Перспективные пожаробезопасные текстильные материалы для применения в гражданской авиации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.02, кандидат технических наук Кирин, Константин Михайлович

• Кирин, Константин Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кирин, Константин Михайлович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Перспективные пожаробезопасные текстильные материалы для применения в гражданской авиации»

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

Заключение диссертации по теме «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья», Кирин, Константин Михайлович

- 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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кирин, Константин Михайлович, 2004 год

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.