ВИАМ/2010-205633 Исследования авиационных тканей и аэролаков в работах ЦАГИ (период 1925–1931 гг.) А.Р. Нарский А.М. Смолеговский доктор химических наук Август 2010 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более, чем в 30-ти научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в 4-х филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках Международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат Государственных премий СССР и РФ, академик РАН Е.Н. Каблов. Статья подготовлена для опубликования в журнале «Все материалы. Энциклопедический справочник», №2, 2011 г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Исследования авиационных тканей и аэролаков в работах ЦАГИ (период 1925–1931 гг.) А.Р. Нарский1, А.М. Смолеговский2 1 2 ФГУП «ВИАМ», г. Москва ИИЕТ им. С. И. Вавилова РАН, г. Москва Изучение авиационных тканей в ЦАГИ (конец 1920-х гг.) Авиационные (аэропланные) ткани предназначались для обшивки поверхностей деревянных самолетов. Ткани пропитывались и покрывались специальными составами (аэролаками I и II покрытия), обеспечивавшими им натяжку, дополнительное сопротивление разрывающим усилиям, упругость, воздухо- и водонепроницаемость, атмосферную стойкость. Кроме того, лакировка предназначалась для придания ровности и глянцевости ткани, т. е. для понижения коэффициента трения между слоями воздуха и несущими плоскостями самолета. Необходимый эффект достигался только при взаимных соответствующих свойствах ткани и аэролаков. Если в период зарождения авиации нанесение лака имело целью только придание натяжения ткани и обеспечение наилучшей обтекаемости аэроплана, то с началом быстрого развития авиации в середине 1920-х гг. к лакированным тканям стали предъявляться гораздо более серьезные требования. Наиболее важные из них – уменьшение массы ткани (привеса от лакировки) при одновременном увеличении прочности, максимальная способность противостоять резким изменениям температурных условий при сохранении всех прочих качеств. Первая часть большой исследовательской работы Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) по изучению свойств и условий применения авиационных лаков и тканей завершилась публикацией труда «Исследование аэролаков» в 1925 г. Вторым этапом работы стало предпринятое отделом испытания авиационных материалов и конструкций (ОИАМ) ЦАГИ «Исследование аэропланных тканей, покрытых аэролаками». Основные задачи работы заключались в установлении свойств и стандартного типа лакированной ткани для снабжения воздушного флота страны [1]. Программа научно-исследовательской работы по изучению авиационных тканей, проведенная научным сотрудником ОИАМ ЦАГИ И.Ф. Андреевым во второй половине 1920-х гг.: • исследование механических свойств различных сортов льняной ткани как в чистом виде, так и после покрытия аэролаками, стандартизация ткани; • исследование механических свойств стандартной льняной ткани и хлопчатобумажных тканей, покрытых нитроцеллюлозными лаками I покрытия и цветными II покрытия; • оптимизация количества покрытий с учетом расхода аэролаков и получаемого привеса; • изучение влияния атмосферных условий на ткани как в чистом виде, так и после покрытия аэролаками; • изучение влияния пороков тканей на механические свойства. В табл. 1 использовавшихся представлен в ассортимент исследовании. Кроме авиационных того, тканей, применялись нитроцеллюлозные аэролаки (НЦЛ): марки «Ц» – бесцветный (полученный непосредственно после производства и после выдержки в лаборатории); защитный и серо-голубой – цветные. Таблица 1. Ассортимент авиационных тканей, использовавшихся в исследовании (ЦАГИ, вторая половина 1920-х гг.) Наименование тканей Источник получения Льняные ткани Льняные лощеные ткани марок А/16, А/17, А/18, А/20 1-е Льноправление Французская льняная ткань фирмы «L’Avionine» Научно-технический комитет (7 образцов) УВВС Суровая льняная ткань А/16 1-е Льноправление Суровая льняная ткань №13 (фабрики бывш. С. Сидорова*) Один из авиазаводов Хлопчатобумажные ткани Советский перкаль Богородско-Глуховской мануфактуры Один из авиазаводов Французский перкаль Один из авиазаводов * Ныне г. Приволжск Ивановской области. В ходе испытания тканей в чистом виде исследовались: прочность («крепость»), удлинение, масса, содержание влаги и плотность тканей (число нитей по основе и утку). Результаты испытаний некоторых отечественных (№13, А/16, А/20, А/16 суровая) и французских («AGDF/L», «GFDF/DF», «AGDF/S») льняных тканей приведены в табл. 2. Таблица 2. Свойства отечественных и французских льняных тканей Марка ткани №13 А/16 А/16 сур. А/20 «AGDF/L» «GFDF/DF» «AGDF/S» Прочность на разрыв, кг/м* 1636/1826 1236/1332 1610/2246 1580/1612 786/460 1340/1680 1820/1860 Удлинение, %* 18,5/4,3 5,0/7,2 16,4/5,0 8/8 2,5/8,5 16/7,5 11,5/9,5 Число нитей на см* 25/29 24/23,5 22,5/27 26/24 22/22 28,5/28 29,5/28 Масса м2 ткани, г 180,2 147,0 180,4 173 79 169,2 191,2 Содержание влаги, % 8,0 6,0 8,5 8,0 6,0 6,0 6,0 * В числителе – значение по основе, в знаменателе – по утку. Удлинение определяли при испытании образцов размерами 50×200 мм на машине Шоппер («Шоппера»). При этом величина удлинения отмечалась после каждого увеличения нагрузки на 5 кг до момента разрыва образца. На следующем этапе были изучены свойства тканей, покрытых аэролаками. Ткани натягивались на рамы и покрывались по три раза аэролаком «Ц», взятым из производства без выдержки. Ткани А/16 и №13 были покрыты лаком «Ц» и по три раза защитным и серым цветными аэролаками. Ткани, полученные от 1-го Льноправления, были покрыты аэролаком «Ц», выдержанным до осветления. Результаты испытаний некоторых отечественных льняных тканей на прочность при разрыве и удлинении приведены в табл. 3. Самый высокий прирост прочности по основе и утку получен на ткани А/16, самый низкий – на суровой ткани №13 (по основе) и лощеной А/17 (по утку). Было показано, что покрытие цветными лаками слабо влияет на эту величину. Отстоявшийся лак «Ц» не только обеспечивал больший прирост прочности, но и лучшую ровность поверхности. При испытании чистой пленки было установлено, что при величине удлинения более 12% растяжение аэролака достигает предела: лак начинает трескаться и не участвует в дальнейшем сопротивлении разрыву. Таблица 3. Результаты испытаний отечественных льняных тканей, покрытых аэролаками Марка ткани А/16 сур. №13 №13 №13 А/16 А/16 А/16 А/16 Количество слоев аэролака «Ц» Цветной Цветной защитный сероголубой 3 – – 3 – – 3 3 – 3 – 3 3 – – 3 3 – 3 – 3 3** – 3 Прочность на разрыв, кг/м* 1770/2960 1706/2486 1866/2860 1746/2740 1756/1880 1740/1914 1752/1950 1860/1910 Удлинение, Прирост %* прочности, %* 15,5/5,0 17,3/5,0 17,5/5,0 17,5/4,15 7/8,4 6/8 6/8 6/8,8 9,9/31,5 4,2/36 14/57 6,7/50 41,9/41 40,8/43,7 41,7/46,4 50/42,6 тканей, покрытых * В числителе – значение по основе, в знаменателе – по утку. ** В данном эксперименте применялся лак «Ц» после отстаивания в лаборатории до осветления. Результаты испытания французских льняных аэролаком «Ц», от одного до четырех раз, показали, что самый большой прирост прочности имел место у самой слабой ткани «AGDF/L» по основе при трехкратном покрытии (146,5%) и по утку при двукратном (160,9%). Помимо разницы в величинах удлинений чистых тканей, влияние имела меньшая степень закрученности уточных нитей, следовательно, и лучшая пропитка ткани по данному направлению. В результате экспериментальных исследований была установлена одна из главных причин слабой пропитки аэролаком некоторых тканей – это наличие аппретирующих веществ, применявшихся при отделке. Весьма важным оказался вопрос исследования аппретирующих веществ, и был сделан предварительный вывод, что их наличие допустимо в очень малых количествах (до 1% (мас.)). Был определен количественный состав аппрета в заграничных тканях, в результате чего стало очевидно, что на прочность и на натяжку влияет не само наличие аппрета, а свойства входящих в его состав веществ. Исследования хлопчатобумажных тканей показали, что советский перкаль отличался от французского более легким весом, но меньшей прочностью. Свойства хлопчатобумажных тканей приведены в табл. 4. Таблица 4. Свойства хлопчатобумажных тканей Наименование ткани Прочность на Удлинение, %* Число нитей на разрыв, кг/м* см* Перкаль советский 976/1046 10,8/16 49/54 Перкаль французский 1366/1586 23/12 43/42 Масса 1 м2 ткани, г 98,8 151,6 * В числителе – значение по основе, в знаменателе – по утку. Для установления оптимального количества слоев аэролака ткани покрывались лаком «Ц» от одного до шести раз или лаком «Ц» от трех до пяти раз и три раза цветными; затем проводились наблюдения за пропиткой, усадкой, появлением внутренних протоков аэролака и т.д. Высший прирост прочности показала льняная ткань А/16 (49% по основе и 67% по утку); прирост прочности у хлопчатобумажных тканей оказался ниже. Четырехкратное покрытие аэролаком «Ц» было наиболее благоприятно; при дальнейших покрытиях увеличивался привес, снижалась прочность ткани и прочность «приставания» слоя аэролака к ткани. Результаты работы ЦАГИ позволили сделать ряд научных выводов, из которых необходимо остановиться на важнейших: • льняная ткань имеет превосходство перед хлопчатобумажной; • наилучшие результаты (достаточная прочность на разрыв, удлинение, не превышающее 10%, значительный прирост прочности при относительно небольшой массе) показала ткань А/16. Со стороны ЦАГИ поступило предложение научному комитету Управления военных воздушных сил (УВВС) принять ее как стандартную для снабжения авиапромышленности; • французские ткани были более плотными, их отличали равномерные прочности основы и утка и превосходная способность к пропитке бесцветным аэролаком (это давало возможность уменьшения числа слоев покрытий); • аэролак «Ц», выдержанный в лаборатории до осветления и отстаивания (не растворившиеся частицы примесей успевали осесть на дно сосуда), имел преимущества перед тем же аэролаком, взятым из производства; • необходимое количество покрытий (3–4 аэролаками I покрытия, 3 – цветными) рекомендовано к использованию на авиазаводах. С увеличением качества производимых цветных лаков открывались перспективы перехода на двукратное покрытие [1]. Помимо обычных лабораторных исследований были проведены испытания на выносливость материалов в нормальных эксплуатационных условиях: большое количество рамок, обтянутых полотном и покрытых разными аэролаками при разных условиях покрытия, в течение 6 мес. подвергались атмосферным воздействиям под постоянным наблюдением [2]. Анализ результатов исследований показал, что одним из главных факторов разрушения ткани является солнечный свет [1]. Важнейшее значение имел вывод о достаточности нанесения на нижние плоскости самолетов одного бесцветного лака без цветного (в случае, если не была нужна маскировка, например, на учебных самолетах): поскольку ткань была защищена от непосредственного действия лучей и осадков и имела меньшую потерю прочности по сравнению с верхней плоскостью [3]. Также была установлена степень влияния различных недостатков ткани на механические свойства. Получен целый альбом тканей с пороками. С целью снижения процента брака и внесения уточнений в технические условия на поставку аэропланных тканей для воздушного флота была создана классификация пороков и установлено, какие из них допустимы, а какие – нет [4]. Исследование лаков и красок для защиты дюралюминия от коррозии (ЦАГИ, 1927–1928 гг.) Отдельный цикл исследований секции по изучению химических материалов ОИАМ ЦАГИ был посвящен аэролакам. Очень интересной работой стало «Исследование лаков и красок для предохранения дюралюминия от коррозии», поставленное с целью получения сведений о физических и химических свойствах лакокрасочных материалов и выявления тех из них, которые в наибольшей степени защищали металл от коррозии; кроме того, определялись нормальные методы испытаний и разрабатывались технические условия. Для исследований были выбраны масляные краски (черная, красная, защитная, серо-голубая, свинцовые белила, тертые на масле) и лаки (предохранительный для металла, масляные №20 и №41, битумный каменноугольный) отечественного производства, причем каждого наименования по несколько марок. Был приобретен битумный лак «Инертоль» из Штутгарта (Германия). Исследования минеральных красок заключались в определении количества и диаметра частиц красящего пигмента, испытании на отстой, определении кроющей способности, испытании на высыхание, испытании пленки краски под воздействием атмосферы, высоких температур, света, морской и пресной воды и т. д. Испытания лаков включали определение наличия механических примесей, удельного веса, кислотности, вязкости, расхода и привеса, испытание пленки лака под воздействием атмосферы, света, воды и т. д. [5]. Одновременно разрабатывались оригинальные методы исследований [4]: по определению кроющей способности минеральных красок дифрактометром и по влиянию морской и пресной воды на лакокрасочные пленки (данный метод был принят отделом как основной метод ускоренной коррозии в условиях, близких к практике). Было показано, что для покрытия металлических самолетов и глиссеров, работающих на открытом воздухе, лучшими красками являлись свинцовые белила, а также краски из алюминиевого порошка; красные или голубые краски для этой цели оказались непригодными [4]. Белые, черные и защитные пигменты, являясь достаточно светопрочными, применялись для покраски наружных и внутренних частей из кольчугалюминия (но не подводных): они не подвергались разрушению под действием атмосферных условий и повышенной температуры. Предохранительные лаки защищали временно кольчугалюминий от разрушения в условиях хранения на складах. Для окраски подводных частей были пригодны только битумные лаки. Так как они разрушались на воздухе от действия солнца и температуры, то аппараты, извлеченные из воды, требовалось немедленно устанавливать в закрытые помещения [5]. По сравнению с советскими лаками, немецкий лак «Инертоль» имел аналогичные защитные свойства по сопротивлению действию морской и пресной воды, но обладал преимуществами, связанными с быстротой высыхания на металле. Изучение свойств ацетилцеллюлозных аэролаков (ЦАГИ, 1927–1931 гг.) Не менее важными были исследования, посвященные ацетилцеллюлозным аэролакам (АЦЛ), обусловленные постановкой перед воздушным флотом страны вопроса о необходимости замены ими нитроцеллюлозных аэролаков (НЦЛ). Актуальность работ подтверждалась прежде всего негорючестью ацетилцеллюлозы. В числе основных задач были: изучение веществ для применения в производстве АЦЛ, проведение сравнительных испытаний готовых иностранных образцов АЦЛ для выработки в дальнейшем типа АЦЛ для применения в отечественном авиастроении. В программу работ входило: • изучение (определение советской, влаги, немецкой, зольности, французской точки ацетилцеллюлоз обугливания, кислотности, растворимости в различных растворителях, вязкости); • исследование свойств растворов из ацетилцеллюлоз (скорости испарения растворителей и вязкости); • испытание ингредиентов, входивших в состав АЦЛ, и самих АЦЛ; • синтез АЦЛ и их испытания. Для проведения исследований был приобретен ряд материалов производства Франции (фирмы «Societe Chimique des Usines du Rohne») и Германии (фирмы «Heyden» – ацетилцеллюлоза, фирмы «Cellon Werke» – АЦЛ); образцы льняных тканей приобрели в фирме «L'Avionine». Отечественная ацетилцеллюлоза была изготовлена военно-химическим заводом «Эксольхим» («Объединенный экспериментальный и Ольгинский завод»), а растворители получили от авиационного завода №36. Перечень требований к аэролаку в ходе работы был уточнен и дополнен: лак не должен содержать веществ, оказывавших токсичное действие на здоровье работающих; должен быть прозрачным и не должен давать отстоя больше 2% (мас.); должен обладать определенной вязкостью; хорошо пропитывать ткань, делать покрытую поверхность ровной, глянцевой без белых полос и пятен; пленка лака должна быть эластичной, прозрачной и с отсутствием определенной белесоватости; нормы, лак должен не должен давать утяжелять необходимую ткани натяжку выше ткани, увеличивать ее прочность до 50%, надежно защищать от действия атмосферы при эксплуатации, а также от смазочных масел и горючего. В состав аэролаков входили: один или несколько растворителей, разжижители и наполнители, пластификаторы, добавки, понижавшие воспламеняемость лака [6]. В результате работы удалось установить следующее. Расход АЦЛ, изготовленных в ЦАГИ, несколько превышал расход НЦЛ. Наличие в лаке «Cellon» в качестве растворителя хлороформа делало его непригодным к употреблению ввиду вредности для здоровья работающих. Внешний вид тканей при покрытии их АЦЛ отличался хорошей ровностью и глянцевитостью, в противовес покрытию НЦЛ. Привес ткани от лакировки АЦЛ не превышал нормы. Усадка ткани от покрытия ее лаками: «Cellon», английским трофейным, АЦЛ, изготовленными ЦАГИ на французской ацетилцеллюлозе (концентрации 10% (мас.)) – была удовлетворительной, от покрытия АЦЛ ЦАГИ из немецкой и советской ацетилцеллюлоз – была слабой. Увеличение концентрации лака немецкой целлюлозой до 15% (мас.) дало хорошие результаты при испытаниях на усадку. Определение скоростей испарения составных частей АЦЛ и изучение изменений температуры пленок, впервые проведенные при испытаниях, показали ценные характеристики свойств растворителей. Наибольший прирост прочности ткани А/16 был получен при использовании аэролака ЦАГИ, изготовленного на французской ацетилцеллюлозе. Основными признаками, по которым судили о степени пригодности ацетилцеллюлозы в аэролаковой промышленности, были: растворимость ее в ацетоне, содержание в ней связанных кислот и вязкость. Так, чем полнее растворялась ацетилцеллюлоза в растворителях, тем меньше был осадок, и тем легче было регулировать концентрацию раствора со всеми последствиями. По содержанию уксусной кислоты определяли как степень ацетилирования клетчатки, так и ее растворимость. Содержание серной кислоты служило признаком стабильности ацетилцеллюлозы. Из испытанных ацетилцеллюлоз были отмечены высокие качества французской ацетилцеллюлозы, которую приняли за эталон. Изучение различных ингредиентов АЦЛ и самих ацетилцеллюлоз, различных растворов из нее и заграничных АЦЛ позволило приступить к синтезу бесцветных АЦЛ. Выяснено значение выбора растворителя, а также подбора разжижителей и наполнителей при изготовлении аэролаков. Лучшим растворителем для ацетилцеллюлоз был ацетон, но рассматривалась возможность его замены метилэтилкетоном, метилацетатом, древесным маслом, этилацетатом. Наиболее подходящими разжижителями и наполнителями для АЦЛ были спирты и продукты сухой перегонки дерева. Результаты, полученные при испытании иностранных аэролаков и отечественных (изготовленных в ЦАГИ), показали, что отечественные лаки по механическим свойствам находились на одном уровне с иностранными, а в некоторых случаях даже превосходили их. Так, высокий прирост прочности ткани А/16 дал отечественный аэролак, изготовленный на французской ацетилцеллюлозе (по основе – 50,8%, по утку – 78,3%) [6]. Выводы В рассматриваемый период (с 1925 по 1931 гг.) ОИАМ ЦАГИ было проведено несколько значительных научно-исследовательских работ, связанных с изучением лаков и красок для защиты кольчугалюминия, авиационных тканей, а также свойств ацетилцеллюлоз, их ингредиентов и АЦЛ. В результате были изучены механические свойства аэропланного полотна и его устойчивость в атмосферных условиях. Объектами испытаний были хлопчатобумажные, льняные ткани нескольких марок отечественного и французского производства. Работа открыла возможность выбора путей сокращения расхода аэролаков (стоимость которых была весьма высока). Особый интерес представляло изучение иностранных тканей: впервые проведено сравнение отечественных тканей с ними как в чистом, так и в лакированном виде. Работа представляла интерес и для текстильной промышленности, поскольку она указывала возможности повышения качества тканей. Были исследованы свойства (прочность на разрыв, удлинение, величина привеса и прироста прочности) тканей при различном числе слоев покрытия. Причем наибольший прирост прочности наблюдался у тканей с наименьшей первоначальной прочностью; покрытие цветными лаками слабо влияло на прирост прочности тканей. Наилучшие результаты были получены при испытаниях льняной ткани отечественного производства марки А/16. Важным выводом была достаточность нанесения на нижней стороне поверхности самолета только бесцветного лака, так как полотно в этой части не подвергалось действию солнечного света, дождя и снега. Отмечено влияние аппрета на сцепление аэролака с полотном, и поставлена на будущее задача изучения химического состава аппрета. В результате исследования лаков и красок для защиты дюралюминия от коррозии были выявлены те из них, которые годились для покрытия дюралюминиевых поверхностей аэропланов и глиссеров, в том числе их подводных частей. Вопрос воспламеняемости и горючести нитролаков – основная причина тщательного исследования ацетилцеллюлозы и АЦЛ. Из всех испытанных ацетилцеллюлоз самые высокие качества показала французская. Выяснено, что лаки, изготовленные в ЦАГИ, оказались не хуже иностранных, а АЦЛ на французской ацетилцеллюлозе даже превосходил их. В отношении пропитки и прочности «приставания» лаков к ткани стало видно, что отечественные лаки оказались сопоставимыми с английским трофейным и были лучше, чем немецкий «Cellon». Была установлена необходимость проведения дальнейших работ по снижению горючести не только лаков, но и ткани. Установлена важность исследования вопроса усадки тканей, пропитанных аэролаками. Например, усадку повышали увеличением концентрации лака, но такой лак не мог качественно пропитывать ткань, что могло повлечь растрескивание лаковой пленки, отставание лака от ткани и т. п. В изучении данного вопроса упор был сделан на проработку вопроса выбора растворителей и наполнителей лака. Результаты проведенных исследований представляли не только ценный вклад в отечественную научно-техническую литературу, но и большой практический интерес. Список литературы: 1. Андреев И.Ф. // Труды ЦАГИ. Вып. 61. М.: Государственное техническое издательство, 1930. 84 с. 2. Озеров Г.А. // Труды ЦАГИ. Вып. 30. М.: Издание научно-технического отдела ВСНХ, 1927. С. 45–46. 3. Берхен С. // Техника воздушного флота. 1931. № 5. С. 345–346. 4. Филиал РГАНТД. Ф. Р–217, оп. 3–1, д. 7, лл. 12–13 об. Отчет о работе отдела испытания авиационных материалов и конструкций ЦАГИ за 1927-1928 гг. (1928 г.). 5. Тихонов Е.С. // Труды ЦАГИ. Вып. 88. М., Л: ГНТИ, 1931.60 с. 6. Андреев И.Ф. // Труды ЦАГИ. Вып. 82. М., Л: ГНТИ, 1931.56 с.