На основании анализа статистики летных происшествий на воздушном транспорте по тяжести последствий можно выделить три основные группы: «не выживаемые», «выживаемые» и «технически выживаемые» (до 90%) происшествия. В «технически выживаемых» происшествиях до 40% людей погибают вследствии отравления токсичными продуктами горения материалов внутренней отделки пассажирского салона, термических травм и проблем при эвакуации.

В настоящее время в конструкции воздушного судна широко применяются различные полимерные материалы. При возникновении пожара они легко воспламеняются и выделяют большое количество тепла и дыма, что является основной причиной гибели людей. Величина пожароопасной нагрузки пассажирской кабины, представляемая полимерными материалами, эквивалентна порядка 3750 кГ авиационного топлива, находящегося среди людей в пассажирском салоне! При прогнозируемом ИКАО ежегодном росте объема авиаперевозок в среднем во всем мире на 4-7%, и сохранении на прежнем уровне безопасности авиаперевозок, то число погибших при пожарах будет возрастать на 4% ежегодно.

Широко распространенным способом снижения горючести материала является его обработка антипиренами. Недостатками такого способа является:

- вымывание антипирена при эксплуатации (химчистка, дезинфекция);

- разрушение образующейся защитной корки в условиях реального пожара (большая продолжительность и мощность теплового воздействия);

- отсутствие заметного влияния на величину полного тепловыделения;

- повышение дымообразования и токсичности продуктов горения.

Применение термически стабильных материалов является приоритетным направлением повышения пожаробезопасности на транспортных системах с ограниченными условиями эвакуации (космические станции, воздушные и морские суда, подземный транспорт). Высокая стоимость современных пожаробезопасных материалов сдерживает их широкое применение в промышленности.

Цель работы состоит в том, что:

- исходя из термо-огнестойких, механических и экономических показателей материалов российского производства: параарамидного (Армос), пара-метаарамидного (Тверлана) и полиимидного (Аримид) полимерных волокон обосновать выбор материала для изготовления основы герметичной оболочки надувного трапа для эвакуации пассажиров самолета;

- разработать проект технических требований к характеристикам герметичного материала оболочки аварийного трапа большого внутреннего обьема для самолета большой пассажировместимости.

-5-

Задачи работы состоят в:

- сопоставлении характеристик тепло-огнестойкости материалов применяющихся в настоящее время для изготовления аварийных надувных трапов российского и зарубежного производства;

сопоставлении характеристик тепло-огнестойкости параарамидного Армос®, пара-метаарамидного Тверлана® и полиимидного Аримид® материалрв российского производства без покрытия и их экономических показателей;

-сопоставлении и анализе характеристик тепло-огнестойкости материалов

с бутадиеновым покрытием, идентичного покрытию трапов российского производства, а также фторкаучуком;

- оценке влияния материала покрытия на величину тепловыделения герметичного материала на основе термостойкой ткани;

анализе структуры стоимости материалов Армос®, Тверлана®, Аримид®.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- получены и сопоставлены данные по тепловыделению материалов оболочек аварийных надувных трапов российского и зарубежного производства; проведен сравнительный анализ термических характеристик полимерных волокон Армос®, Тверлана®, Аримид®;

-получены данные по величине тепловыделения термостойких материалов Армос®, Тверлана®, Аримид® с бутадиеновым покрытием;

- выполнен анализ структуры стоимости термостойких материалов Армос®, Тверлана®, Аримид*.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- предложен материал основы ткани для изготовления оболочек аварийных трапов большого внутреннего обьема, обладающий оптимальным сочетанием экономических и термо-механических характеристик;

- определен оптимальный диапазон стоимости пожаробезопасных материалов для широкого применения;

- разработан проект раздела Квалификационных требований «Характеристики материала оболочки аварийных трапов для эвакуации пассажиров самолета».

На защиту выносятся следующие полученные результаты испытаний:

- по определению тепловыделения материалов оболочек аварийных трапов российского и зарубежного производства;

- по определению физико-механических показателей и тепловыделения тканей на основе пара-арамидных, полиимидных и пара-метаарамидных полимерных волокон без покрытия;

- по определению тепловыделения опытных образцов пара-арамидных, полиимидных и пара-метаарамидных материалов с покрытием, идентичного покрытию оболочек трапов российского производства;

- по определению тепловыделения полиимидного материала с фторкаучуковым покрытием;

- определения оптимального диапазона стоимости пожаробезопасных материалов для широкого применения;

- проект раздела «Характеристики материала оболочки» общих Квалификационных требований к аварийному трапу.

Апробация работы.

Материалы работы были представлены и обсуждены на:

- Международном симпозиуме по техническому текстилю и нетканным материалам "ТехТекстиль", 24-25 сентября 2003 г., ВВЦ,

- Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности «Текстиль-2003», 18-19 ноября 2003 г., МГТУ им. А.Н.Косыгина,

- Международной конференции РСХТК «Прорывные, высокие технологии в производстве текстиля: волокна, красители, ТВВ, оборудование», 9-10 декабря 2003 г., Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН,

- Четвертой международной конференции «Исследования безопасности кабин и пожарной защите самолетов» (Aircraft fire and cabin safety research conference), Лиссабон, Португалия, 2004.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в автореферате.

Структура и обьем работы.

Диссертационная работа состоит из общей характеристики, 4-х основных глав, раздела обобщающих выводов, списка цитируемой литературы из 112 наименований и 16 приложений. Основной текст диссертации содержит 190 страницы машинописного текста, 50 таблиц, 125 иллюстраций.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Литературный обзор

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость выбранного направления исследования и сформулирована основная цель исследования. Приведены имеющиеся в печатных изданиях данные по статистике аварийности воздушных судов гражданской авиации и мировая тенденция развития авиационной промышленности, из которых видно, что с ежегодным ростом обьема авиаперевозок и сохранением безопасности на прежнем уровне - число погибших при пожарах будет возрастать на 4% каждый год. При этом до 40% людей, погибших в авиакатастрофах, приходится на «технически выживаемые» происшествия, в которых люди погибают вследствие несовершенства применяемых материалов, при горении которых выделяются токсичные продукты и значительное количество тепла, что

приводит к проблемам при эвакуации. Величина теплоты, выделяющейся при горении полимерных материалов декоративных элементов интерьера салона самолета, эквивалентна теплоте сгорания порядка 3750 кГ авиационного топлива, находящегося среди людей в пассажирском салоне!

Снижение горючести материалов посредством обработки их антипиренами в условиях реального пожара, в несколько тысяч раз превосходящего мощность пламени горелки Бунзена, используемой при испытаниях материала на горючесть (Рис. 1), и значительной продолжительности теплового воздействия не дает полноценной защиты. Полная величина выделившегося тепла при горении материала сохраняется практически на прежнем уровне (Рис. 2).

Рис. 1 Мощность различных Рис. 2 Тепловыделение материала

источников тепла. до и после обработки антипиреном

Для транспортных систем с ограниченными условиями аварийного покидания (самолет, космический аппарат, подводная лодка, подземный транспорт) повышение пожаробезопасности невозможно без применения термически стабильных материалов.

В таблице 1 приведены основные физико-механические характеристики известных термостойких материалов.

Таблица 1

Физико-механические свойства некоторых термостойких волокон.

Прочность при растяжении сН/текс Модуль упругости ГПа Кислородный индекс LOI, •/. Температура начала потери массы, "С Стоимость $/кг

ZYLON-AS (РВО) 370 180 68 650 130-180

РВ1 27 56 41 550 170

Kevlar* 29 205 60 28-30 550 28

Р84 30-40 — 36-38 - 28-33

Армос® 250-290 140-160 38-42 550 80

СВМ 160-235 125-140 38-42 550 70-100

Аримид-С 70-80 14.7-24.5 60-65 550 186, серна 80-97

Тверлана" 30-60 14 35-37 400 52, серим - 30

Полиэфир . 80 15 17 260 0.72-1.2

На рисунке 3 показано графическое соотношение характеристик волокон российского производства, а также их стоимости по сравнению с полиэфирным волокном, которое в настоящее время является доминирующим материалом (60%) на мировом рынке производства химических волокон.

Показано, что основной причиной сдерживающей широкое применение термостойких волокон в промышленности, является высокая стоимость.

Приведены литературные данные по составу . продуктов горения различных материалов и их влиянию на человека.

I

Рис. 4 Структурная формула волокна Тверлана Глава 2. Методический раздел.

. Дан краткий обзор современных требований по пожаробезопасности авиационных материалов и подробное описание методов определения тепловыделения материала, кислородного индекса, теплостойкости оболочки аварийных надувных трапов к тепловому излучению.

Приведено описание лабораторных методов испытаний, позволяющих получать полную информацию о процессе горения в условиях, максимально приближенных к реальному пожару, по одному миллиграмму образца. Базовые принципы методов построены на том, что количество кислорода, вступившего в реакцию окисления, определяет величину выделяющегося тепла.

Также дано описание известных методов определения физико-механических характеристик материала (разрывная нагрузка, удлинение, поверхностная плотность).

Глава 3. Экспериментальная часть.

Одной из областей применения термостойкого материала в авиапромышленности может быть его использование в качестве основы для изготовления герметичной оболочки аварийного надувного трапа для эвакуации пассажиров. При создании трапа большого внутреннего обьема использование широко распространенных газобаллонных систем эжекторного типа потребуют значительного увеличения массы баллона(ов) для хранения запасов сжатого газа. Применение пиротехнических систем газонаполнения позволит повысить ее весовую эффективность. Однако, достаточно высокая температура (130-400°С) подаваемого в оболочку газа может привести к ее повреждению.

Для целей сопоставления величины тепловыделения существующих материалов оболочек аварийных трапов российского и зарубежного производства и специально подготовленных экспериментальных образцов параарамидной пара-метаарамидной и полиимидной

тканей с покрытием на основе бутадиенового каучука нестереорегулярного строения (СКБ) были проведены сравнительные испытания.

Покрытие наносилось в условиях промышленного предприятия -Уфимского Завода Эластомерных Материалов Изделий и Конструкций, на клеепромазочной машине (Рис. 5). При этом ткань протягивалась через зазор между рабочим валом (4) и промазочным ножом (3). Между валом и натяжным барабаном (7) расположена нагревательная плита (6), испаряющая растворитель из клеевой пленки. Покрытие было нанесено за несколько проходов (штрихов). После промазки ткани покрытие вулканизовалось в вулканизационном котле под давлением в среде насыщенного пара.

Рис. 5 Схема клеепромазочной машины и устройство рабочего ножа.

Испытания проводились по методике, приведенной в Части 25 Авиационных Правил (АП-25), Приложение Б, Часть IV «Метод испытания по определению тепловыделения материалов кабин при воздействии теплового излучения», в лаборатории Государственного Научного Центра «ВИАМ». Также была оценена пожароопасность образцов по стандартной методике определения кислородного индекса (КИ).

-10В таблице 2 и на рисунке 6 приведены обобщенные результаты испытаний материалов оболочек аварийных трапов российского и зарубежного производства.

Таблица 2

Тепловыделение и кислородный индекс оболочек трапов с покрытием.

Для изготовления зарубежных материалов арт. М-11849 и арт. М-12040 в качестве основы используется полиамид ^кт-6,6 (Тшв,1Ла,и,=280оС)1 а в качестве покрытия полиуретан на основе полиэфиров с добавлением алюминиевой пудры. Эти материалы показали самое низкое значение полной величины тепловыделения.

Основа ткани оболочки отечественных трапов ранних разработок арт. 30 и арт. 8-238 изготавливалась из полиамида ^кт-б (капрон) (Т1шамс„и«=230оС) с полиизобутиленовым и этилен-пропиленовым каучуковым покрытием и показали наибольшее значение тепловыделения среди испытанных образцов.

»»*"•« 0>-1М) (М.»М) (TJ.2U) 0lt-«M) |b.W|

Рис. 6 Тепловыделение (кВт/м ) материалов оболочек трапов и КИ (для наглядности графики смещены вдоль оси «X»).

В более современном материале арт. 8-170 в качестве основы используется полиэфирная ткань с алюминизированным

покрытием на основе натрий-бутадиенового каучука нестереорегулярного строения (СКБ). Полная величина тепловыделения по сравнению с материалами ранних разработок несколько ниже однако, интенсивность выделения тепла в начальный момент времени достаточно велика.

-11В таблице 3 и на рисунке 7 приведены результаты испытаний специально подготовленных экспериментальных образцов термостойких материалов

с натрий-бутадиеновым покрытием (СКБ), идентичным покрытию трапов российского производства. Также приведены результаты испытаний ткани Аримид® арт. 51-ЗТ-166 с фторкаучуковым покрытием СКФ-26.

Таблица 3

Тепловыделение и кислородный индекс термостойких тканей с покрытием.

Материал, поверхностна! плотность (грамм/м~) Пиковое значение интенсивности тепловыделения кВт/м' Время достижения пикового значения тепловыделения, сек Полное тепловыделение за первые 2 минуты. кВтмин/м" Кислородный индекс (L01),

арт. 51-ЗТ-166, (214) 40 88 11.0 18.19 49

Армос+СКБ, (344) 144 15 17.3 74.0 21

Аримид+СКБ, (335) 209.59 15.3 86.66 19

Тверлана+СКБ, (450) 286 05 23 0 115.88 19

Показатели тепловыделения и горючести материалов с покрытием СКБ сопоставимы между собой, высокое значение тепловыделения показал образец

При сравнении с результатами испытаний оболочек трапов российского производства можно видеть, что экспериментальные образцы показали лучшие результаты с более низкой величиной тепловыделения. Значительно более низкий уровень величины тепловыделения зарубежных образцов остается не достигнутым.

Рис. 7 Тепловыделение (кВт/м ) термостойких материалов с покрытием и КИ (для наглядности графики смещены вдоль оси «X»).

Результаты испытаний полиимидной ткани арт. 51-ЗТ-166 с покрытием СКФ-26 превосходят показатели как экспериментальных образцов, так и зарубежных аналогов - величина тепловыделения наименьшая, что обусловлено высокими характеристиками теплостойкости материала ткани и фторкаучукового покрытия.

Поскольку на величину тепловыделения оказывает влияние, как материал основы, так и материал герметизирующего покрытия, то была определена доля каждого из этих составляющих в итоговой величине тепловыделения. В таблице 4 приведены результаты испытаний материалов без покрытия, а на рисунках 8 и 9 - изменение тепловыделения после нанесения покрытия.

Таблица 4

Тепловыделение и кислородный индекс термостойких тканей без покрытия.

Материал, поверхностная плотность (грамм/м1) Пиковое значение интенсивности тепловыделения кВт/м! Время достижения пикового значении тепловыделения, сек Полное тепловыделение за первые 2 минуты, кВт-мин/м Кислородный индекс (1.00,

Армос*, (197) 39.18 24.7 22.4 36

Аримид®, (145) арт. 86127 11.34 194.7 4.19 60

Тверлаиа* (202) 45.18 17.7 24.8 31

Полиэфир, (156) арт 56341 26.34 104 17.62 27

Различная величина изменения тепловыделения после нанесения покрытия на образцы обусловлено различной массой наносимого покрытия. Самое высокое значение приращения величины тепловыделения показал образец Тверланы®, так как штапельная ткань имеет большую «резиноемкость» вследствие рыхлой, впитывающей структуры. Кроме того, сам материал бутадиенового покрытия обладает не достаточно высокими термостойкими свойствами.

• ммяшштзоряпм • М « М Ш Ш 1П 11« 1« Я*

1,1 >1 «

Рис. 8 Изменение тепловыделения Армос и Аримид после нанесения покрытия.

Рис. 9 Изменение тепловыделения Тверланы и полиэфира после нанесения

покрытия.

Глава 4. Основные результаты и области практического применения пожаробезопасных материалов

Применение одного из термостойких материалов Армос*, Аримид или Тверлана® в качестве основы для оболочки аварийного трапа и ранее применявшегося натрий-бутадиенового покрытия СКБ позволяет лишь несколько улучшить показатели тепловыделения при сравнении с российскими аналогами (арт. 8-170). Для достижения уровня тепловыделения зарубежных материалов (арт. М-11849) необходимо применять более термостойкое покрытие. В пользу чего свидетельствуют результаты испытаний материала Аримид® с фторкаучуковым покрытием (арт. 51-ЗТ-166), который обладает лучшим показателем тепловыделения среди рассмотреных образцов (рис. 10).

О 30 «О «О 120 1» 110 210 240 270 300

Время, с

Рис. 10 Сопоставление тепловыделения (КВТ/М2 существующих арт. 8-170 и экспериментальных образцов с покрытием.

Для того, чтобы сделать выбор в пользу того или иного материала основы для оболочки аварийного трапа рассмотрим смету затрат на его производство и оценим возможности ее понижения.

Таблица 5

Смета затрат на производство термостойких волокон

ф Армос Аримид® Тверлана®

Сырье я основные материалы 31.62 74.25 25.28

Вспомогательные материалы 0.48 3.43 0.15

Транспортно-заготовительные расходы — 8.62 1.91

Энергетические затраты 8.42 38.7 9.15

Заработная плата 5.12 24.38 6.38

Отчисления на социальные нужда — 8.75 2.29

Амортизационные отчисления 10.2 1.11 0.18

Цеховые расходы 8.2 2.72 3.03

Прочие расходы 15.96 12.04 2.48

Общезаводские расходы 0.43 12.2 1.68

Итого, $/кГ: 80.43 186.2 52.54

Из представленных в таблице 5 данных только Армос® производится в промышленных масштабах. АрИМИД® И Тверлана® выпускаются небольшими партиями на опытных установках с производительностью 5-10 тонн в год.

На рисунке 11 показано, что от 40 до 50% стоимости составляют затраты на исходное сырье, от 10 до 20% - энергетические затраты, от 6 до 12% -заработная плата и от 5 до 20% - прочие и цеховые расходы

лримид Тверлана

Рис. 11 Структура стоимости термостойких волокон Армос®, Аримид®,

Тверлана®.

Достаточно большие накладные расходы при производстве Аримида® говорят о имеющихся возможностях по снижению его стоимости при промышленном выпуске с 186$/кг до 80-97$/кг. Накладные расходы при производстве Тверланы® минимизированы (рисунок 3). Дальнейшее снижение стоимости достаточно проблематично, резервы по сокращению затрат на подготовку производства и вспомогательные материалы при промышленном выпуске позволят снизить стоимость с 52$/кгдо 35$/кг.

Прочностные характеристики Аримида® и Тверланы® соизмеримы с полиэфиром, а термические свойства - с Армос®. При этом стоимость Тверланы® примерно в два раза ниже стоимости 1рмоса® И Аримида® (с учетом промышленного выпуска).

Таким образом, применение Тверлана®, в качестве материала основы оболочки аварийного трапа является экономически более целесообразным.

Значительная стоимость термостойких материалов на порядок большая, чем стоимость обычных синтетических волокон, является неизбежной платой за качественный скачок, позволяющий перейти к более высоким характеристикам материала. И в этом история авиации повторяется на новом витке своего развития (переход от деревянных конструкций к металлическим, звуковой и тепловой барьеры). В настоящее время мы стоим перед решением очередного «барьера», барьера экономической эффективности принимаемых конструктивных решений.

-153. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Значительное количество горючих полимерных декоративно-отделочных материалов в конструкции современного воздушного судна определяющих его пожаробезопасность, говорит о необходимости применения термически стабильных материалов.

Применение антипиренов в условиях реального пожара большой мощности и продолжительности теплового воздействия не дает полноценной защиты. При этом, величина тепловыделения практически не изменяется, а дымообразование и токсичность продуктов горения заметно возрастает.

По величине тепловыделения материалы оболочек аварийных трапов российского производства в 2-4 раза уступают зарубежным аналогам. Из чего следует, что отечественные материалы не удовлетворяют требованиям-зарубежного технического стандарта Т80-С69с по теплостойкости (1.7 Вт/см2 (1.5БШ/й2-8ес)).

Использование в качестве основы термостойких материалов Армос®, Аримид®, Тверлана* с ранее применявшимся покрытием — на основе натрий-бутадиенового каучука СКБ, позволяет лишь несколько улучшить показатели тепловыделения по сравнению с существующими отечественными материалами. Однако этого явно недостаточно для достижения уровня тепловыделения зарубежных аналогов.

Значительное возрастание величины тепловыделения материала после нанесения покрытия говорит о достаточно большом его влиянии на термостойкость, и не позволяет в полной мере реализовать преимущества термостойких материалов основы ткани.

Применение термостойкого полиимидного материала в

комбинации с синтетическим фторкаучуковым покрытием СКФ-26, отличающегося высокой термостойкостью, позволяет получить лучшие результаты с более низкой величиной тепловыделения по сравнению с зарубежными аналогами.

Высокая стоимость термостойких материалов является неизбежной платой за повышенные показатели термостойкости и сдерживает их широкое применение. Очевидно, ценовой диапазон материалов для широкого применения находится от 25 до 30 $/кг.

Новый пара-метаарамидный материал Тверлана, обладает оптимальным сочетанием экономических и термомеханических характеристик и наиболее пригоден для изготовления герметичного материала оболочки аварийного трапа.

По материалам диссертации опубликовании следующие работы:

1. К.М.Кирин, ВА.Никишин, «Повышение пожаробезопасности авиационных текстильных материалов», // Известия ВУЗов, Технология текстильной промышленности, 2003, № 2. - С 128-130. 3 с.

2. К.М.Кирин, В.А.Никишин, «Применение пожаробезопасных текстильных материалов на гражданском воздушном транспорте», // Известия ВУЗов, Технология текстильной промышленности, 2003, № 5. - С 121-125. 5 с.

3. К.М.Кирин, В.А.Никишин, «Перспективные методы лабораторных исследований свойств горючести материала», // Известия ВУЗов, Технология текстильной промышленности, № 6, 2003. - С 119-122. 4 с.

4. К.М.Кирин «Перспективные пожаробезопасные текстильные материалы для применения в гражданской авиации», // Сборник научных трудов ГосНИИ Гражданской Авиации (юбилейный выпуск № 1), Министерство транспорта РФ, 2003.-С 178-191. 14 с.

5. К.М.Кирин «Перспективные пожаробезопасные текстильные материалы для применения в гражданской авиации»// Текстильная химия, Специальный выпуск Российского Союза химиков-текстильщиков и колористов. 2003, № 2 (22).-С 26-30. 5 с.

6. К.М.Кирин, Г.А.Будницкий, В.А.Никишин, «Термостойкие текстильные материалы для аварийных средств эвакуации гражданских самолетов», // Химические волокна, 2004, № 1. - С 64-67. 4с.

7. К.М.Кирин, Г.А.Будницкий, В.А..Никишин, «Огневые испытания материала оболочек аварийных трапов для эвакуации пассажиров из самолета», // «Новое в науке и производстве текстильной промышленности». Сборник научных трудов, выпуск 1. Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, 2004. - С 117-125. - 9с.

РосЗИТЛП Заказ 361 Тираж 70 экз.

113188

Общая характеристика работы

Глава 1. Литературный обзор:

1.1 Введение (Актуальность применения пожаробезопасных волокнистых материалов на гражданском самолете)

1.1.1 анализ статистики летных происшествий гражданских самолетов

1.1.2 современные направления развития гражданской авиации

1.1.3 величина пожароопасной нагрузки салона самолета

1.1.4 исследования по повышению пожаробезопасности самолета

1.1.5 токсикология газов, выделяющихся при горении материала

1.2 Характеристики термостойких волокнистых материалов

1.2.1 полиамидное волокно

1.2.2 пара- и мета-арамидные волокна

1.2.3 полиимидное волокно

1.2.4 полиоксадиазольное волокно

1.2.5 полиэфирное волокно

1.2.6 полибензазольное волокно

1.2.7 полинафтоиленбензимидазольное волокно

1.3 Применение антипиренов для снижения горючести материалов

1.4 Стоимость пожаробезопасных материалов и пара-метаарамидного волокна для широкого применения

1.5 Общая характеристика каучуков для отделки ткани

1.5.1 каучуки общего назначения

1.5.2 каучуки специального назначения

Глава 2. Методический раздел:

2.1 Методы определения горючести материалов для гражданской авиации

2.1.1 величина тепловыделения материала

2.1.2 кислородный индекс

2.1.3 теплостойкость материала аварийных трапов

2.2 Методы определения физико-механических характеристик материала

Глава 3. Экспериментальная часть:

3.1 Определение величины тепловыделения материалов оболочек аварийных трапов отечественного и зарубежного производства

3.1.1 методика проведения испытаний

3.1.2 образцы материала для испытаний

3.1.3 результаты испытаний

3.2 Определение термо-механических характеристик материалов на ^ основе полиимидных, пара- и мета-арамидных полимеров

3.2.1 методика проведения испытаний

3.2.2 образцы материала для испытаний

3.2.3 результаты испытаний

3.3 Технология нанесения каучуковых покрытий на ткани.из термостойких материалов

3.3.1 подготовительные операции производства

3.3.2 операции основного производства

3.4 Определение величины тепловыделения полиимидных, пара- и мета-арамидных материалов с герметизирующим покрытием

3.4.1 методика проведения испытаний

3.4.2 образцы материала для испытаний

3.4.3 результаты испытаний

Глава 4. Основные результаты и области практического применения пожаробезопасных материалов:

4.1 Сопоставление экономических показателей термостойких материалов.

4.2 Проект раздела Квалификационных требований «Характеристики материала оболочки аварийного трапа для эвакуации пассажиров»

4.3 Практические области применения пожаробезопасных материалов.

4.3.1 Авиационная промышленность

Ф 4.3.2 Космические станции, морской флот, подземный транспорт

4.3.3 Спасательные подразделения, технические виды спорта

Актуальность темы.

На основании анализа статистики летных происшествий на воздушном транспорте по тяжести последствий можно выделить три основные группы: «не выживаемые», «выживаемые» и «технически выживаемые» (до 90%) происшествия. В «технически выживаемых» происшествиях до 40% людей погибают вследствии отравления токсичными продуктами горения материалов внутренней отделки пассажирского салона, термических травм и проблем при эвакуации.

В настоящее время в конструкции воздушного судна широко применяются различные полимерные материалы. При возникновении пожара они легко воспламеняются и выделяют большое количество тепла и дыма, что является основной причиной гибели людей. Величина пожароопасной нагрузки пассажирской кабины, представляемая полимерными материалами, эквивалентна порядка 3750 кГ авиационного топлива, находящегося среди людей в пассажирском салоне! При прогнозируемом ИКАО ежегодном росте объема авиаперевозок в среднем во всем мире на 4-7%, и сохранении на прежнем уровне безопасности авиаперевозок, то число погибших при пожарах будет возрастать на 4% ежегодно.

Широко распространенным способом снижения горючести материала является его обработка антипиренами. Недостатками такого способа является:

- вымывание антипирена при эксплуатации (химчистка, дезинфекция);

- разрушение образующейся защитной корки в условиях реального пожара (большая продолжительность и мощность теплового воздействия);

- отсутствие заметного влияния на величину полного тепловыделения;

- повышение дымообразования и токсичности продуктов горения.

Применение термически стабильных материалов является приоритетным направлением повышения пожаробезопасности на транспортных системах с ограниченными условиями эвакуации (космические станции, воздушные и морские суда, подземный транспорт). Высокая стоимость современных пожаробезопасных материалов сдерживает их широкое применение в промышленности.

Цель работы состоит в том, что:

- исходя из термо-огнестойких, механических и экономических показателей материалов российского производства: параарамидного (Армос), пара-метаарамидного (Тверлана) и полиимидного (Аримид) полимерных волокон обосновать выбор материала для изготовления основы герметичной оболочки надувного трапа для эвакуации пассажиров самолета;

- разработать проект технических требований к характеристикам герметичного материала оболочки аварийного трапа большого внутреннего обьема для самолета большой пассажировместимости.

Задачи работы состоят в: сопоставлении характеристик тепло-огнестойкости материалов применяющихся в настоящее время для изготовления аварийных надувных трапов российского и зарубежного производства; сопоставлении характеристик тепло-огнестойкости параарамидного Армос®, пара-метаарамидного Тверлана® и полиимидного Аримид® материалов российского производства без покрытия и их экономических показателей; сопоставлении и анализе характеристик тепло-огнестойкости материалов Армос®, Тверлана®, Аримид® с бутадиеновым покрытием, идентичного покрытию трапов российского производства, а также фторкаучуком; оценке влияния материала покрытия на величину тепловыделения герметичного материала на основе термостойкой ткани; анализе структуры стоимости материалов Армос®, Тверлана®, Аримид®.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые: получены и сопоставлены данные по тепловыделению материалов оболочек аварийных надувных трапов российского и зарубежного производства; проведен сравнительный анализ термических характеристик полимерных волокон Армос®, Тверлана®, Аримид®; получены данные по величине тепловыделения термостойких материалов Армос®, Тверлана®, Аримид® с бутадиеновым покрытием; выполнен анализ структуры стоимости термостойких материалов Армос®, Тверлана®, Аримид®.

Практическая значимость работы состоит в следующем: предложен материал основы ткани для изготовления оболочек аварийных трапов большого внутреннего обьема, обладающий оптимальным сочетанием экономических и термо-механических характеристик; определен оптимальный диапазон стоимости пожаробезопасных материалов для широкого применения; разработан проект раздела Квалификационных требований «Характеристики материала оболочки аварийных трапов для эвакуации пассажиров самолета».

На защиту выносятся следующие полученные результаты испытаний: по определению тепловыделения материалов оболочек аварийных трапов российского и зарубежного производства; по определению физико-механических показателей и тепловыделения тканей на основе пара-арамидных, полиимидных и пара-метаарамидных полимерных волокон без покрытия; по определению тепловыделения опытных образцов пара-арамидных, полиимидных и пара-метаарамидных материалов с покрытием, идентичного покрытию оболочек трапов российского производства; по определению тепловыделения полиимидного материала с фторкаучуковым покрытием;

- определения оптимального диапазона стоимости пожаробезопасных материалов для широкого применения;

- проект раздела «Характеристики материала оболочки» общих Квалификационных требований к аварийному трапу.

Апробация работы.

Материалы работы были представлены и обсуждены на:

- Международном симпозиуме по техническому текстилю и нетканным материалам "ТехТекстиль", 24-25 сентября 2003 г., ВВЦ,

- Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности «Текстиль-2003», 18-19 ноября 2003 г., Ml ТУ им. А.Н.Косыгина,

- Международной конференции РСХТК «Прорывные, высокие технологии в производстве текстиля: волокна, красители, ТВВ, оборудование», 9-10 декабря 2003 г., Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН,

- Направлены тезисы для участия в четвертой международной конференции «Исследования безопасности кабин и пожарной защите самолетов» (Aircraft fire and cabin safety research conference), Лиссабон, Португалия, ноябрь 2004.

1.1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ГРАЖДАНСКОМ САМОЛЕТЕ

- 1195. ВЫВОДЫ

5.1 Значительное количество горючих полимерных декоративно-отделочных материалов в конструкции современного воздушного судна определяющих его пожаробезопасность, и тенденция к возрастанию их доли при использовании в качестве конструкционного материала, говорит о необходимости применения термически стабильных материалов.

5.2 Применение антипиренов в условиях реального пожара достаточно большой мощности и продолжительности теплового воздействия, не дает полноценной защиты. При этом, величина тепловыделения сохраняется практически на прежнем уровне, а дымообразование и токсичность продуктов горения как правило возрастает.

5.3 Для повышения пожаробезопасности воздушного транспорта необходимо применять термически стабильные материалы (как материала основы, так и связующего для композитов), имеющих величину тепловыделения близкую к нулевой, как например, у таких материалов как Аримид, Армос, Тверлана.

5.4 Применение пожаробезопасных материалов в интерьере пассажирской кабины воздушного судна позволит увеличить время «безопасной» эвакуации людей с 2-4 минут в настоящее время, до 10 минут.

5.5 Для получения полной характеристики пожаробезопасности материала оценку его свойств необходимо выполнять по современным методикам, позволяющим совместно оценивать комплекс различных параметров по образцу минимального веса. Ожидаемый срок введения в действие таких методов за рубежом - 2010 г.

5.6 Полная величина выделяемого тепла материала оболочек аварийных трапов российского производства имеет более высокие показатели тепловыделения и в 2-4 раза уступает зарубежным аналогам. Достаточно большая разница в показателях тепловыделения отечественных и зарубежных материалов позволяет предположить, что отечественные материалы не удовлетворяют требованиям зарубежного технического стандарта TSO-C69c по теплостойкости (1.7 Вт/см2 (1.5 Btu/ft2-sec)).

5.7 Значительное возрастание величины тепловыделения после нанесения на ткань герметизирующего покрытия говорит о достаточно большом влиянии материала покрытия на термостойкость, и не позволяет в полной мере реализовать преимущества термостойких материалов основы.

5.8 Замена полиэфирной ткани, как материал основы, на термостойкие ткани из волокон Армос, Аримид, Тверлана (и сохранение ранее применявшегося покрытия - СКБ) позволяет лишь несколько улучшить показатели тепловыделения по сравнению с существующими отечественными герметичными материалами. Однако этого явно недостаточно для достижения уровня тепловыделения зарубежных аналогов и тем более его превышения.

5.9 Применение термостойкого полиимидного материала Аримид в комбинации с синтетическим фторкаучуковым покрытием СКФ-26, отличающихся высокой термостойкостью, позволяет получить лучшие результаты с более низкой величиной тепловыделения по сравнению с зарубежными аналогами.

5.10 Стоиморть термостойких материалов на порядок превышает стоимость обычных синтетических волокон, что является неизбежной платой за повышенные показатели термостойкости. Ценовой диапазон термостойких материалов для широкого применения находится в диапазоне от 25 до 30 $/кГ.

5.11 Новый пара-метаарамидный материал Тверлана, обладает оптимальным сочетанием экономических и термо-механических характеристик и наиболее пригоден для изготовления герметичного материала оболочки аварийного трапа для эвакуации пассажиров самолета.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам технического отдела Горбачевой Н.М, Перменовой Л.И., Заббаровой Р.С. ОАО «Уфимского Завода Эластомерных Материалов, Изделий и Конструкций» («УЗЭМИК», Республика Башкортостан) за выполненную работу по нанесению герметизирующего покрытия на образцы. Также отдельная благодарность сотрудникам лабораторий Государственного Научного Центра «ВИАМ» -Воробьеву В.Н. и Барботько СЛ. за проведенные эксперименты по определению тепловыделения, и ООО «ЛИРСОТ» - Дрозд Л.И. за выполненные испытания по определению физико-механические свойств образцов.

Особая благодарность за поддержку и содействие в получении образцов и технических материалов президенту компании «Air Cruisers Company» (США) Jose Redento и сотрудникам ее московского представительства - Шубнякову Д.Е., Шеманаеву М.Ю., а также консультанту Авиационного Регистра МАК -Костеву Ю.А.

- 121

1. Научно-технический отчет "Анализ весовых характеристик пассажирского оборудования самолетов Ил-96 и Ту-204" № 10/2274, В.В.Лазарев, Ю.М.Никитченко, Г.С.Смирнов, ЦАГИ им.проф. Н.Е.Жуковского.

2. Схема отделки интерьера самолета Ил-86.

3. Daniel A. Johnson "Just in case. A passenger's Guide to Airplane Safety and Survival" (Советы авиапассажирам. Соблюдение правил безопасности полета и спасения в аварийных ситуациях), перевод с английского К.Г.Бомштейна, Москва, «Транспорт», 1989.

4. Г.Оприц, А.В.Токарев, А.С.Семенова, "Химические Волокна", стр. 21-26, №4, 1989.

5. DOT/FAA/AR-OO/12, "Aircraft Material Fire Test Handbook", Compiled by April Horner, FAA Fire Safety Section, AAR-422, William J. Hughes Technical Center Atlantic City International Airport, NJ, April 2000.

6. ГОСТ 24632-81 "Материалы полимерные. Методы определения дымообразования».

7. ASTM D2863-87 "Standard Test Method for Measuring the Minimum Oxigen Concentration to Support Candle-like Combustion of Plastics (Oxygen Index)",

8. ГОСТ 21793-76 (ГОСТ 12.1.044-89) "Пластмассы. Метод определения кислородного индекса".

9. ГОСТ 16010-70 "Ткани технические прорезиненные. Методы определения разрывной нагрузки, удлинения при разрыве и раздирающей нагрузки".

10. ГОСТ 29104.4-91 "Ткани технические. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве".

11. Методика М38 Заг. 405629-86 «Материалы резинотканевые. Определения водородопроницаемости тканей на приборе ПВПТ7".

12. ГОСТ 12088-83 "Материалы технические и изделия из них. Метод определения воздухопроницаемости".

13. ГОСТ 6768-75 "Резина и прорезиненная ткань. Метод определения прочности связи между слоями при расслоении".

14. ГОСТ 12.4.026-76 "Цвета сигнальные и знаки безопасности",

15. Technical Standard Order TSO-C13f "Life Preservers", Date9/24/92.

16. Technical Standard Order TSO-C69c "Emergency Evacuation Slides, Ramps, Ramp/Slides and Slide/Rafts", Effective Date: 8/18/99.

17. Technical Standard Order TSO-C70a "Liferafts (Reversible and Nonreversible)", Date 4/13/84.-12564. Technical Standard Order TSO-C72c "Individual Flotation Devices", Date 2/19/87.

18. ГОСТ 29104.1-91 "Ткани технические. Методы определения линейных размеров, линейной и поверхностной плотностей".

19. Model 747 "Airplane characteristics for airport planning", Boeing Doc. D6-58326, Rev. E.

20. ГОСТ 12.1.007-76 "Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности".

21. Richard N. Walters, Stacey M. Hackett Galaxy Scientific Corporation 2500 English

22. Creec Avenue, Building С Egg Harbor Township, New Jersey 08234.

23. Richard E. Lyon Federal Aviation Administration, William J. Hughes Technical

24. Center, Fire Safety Section AAR-422, Atlantic City International Airport, New Jersey08405.

25. Air Cruisers Company Engineering Document Number 2383 "Qualification Test Report for verify complience for 46-person life rafts P/N 63800", Appendix AN "Coated Fabric Qual Test Report",

26. Air Cruisers Company Engineering Document Number 2283 "Qualification Test Report for AC-2000 life preserver", Appendix С "Coated Fabric Qualification Report",

27. Hoover Industries Qualification Test Report TR-2, Attachment 2, March 29, 1985. Life Oreserver model number FV-35 P/N 3500-( ),

28. ASTM D240-00 "Standard Test Method for Heat of Combustion of Liquid Hydrocarbon Fuels by Bomb Calorimeter" (см. также ISO 1716).

29. ASTM D2015 "Standard Test Method for Gross Calorific Value of Solid Fuel by the Adiabatic Bomb Calorimeter".

30. ASTM D2382-88 "Standard Test Method for Heat of Combustion of Hydrocarbon Fuels by Bomb Calorimeter".107. "Quality Bomb Calorimeters for more than 100 Years", Parr Instruments Company.

31. ASTM El 582-00 "Standard Practice for Calibration of Temperature Scale for Thermogravimetry".

32. ASTM El 131 "Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry".

33. ASTM El641 "Standard Test Method for Decomposition Kinetics by Thermogravimetry".111. «Технология резиновых технических изделий», В.Н. Иванова, JI.A. Алешунина, Ленинград, изд. «Химия», 1980.