飞机座椅垫用聚氨酯软质泡沫发展现状及适航标准

飞机座椅垫用聚氨酯软质泡沫发展现状及适航标准李秉海　欧育湘(北京理工大学国家专业阻燃实验室　100081)摘　要:简述了飞机座椅用聚氨酯软质泡沫的发展现状及阻燃聚氨酯软泡的研究进展,展望了用于飞机座椅的聚氨酯材料的市场和前景。

详细介绍了美国联邦航空局(F AA)及空中客车公司适用于飞机座椅垫的适航标准。

关键词:聚氨酯;软质泡沫;飞机座椅垫;阻燃 截至2006年底,中国民航拥有飞机900架左右,这些飞机主要来自波音和空中客车公司。

据预测,未来20年中国需要购买飞机2000多架,新飞机买来时装备有座椅,座椅也由波音或空中客车公司的设备供应商提供。

航空座椅的寿命一般较长,只涉及到维修的问题,而座椅垫则需要更换,一般3～4年更换一次。

有了这种市场需求,也就有了航空座椅垫设计和生产厂商,并促进了航空级聚氨酯泡沫的研制生产。

2007年3月,国务院批准了中国大飞机的研制计划,国家将投资500～600亿人民币同时进行军用大飞机和民用大飞机的研制。

大飞机项目的启动,将极大地带动相关产业的发展,包括金属材料、复合材料、高分子材料等等。

聚氨酯泡沫作为飞机座椅部分也将迎来很好的市场前景。

1　飞机座椅用聚氨酯软泡的发展飞机座椅较早使用的座椅垫泡沫是聚氨酯块状泡沫切割而成,并不阻燃。

20世纪80年代之后,国外飞机座椅制造商开始使用热熟化聚氨酯泡沫作为飞机座椅垫材料,典型的有意大利的AV I O公司。

20世纪90年代,国内民航零部件供应商换装的第一批飞机座椅垫泡沫芯就是热熟化制品,换装的飞机数量超过100架。

但是,热熟化聚氨酯泡沫制品的机械性能和阻燃性能均较差,生产中的能耗较高,由于生产中使用较多的模具,使投资成本增加。

用于热熟化聚氨酯泡沫制品的模具均为手工钣金敲制,模具之间存在尺寸差别影响产品的外观,难于保证产品外观的重复性。

因此,在冷熟化高回弹聚氨酯发泡工艺出现之后,热熟化发泡工艺很快被冷熟化工艺所取代。

冷熟化高回弹泡沫制品具有较高的拉伸强度及撕裂强度、较高的弹性、低的滞后损失、较高的压缩负荷比以及较好的耐燃性[1]。

目前,民航飞机座椅上使用的座椅垫均为冷熟化高回弹聚氨酯软泡制品。

随着技术的进步,用于飞机座椅垫的材料也发生着变化。

目前在部分波音747飞机上,座椅靠背使用了涤纶中空纤维,但坐垫仍然是聚氨酯软泡材料。

日本帝人(Teijin)公司开发了一种新的聚酯纤维坐垫,各项机械性能可与聚氨酯软泡相媲美,而且比聚氨酯材料轻30%,无毒且可回收。

长时间坐在高弹性的泡沫坐垫上会导致疲劳,这是人身体重量产生的压力分布不均造成的,针对高回弹泡沫这一缺陷,美国开始在战斗机飞行员座椅上使用慢回弹聚氨酯软泡,也许不久将会在客机上使用。

2　适航标准1984年,美国联邦航空局(F AA)颁布条例对飞机座椅的阻燃性能提出要求[2]。

随后,中国民航总局参照联邦航空条例(F AR)也颁布了有关飞机材料阻燃性能的中国民用航空条例,即CCAR225,中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准。

其中适用于飞机座椅垫部分的燃烧标准是垂直燃烧试验和油燃烧试验,空中客车公司除了上述2项试验外增加了烟雾与毒性要求。

2.1　垂直燃烧试验垂直燃烧试验装置见图1。

试验规范及要求见表1。

该项试验在不鼓风的实验箱中进行,3个样品・5・2007年第22卷第4期2007.Vol.22No.4聚氨酯工业P OLY URETHANE I N DUST RY为一组,取其平均值作为试验结果。

图1　FAR Part25垂直燃烧试验表1　垂直燃烧试验规范及要求规范及要求样品3个,规格75mm×305mm×13mm火源本生灯或Tirill灯,内径10mm,甲烷火焰38mm高,火焰温度843℃要求　施加火焰时间/s12　烧焦长度/mm≤152　离火燃烧时间/s≤15　熔滴燃烧时间/s≤32.2　座椅垫油燃烧试验座椅垫油燃烧试验是为了限制飞机座椅垫对火焰传播和烟释放的贡献,试验装置见图2,试验规范及要求见表2。

本项试验使用的是煤油燃烧器,模拟飞机失事后舱内起火。

通过限制座椅垫的烧焦长度来限制火焰传播。

规定座椅垫的燃烧失重率在10%以内,这限制了座椅对热释放和烟释放的贡献。

表2　座椅垫油燃烧试验规范及要求规范及要求样品3组,每组包括一个坐垫和一个背垫;坐垫:508mm×457mm×102mm;背垫:635mm×457mm×51mm 火源煤油本生灯,水平放置,每小时燃烧2加仑煤油要求　施加火焰时间/m in2　最大烧焦长度/mm<432　平均失重率/%<10实验中座椅垫是对飞机中使用的产品的模拟,座椅垫的零部件组成与真实产品相同,仅仅外形尺寸被理想化了,坐垫和背垫都是长方体。

为了增加防火性能,座椅垫除了聚氨酯软泡和外罩以外,往往在二者中间增加一层挡火层,挡火层是一种织物,它的功能成分是凯夫拉(kevlar)纤维和碳纤维,挡火层的阻燃性能优异。

因此,用于油燃烧实验的座椅垫由聚氨酯软泡、挡火层和外套组成。

图2　座椅垫油燃烧试验2.3　烟密度和毒性美国联邦航空局并没有强制要求烟密度与毒性测试,但空中客车公司对其所有飞机上使用的可燃零部件要求进行烟密度和毒性的附加试验[3]。

烟密度试验可以测定4m in内的特别光密度D s(对电线则是16m in)。

空客指令ABD0031规定了位于机身内增压区域的所有零部件的最大烟密度Dm。

其中座椅垫Dm为有焰200,无焰150。

机身内增压区域的所有零部件的毒性试验必须在国家标准局(NBS)制定的烟箱中进行,见如图3。

图3　NBS烟箱结构烟密度测试是同时进行的,试验中使用的是D rager试管。

氯化氢(HCl)和氟化氢(HF)可以直接分析出来,其它有毒气体先被抽入胶卷袋后再进行分析。

允许的气体最大浓度值见表3。

表3　空客材料试验规范规定的毒性气体最大浓度值气体最大浓度/×10-6HF100HCl150HCN150S O2/H2S100CO1000NO/NO2100我国也制定了相应的材料燃烧烟雾毒性行业技术标准,如HB6577—92民用机舱内部非金属材料烟密度试验方法和HB7066—94民用机舱内部非金属材料燃烧产生毒性气体的测试方法。

目前,只有上海飞机设计研究所(航空640所)可以按照上述标准进行材料烟雾毒性测试。

・6・聚氨酯工业 第22卷3　飞机座椅垫聚氨酯软泡的阻燃欲获得阻燃聚氨酯软泡,一般有添加法和反应接枝法2种方法。

添加型阻燃剂以液态阻燃剂为主,液体阻燃剂主要是含磷、氯、溴元素的有机化合物,如三(22氯丙基)磷酸酯(TCPP )、三(22氯乙基)磷酸酯(T CEP )、三(二氯丙基)磷酸酯(T DCPP )、四(22氯乙基)亚乙基二磷酸酯、甲基膦酸二甲酯(DMMP )、多溴二苯醚、BP60等等[4]。

固态阻燃剂如三聚氰胺、三氧化锑、氢氧化铝、硼酸盐、聚磷酸铵、三(2,32二溴丙基)异三聚氰胺酯等也用于聚氨酯泡沫塑料的阻燃[5]。

用于聚氨酯软泡的反应型阻燃剂主要有三(一缩二丙二醇)亚磷酸酯,但其主要用于火焰复合软泡的阻燃。

德国Clariant 公司开发了一种反应型无卤含磷二元醇产品Ex olit OP 550,添加这种阻燃剂制得的阻燃聚醚型聚氨酯软泡,阻燃性持久,成雾性较低。

对各种密度的聚醚型软质聚氨酯泡沫塑料,在美国F MVSS 302试验中获得自熄性所需的阻燃剂用量,Exolit OP 550仅为三(二氯丙基)磷酸酯(T DCPP )的1/2[6]。

国内有人研究发明了一种纳米级难燃聚合物聚醚多元醇[7],其中不含磷、卤等阻燃元素,用其制备的聚氨酯高回弹软泡的氧指数高达28%,烟密度小于60%。

由于飞机座椅垫油燃烧测试时的温度高达1000℃,对聚氨酯软泡的阻燃性能要求很高,要求阻燃剂的阻燃效率较高;尽管目前国内适航规范还没有要求烟毒测试,但与空客看齐只是时间问题,这就要求聚氨酯软泡阻燃无卤化;对装备飞机的零部件的重量有严格要求,尤其是维修时更换的零部件,如果超重将使飞机的重心发生变化,造成安全隐患,使用密度较大的固体阻燃剂将使座椅垫重量增加。

因此,考虑上述情况就对飞机座椅垫所用的聚氨酯软泡的阻燃性能提出了更高要求。

4　结束语火灾意味着生命和财产的损失,对飞机来说尤其如此,火灾导致空难,飞机火灾给扑救带来困难,这就要求材料难于着火;着火后缓慢释放热量;释放尽量少的烟雾和毒气,一切都是为旅客逃生赢得以秒计算的时间。

飞机座椅垫是飞机客舱中的重要部件,且与旅客直接接触,是座椅上最大的易燃非金属件。

因此,聚氨酯泡沫的阻燃是非常重要的。

越来越严格的法规使聚氨酯泡沫的阻燃面临着挑战,同时巨大的航空市场也给它带来了机遇。

参　考　文　献1　朱吕民,刘益军.聚氨酯泡沫塑料.北京:化学工业出版社,2005,357～3592　Federal Aviati on Regulati ons (F AR )Part 25A ir worthiness Stand 2ards:Trans port Category A ir p lanes .Secti on 853(a )&(b ).Federal Aviati on Adm inistrati on,W ashingt on,DC,US A (1984).3　A irbus I ndustrie:s moke and t oxicity require ments,Material TestSpecificati on .ABD 0031(2003).4　刘益军,柏松.聚氨酯泡沫塑料的阻燃.塑料工业,2003,31(10):1～45　欧育湘,王传广,徐永江.阻燃聚氨酯泡沫塑料(P UF ).塑料科技,1996,(6):3～66　欧育湘.无卤、低烟、低毒阻燃聚氨酯泡沫塑料.江苏化工,2000,28(9):22～237　朱吕民,钱文浩,郭琦.纳米级难燃聚合物聚醚多元醇及其制备方法和应用.CN 1346836A (2002)收稿日期　2007-05-13 修回日期　2007-07-06D evelop m en t and A i rworth i n ess Regul a ti on s of Flex i ble PolyurethaneFoam s Used a s A i rcraft Sea t Cush i onL i B inghai Ou Yuxiang(N ationa l L aboratory of F lam e R etardant M aterials,B eijing Institute of Technology,100081)Abstract:The hist ory of flexible polyurethane f oa m s used as aircraft seat cushi on and research p r ogress of fla me retarded flexible polyurethane foa m s were su mmarized in this revie w .There would be a huge potential market for polyurethane materials with fast devel opment of the air trans portati on .The regulati ons of F AA and A irbus f or air 2craft seat cushi on were intr oduced in detail .Keywords:polyurethane;flexible foa m s;aircraft seat cushi on;fla me retardant作者简介　李秉海　男,1971出生,北京理工大学博士生,研究方向为阻燃材料与材料改性,有6年的飞机座椅垫的设计与制造经验。