ПРИМЕНЕНИЕ НЕГОРЮЧИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОГО КОНТЕЙНЕРА ГОНОЧНОГО БОЛИДА

АННОТАЦИЯ

В статье исследованы способы усовершенствования огнестойкости полимерных композиционных материалов по стандарту на воспламеняемость и пожарную безопасность, с различным процентным содержанием антипиренов для изготовления аккумуляторного контейнера на основе литий-ионных батарей, гоночного болида с электрической тяговой установкой. Рассмотрены различные способы нанесения антипиренов. Для одного из способов проведены эксперименты на выявление огнестойких свойств по стандарту UL 94. Проведена обработка результатов, выявлены преимущества и недостатки.

ABSTRACT

This article explores methods to improve the fire resistance of polymer composite materials according to flammability and fire safety standards. Various percentages of flame-retardants are investigated for the fabrication of a battery container based on lithium-ion batteries and an electric racecar with an electric propulsion system. Different application methods for flame-retardants are discussed. Experimental tests were conducted using one of the application methods to assess the fire-resistant properties according to the UL 94 standard. The results were analyzed, highlighting the advantages and disadvantages of the approaches.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, углепластики, вакуумная инфузия, контактное формование, антипирены, огнестойкие материалы, стандарт UL 94.

Keywords: polymer composite materials, carbon fiber reinforced polymer, vacuum infusion, contact molding, fire retardants, fire resistant materials, UL 94 standard.

Введение

Рассматриваемый аккумуляторный контейнер гоночного болида с электрической силовой установкой используется в автомобиле класса “Формула студент”. Болид для соревнований состоит из следующих узлов и систем: несущая система, аэродинамический обвес, электромеханическая трансмиссия, тяговая установка, мехатронная и тормозная системы, набор электрических и электронных компонентов и подсистем [5].

В качестве основного источника питания в электромобиле служат литий-ионные АКБ [3].

Аккумуляторные батареи (АКБ) – группа однотипных электрических аккумуляторов, соединённых электрически и конструктивно для получения необходимых значений тока и напряжения [4].

На рисунке 1 представлена существующая конструкция аккумуляторного контейнера гоночного болида с электрической тяговой установкой, выполненная из алюминиевого сплава. Основной недостаток данного исполнения – это высокая масса. Использование композитных материалов в конструкции может помочь значительно снизить её массу, сохранив при этом прочностные характеристики.

Рисунок 1. Существующая конструкция аккумуляторного контейнера

Применение негорючих композиционных материалов

Негорючие композиционные материалы широко применяются в различных отраслях благодаря своим уникальным свойствам. Общее применение негорючих композитных материалов помогает снизить риски возгорания, обеспечивает безопасность и улучшает стойкость к высоким температурам в различных областях применения [2].

Улучшение свойств негорючести полимерных материалов возгоранию и других показателей пожарной безопасности обычно достигается путем введения в их состав дополнительных компонентов, например, антипиренов (замедлителей горения) и их модификаций, или синтеза полимеров с низким уровнем горючести. Однако улучшение показателей негорючести, в большинстве случаев, влечет за собой ухудшение физико-механических свойств полимерных композитов и/или увеличение их стоимости.

В данной работе в качестве антипиренов используются материалы компании Новохим: терморасширяющаяся композиция антипиренов на основе азота и фосфора (С-702) и полифосфат меламина в качестве синергиста.

Метод испытаний на негорючесть

Рисунок 2. Схема установки для испытания на вертикальное горение

Стандарт UL 94V (Вертикальный испытательный метод горения) осуществляется путем проведения тестов на вертикально установленных образцах (см. рисунок 2). Нормативные образцы для испытаний должны иметь длину 125 ± 5 мм и ширину 13,0 ± 0,5 мм, с максимальной толщиной не более 13 мм. На расстоянии 300 мм под образцом помещается слой хлопчатобумажной ваты для определения наличия горючих капель, падающих с образца. Первично поджигают образец открытым пламенем пропан-бутановой горелки в течение 10 секунд с нижнего конца и отводят пламя от образца. Если образец затухает, повторное поджигание производится в течение 10 секунд. Пять образцов подвергаются испытаниям [1]. За время проведения тестов регистрируются следующие параметры:

• время горения после первого поджигания
• время горения после второго поджигания
• время тления после второго поджигания
• наличие поджигающихся капель ваты под образцом
• окончательное горение или его отсутствие до зажима.

После получения и обработки данных используют комбинацию уточненных параметров для определения категории горючести материала в соответствии с представленной в таблице 1 классификацией.

Таблица 1.

Категории горючести полимерных материалов UL 94V

Материалы

По действующему регламенту соревнований, разрешается при изготовлении корпуса аккумуляторного контейнера гоночного электрического болида использование стали, алюминия и композиционных материалов, для которых необходимо доказательство на соответствие стандартам негорючести материалов FAR25 или UL94. Существующий аккумуляторный контейнер болида изготовлен из листового алюминия, части которого сварены между собой и внутренняя сторона покрыта огнеупорным материалом. Для дальнейшего усовершенствования конструкции контейнера предложено использование негорючих полимерных композиционных материалов. Так как конструкция должна иметь достаточную прочность, подходящим материалом для дальнейшего изготовления является углепластик. Но при исследовании на воспламеняемость наполнитель нашего ПКМ не имеет большого значения и основной упор делается на придание огнестойких свойств всей проектируемой и производимой конструкции корпуса. Образцы для испытаний производились методом вакуумной инфузии. В виде наполнителя была использована углеродная биаксиальная ткань +45°/-45°, свойства которой представлены в таблице 1. Пропитка пластины проводилась эпоксидным связующим T20-60 (таблица 2).

Таблица 2.

Характеристики углеродного наполнителя

Таблица 3.

Технологические свойства эпоксидного связующего

Для придания деталям свойства негорючести, углепластиковые пластины были покрыты составом безгалогенных антипиренов, чей эффективный результат достигается за счет совместного воздействия фосфора и азота. В отличие от других антипиренов, не содержащих фосфор (например, бромированных, хлорированных или минеральных), используемый антипирен проявляет свой эффект через вспучивание и образование пенококса. Компоненты, входящие в состав, начинают вспениваться при воздействии огня. Образовавшийся слой пенококса действует как теплоизоляционный барьер, снижая доступ кислорода и тем самым препятствуя дальнейшему распространению огня. Помимо первичных эффектов, таких как снижение скорости распространения огня, тепловыделения, образования капель, и оставшейся длины испытательных образцов после испытаний на пламя, наблюдаются дополнительные положительные результаты, такие как низкая плотность дыма и отсутствие выделения коррозионных веществ. Также уменьшается образование токсичных веществ.

Таблица 4.

Характеристики терморасширяющейся смеси антипиренов на основе азота и фосфора

Подготовка образцов для испытаний

Предварительно, для проведения испытаний были изготовлены углепластиковые пластины, методом вакуумной инфузии. Затем замешивалась смесь для покрытия, состоящая из эпоксидной смолы, отвердителя и антипиренов в емкостях. Далее образцы были контактно покрыты смесью эпоксидной смолы с различной массовой долей содержания антипиренов. Часть пластин отверждались при комнатной температуре в течении 48часов, другая часть отверждалась под ИК-лампой. После пластины были нарезаны на образцы длиной 125±5мм и шириной 13±5мм с различной толщиной покрытия в зависимости от процентного содержания антипиренов.

Таблица 5.

Толщина образцов при 20% и 25% антипирена

Таблица 6.

Толщина образцов при 30% антипирена

Проведение испытаний по стандарту UL 94

Для проведения испытаний был изготовлен стенд с регулируемой высотой держателя (рисунок 3) для возможности установки под ним горелки под углом в 45°.

Рисунок 3. Стенд для испытаний

Перед началом следует переместить горелку в тестовое положение, затем наклонить ее на 45° по направлению к образцу чтобы отрегулировать расстояние между верхней частью горелки и нижним концом образца до 10 мм.

На стенде был закреплен образец стержня в удерживающее устройство, чтобы убедиться, что продольная ось вертикальна (рисунок 4).

Рисунок 4. Закрепление образцов испытаний

После следует зажечь горелку в дали от образца для регулирования пламени, чтобы оно было голубого цвета и высотой 20 мм. Затем горелка была поднесена к образцу, чтобы пламя было направлено к средней точке нижнего края образца на 10 секунд. По истечении времени удаляли пламя и записывали время остаточного пламени (t1) в секундах. Процесс испытания образца представлен на рисунке 5.

С целью дальнейшего исследования, как только последующее пламя образца прекращалось, снова подносили горелку, чтобы она находилась на 10 мм ниже оставшейся части образца еще на 10 секунд. При этом было записано второе время послесвечения (t2) и время послесвечения (t3) в секундах после окончания подачи пламени.

Рисунок 5. Процесс проведения испытания

 Таким образом были испытаны все подготовленные образцы и записаны результаты. Следует отметить что горящих падающих капель обнаружено не было.

Результаты

В конце испытаний были получены следующие результаты для образцов с содержанием антипиренов в 20%, 25%, 30% от общей массы связующего. Результаты приведены в таблице 7, таблице 8 и таблице 9.

Таблица 7.

Время горения при 20% содержании антипиренов

Таблица 8.

Время горения при 25% содержании антипиренов

Таблица 9.

Время горения при тонко нанесённом слое 30% содержания антипиренов

Внешний вид образцов, с образовавшимся на поверхности пенококсом, представлена на рисунках 6-8. Сформированный в процессе испытаний слой пенококса, благодаря препятствию доступа кислорода, служит защитой для полимера в результате своего теплоизоляционного эффекта.

Рисунок 6. Внешний вид образца после испытаний (20% антипирена)

Рисунок 7. Внешний вид образца после испытаний (25% антипирена)

Рисунок 8. Внешний вид образца после испытаний (30% антипирена)

Выявлено что в случае тонкого слоя покрытия с 30% содержанием антипиренов, время горения увеличивается, за счет меньшего образования на поверхности слоя пенококса. Решением может служить увеличение наносимого слоя антипиренов, уменьшая при этом количество самого антипирена в составе покрытия.

Недостатками, которые были выявлены во время всего исследования, были:

• повреждение, растрескивание поверхности при изгибе пластины (рисунок 9);
• недостаточная или малая адгезия между наносимым слоем и поверхностью образцов (рисунок 10);
• сложность получения равномерного распределения слоя при нанесении на поверхность образцов.

Рисунок 9. растрескивание внешнего слоя

Рисунок 10. Последствия недостаточной адгезии, при отделении пластины от оснастки

Далее в таблице 10 приведена оценка классификации UL94.

Таблица 10.

Оценка классификации UL94

Исходя из полученных данных можем сделать вывод, что слоя толщиной ≈0,65мм при процентном содержании антипиренов в 20% и 25% достаточно для получения деталей, удовлетворяющих классу воспламеняемости стандарта UL94 V-0.

Заключение

Изготовлены и исследованы на воспламеняемость и пожарную безопасность образцы из углепластика с контактным нанесением смеси связующего и антипиренов с различным процентным содержанием от массы самого связующего, для придания огнестойких свойств ПКМ. Представлен результаты испытаний в виде таблиц и фотографий. На данный момент аккумуляторный контейнер болида изготовлен из листового алюминия с использованием сварки для усовершенствования конструкции и уменьшения массы, предложено изготавливать следующий контейнер из полимерных композиционных материалов в соответствие со стандартом. Экономическая составляющего процесса не рассматривалась в проведенном исследовании. По полученным данным можно сделать вывод, что покрытия с 20% содержания антипиренов достаточно для придания свойств негорючести полимерным композиционным материалам, которые удовлетворяют требованиям стандарта UL94 V-0.

Список литературы:

1. UL Standard for Safety for Test for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances, UL 94 – Northbrook, IL: Fifth Edition, Underwriters Laboratories Inc. (UL), 1996.
2. Гаращенко, А. Н. Способы и средства обеспечения требуемых показателей пожаробезопасности конструкций из полимерных композитов (обзор) / А. Н. Гаращенко, А. А. Берлин, А. А. Кульков // Пожаровзрывобезопасность. – 2019. – Т. 28, № 2. – С. 9-30.
3. Дубинина, И. В. Проблематика аккумуляторных батарей электромобилей / И. В. Дубинина // Перспективные этапы развития научных исследований: теория и практика: Сборник материалов Международной научно-практической конференции, Кемерово, 26 декабря 2018 года. Том 2. – Кемерово: Общество с ограниченной ответственностью "Западно-Сибирский научный центр", 2018. – С. 189-191.
4. Исследование и экспертиза пожаров. Словарь общих и специальных терминов / Под ред. д-ра техн. наук, профессора, засл. деят. науки РФ И. Д. Чешко. — М.: ВНИИПО, 2009. — 520 с., стр. 438.
5. Федоров, А. А. Проектирование электропроводки болида класса "формула студент" / А. А. Федоров // Инновации. Наука. Образование. – 2022. – № 50. – С. 2119-2125.