Разработка армированных полимерных материалов пониженной горючести, перспективных для использования в авиационной промышленности, на основе экспериментального исследования и компьютерного моделирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-19-00295

НазваниеРазработка армированных полимерных материалов пониженной горючести, перспективных для использования в авиационной промышленности, на основе экспериментального исследования и компьютерного моделирования

Руководитель Коробейничев Олег Павлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова армированные полимерные композиционные материалы, пожар, распространение пожара, кинетика пиролиза полимеров, кинетика газофазных реакций, антипирены, зажигание, термический анализ, структура пламени, CFD-моделирование, распространение пламени по плимерам, моделирование пожара, турбулентное горение, горючесть материалов, снижение горючести полимеров

Код ГРНТИ81.92.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте с участием коллектива, включающего экспериментаторов и специалистов в области численного моделирования процессов пиролиза и горения полимерных материалов из 4 научных групп, будут разработаны и экспериментально исследованы новые трудногорючие армированные полимерные композиционные материалы (АПКМ) на основе эпоксидных смол с добавками наиболее эффективных по данным результатов последних исследований антипиренов (ДОПО (9,10-дигидро-9-окса-10-фосфафенентрен-10-оксид) и соединения на его основе (DOPP (DOPO + tetra-[(acryloyloxy)ethyl] pentarythrit), DOPI (DOPO+ [(acryloyloxy)ethyl] isocyanurate)), окись графита, графен и др.), перспективных для использования в авиационной промышленности, а также в других отраслях (строительстве, автомобильной, железнодорожный, судостроение и др.). Кроме того будут изучены механизмы снижения горючести АПКМ добавками антипиренов и разработаны новые модели пиролиза и горения, способные предсказывать основные характеристики (скорость выгорания, температуру материала и пламени, тепловые потоки), определяющие поведение АПКМ при пожаре и при испытании в стандартных тестах на горючесть. Образцы разрабатываемых АПКМ будут изготовлены из эпоксидных стекловолокна в качестве армирующего наполнителя без добавок, а также с добавками вышеупомянутых антипиренов, которые обеспечат низкую токсичность и горючесть, высокую термостойкость и требуемые физико-механические свойства. Будет изучено влияние поверхностной плотности армирующего наполнителя, его структуры, схемы укладки, на горючесть и физико-механические свойства АПКМ. С целью разработки состава и структуры АПКМ, удовлетворяющих этим требованиям, будет проведен экспериментальный поиск наиболее эффективных комбинаций антипиренов с точки зрения оптимального соотношения между горючестью, токсичностью и механическими свойствами, которые будут рекомендованы для дальнейшего практического внедрения. Для этих составов будут проведены комплексные измерения кинетики и состава продуктов пиролиза, а также исследования тепловой структуры пламен, скорости распространения пламени по поверхности, тепловых потоков из пламени в поверхность горючего материала под действием мощного радиационного теплового потока, тестов на горючесть изготовленных образцов АПКМ. Комплексные измерения свойств образцов АПКМ будут проведены с использованием передовых экспериментальных методов и современного оборудования, имеющегося в распоряжении исполнителей проекта. Кинетика пиролиза образцов АПКМ при низких скоростях нагрева 0.2 – 3 К/с и измерение теплоты горения летучих продуктов пиролиза будет исследована методами термического анализа (ТГА, ДТГ, ДСК, TGA-GC/MS), совмещенного с ИК-Фурье спектроскопией, а также методом кислородной микрокалориметрии (Microscale combustion calorimetry, MCC, ASTM D7309–07a), а при высоких скоростях нагрева 150 К/с - методом дифференциального масс-спектрометрического термического анализа (ДМСТА) с определением летучих продуктов пиролиза. Экспериментально будет изучено распространение пламени по горизонтальной и вертикальной поверхности образцов АПКМ в направлении снизу вверх и сверху вниз, при воздействии внешнего радиационного теплового потока. Будет измерена скорость распространения пламени, массовая скорость потери массы, распределение температуры в конденсированной и газовой фазах (методом микротермопар), измерены конвективные и радиационные тепловые потоки из пламени к поверхности АПКМ, состав газообразных продуктов горения для определения токсичности. Также будут проведены измерения горючести образцов АПКМ с помощью стандартных тестов на горючесть - проточный конусный калориметр (ISO 5660), проточный OSU калориметр (ASTM E906), кислородный индекс (ASTM D2863), тест на определение горючести (АП 25 (FAR 25)). Полученные результаты будут использованы для валидации разрабатываемых численных моделей горения АПКМ. На основе полученных экспериментальных данных будет адаптирована и усовершенствована модель Pyropolis включая ее модульную интеграцию в общий программный комплекс с гидродинамическим кодом, который будет описывать процесс термического разложения АПКМ и газофазного горения продуктов его пиролиза на основе сопряженной модели тепломассопереноса, описывающей взаимодействие процессов в газовой фазе и твердом горючем материале. Будут разработаны «charring» модели распространения пламени по поверхности АПКМ с добавками антипиренов и без них. Модели действия антипирена будут учитывать как газофазный, так и интумесцентный механизм действия антипиренов. CFD-модели будут разработаны с использованием собственных модификаций некоммерческого пакета OpenFOAM с открытым кодом. Разработанные модели будут проверены на совокупности полученных участниками проекта и известных в литературе экспериментальных данных, а также применены для численного моделирования распространения пламени в условиях, приближенных к развитию реальных пожаров. Будут выполнены CFD-расчёты горения АПКМ в условиях стандартных испытаний на горючесть в конусном калориметре (проточный конусный калориметр (ISO 5660)), проточном OSU калориметре (ASTM E906), методом определения горючести (АП 25 (FAR 25)). Проведённые расчёты позволят обосновать применимость этих методов для оценки горючести полимеров с добавками антипиренов и без них. Разработанные модели позволят увеличить точность оценки рисков при пожаре, а также повысить достоверность предсказания характеристик пожаров на транспорте, внутри и снаружи зданий, а также осуществлять поиск наиболее совершенных материалов и антипиренов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Барботько С.Л., Вольный О.С., Боченков М.М. АНАЛИЗ ПРЕДЛОЖЕНИЙ ФЕДЕРАЛЬНОЙ АВИАЦИОННОЙ АДМИНИСТРАЦИИ США ПО РЕФОРМИРОВАНИЮ АВИАЦИОННЫХ НОРМ В ЧАСТИ, КАСАЮЩЕЙСЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМЕНЯЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ (обзор) Труды ВИАМ, №6-7, Т. 89, 101-117 (год публикации - 2020)
10.18577/2307-6046-2020-0-67-101-117

2. Снегирев А.Ю., Кузнецов Е.А., Коробейничев О.П., Шмаков А.Г., Трубачев С.А. Ignition and burning of the composite sample impacted by the Bunsen burner flame: A fully coupled simulation Elsevier (год публикации - 2021)
10.1016/j.firesaf.2021.103507

3. Барботько С.Л., Боченков М.М., Вольный О.С., Коробейничев О.П., Шмаков А.Г. Оценка эффективности антипиренов, перспективных для создания новых полимерных композиционных материалов, предназначенных для авиационной техники ТРУДЫ ВИАМ, №2, Т. 96, с. 20-29 (год публикации - 2021)
10.18577/2307-6046-2021-0-2-20-29

4. С.Л. Барботько, М.М. Боченков, О.С. Вольный, О.П. Коробейничев, А.Г. Шмаков Исследование влияния двух типов антипиренов на горючесть образцов из эпоксидной смолы Труды ВИАМ, №4, Т.98, с.132-140 (год публикации - 2021)
10.18577/2307-6046-2021-0-4-132-140

5. Коробейничев О.П., Трубачев С.А., Глазнев Р.К., Палецкий А.А., Шмаков А.Г., Терещенко А.Г., Карпов А.И., Шаклеин А.А., Гончикжапов М.Б., Кострица С.А., Кобцев В.Д., Смирнов В.В., Ху Юань, Вэен Ксин Экспериментальное исследование и численное моделирование распространение пламени по полимерам с добавками антипиренов и без них Сборник тезисов Международной научной конференции "Современная химическая физика на стыке физики, химии и биологии". Тезисы докладов. / [отв. ред. М. П. Березин]. – Черноголовка: ИПХФ РАН, 2021. – 456 с., Сборник тезисов Международной научной конференции "Современная химическая физика на стыке физики, химии и биологии". Тезисы докладов. / [отв. ред. М. П. Березин]. – Черноголовка: ИПХФ РАН, 2021. – 456 с. (год публикации - 2021)

6. Коробейничев О.П., Палецкий А.А., Терещенко А.Г., Чернов А.А., Карпов А.И., Шаклеин А.А., Шмаков А.Г., Трубачев С.А., Глазнев Р.К., Барботько С.Л. Распространение пламени по армированной стекловолкном эпоксидной смоле в потоке окислителя. Эффект добавления антипиренов на её горючесть. Сборник тезисов докладов ХI Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения», Новосибирск, 9-12 ноября 2021 г., Сборник тезисов докладов ХI Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения», Новосибирск, 9-12 ноября 2021 г. (год публикации - 2021)

7. Якуш С.Е., Коробейничев О.П., Шмаков А.Г., Большова Т.А., Трубачев С.А. A reduced kinetic scheme for methyl methacrylate gas-phase combustion Combustion Theory and Modelling, 0, 1-14 (год публикации - 2022)
10.1080/13647830.2022.2132015

8. Коробейничев О.П., Шаклеин А.А., Трубачев С.А., Карпов А.И., Палецкий А.А., Чернов А.А., Соснин Е.А., Шмаков А.Г. The Influence of Flame Retardants on Combustion of Glass Fiber-Reinforced Epoxy Resin Polymers, Polymers 2022, 14, 3379 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14163379

9. Коробейничев О.П., Шмаков А.Г., Палецкий А.А., Трубачев С.А., Шаклеин А.А., Карпов А.И., Соснин Е.А., Кострица С.А., Кумар А., Шварцберг В.М. Mechanisms of the Action of Fire-Retardants on Reducing the Flammability of Certain Classes of Polymers and Glass-Reinforced Plastics Based on the Study of Their Combustion Polymers, Polymers 2022, 14, 4523 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14214523

10. Снегирев А.Ю., Кузнецов Е.А., Коробейничев О.П., Шмаков А.Г., Палецкий А.А., Шварцберг В.М., Трубачев С.А. Fully Coupled Three-Dimensional Simulation of Downward Flame Spread over Combustible Material Polymers, Polymers (Basel), 14, 19, 4136 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14194136

11. Коробейничев О.П., Карпов А.И., Шаклеин А.А., Палецкий А.А., Чернов А.А., Трубачев С.А., Глазнев Р.К., Шмаков А.Г., Барботько С.Л. Experimental and Numerical Study of Downward Flame Spread over Glass-Fiber-Reinforced Epoxy Resin Polymers, Polymers, 14, 5, 911 (2022) (год публикации - 2022)
10.3390/polym14050911

Публикации