生物航煤對(duì)飛機(jī)油箱密封膠性能影響研究

柳 華，杜偉軍，葉李薇，陳 凱，涂椿滟，夏祖西

（1.中國民用航空航油航化適航審定中心，成都 610041；2.中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028）

生物航煤對(duì)飛機(jī)油箱密封膠性能影響研究

柳 華1，杜偉軍2，葉李薇1，陳 凱1，涂椿滟1，夏祖西1

（1.中國民用航空航油航化適航審定中心，成都 610041；2.中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028）

研究利用餐飲余油，采用脂肪酸加氫工藝合成的生物燃料組分對(duì)飛機(jī)油箱密封膠性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重鉻酸鹽固化聚硫密封膠和錳固化聚硫密封膠在生物燃料組分93℃的環(huán)境溫度中浸泡28 d后，其硬度明顯增加，斷裂伸長率明顯減小，體積出現(xiàn)較大收縮。當(dāng)生物燃料組分與傳統(tǒng)噴氣燃料按照50/50體積比摻混后，重鉻酸鹽固化聚硫密封膠體積膨脹率從-3.0%增加到-0.5%，而錳固化聚硫密封膠體積膨脹率從-6.7%增加到-5%。其各自的硬度、斷裂伸長率也均發(fā)生了明顯變化。

生物燃料組分；生物航煤；飛機(jī)；油箱密封膠

石化燃料隨時(shí)間推移不斷減少，這已是不爭(zhēng)的事實(shí)。為應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長，傳統(tǒng)燃料快速消耗，日漸枯竭，而碳排放增加的危機(jī)，各國在尋找替代燃料方面做了大量的研究工作。目前的一個(gè)共識(shí)是，在航空運(yùn)輸業(yè)應(yīng)用生物燃料是節(jié)能減排最可行的措施。美國推出了ASTM D7566[1]標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了由費(fèi)托合成工藝（fishertropsch hydroprocessed，F(xiàn)-T）或酯類和脂肪酸類加氫工藝（hydroprocessed esters and fatty acids，HEFAs）生產(chǎn)生物航煤的性能規(guī)格。中國隨后也制定了含生物燃料組分的3號(hào)航煤的技術(shù)規(guī)定[2]。雖然動(dòng)植物油脂、海藻和餐飲余油等都可采用HEFAs工藝生產(chǎn)烴類組分，但其組成和性能還是或多或少存在差異，用其摻混傳統(tǒng)航煤調(diào)合后的航空燃料的性能亦存在差異，這種差異對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)材料性能的影響將經(jīng)過很長時(shí)間才能表現(xiàn)出來。從國外航空生物渦輪燃料的研究和最終燃料規(guī)格的批準(zhǔn)過程來看，在其公開的資料中看不到這些研究結(jié)論。如波音公司的報(bào)告[3]，他們做了大量的各種生物燃料組分和航空燃料與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)材料的相容性試驗(yàn)，特別研究了對(duì)飛機(jī)燃料系統(tǒng)密封組件的影響，但沒有對(duì)各種飛機(jī)油箱密封膠的影響做詳細(xì)的研究。由于中國的運(yùn)輸類飛機(jī)以空客和波音為主，每種型號(hào)的飛機(jī)所采用的飛機(jī)密封膠牌號(hào)存在差異，所以有必要研究飛機(jī)油箱密封膠受生物航煤長期浸泡后的性能變化，避免飛機(jī)油箱漏油危及飛機(jī)安全，為生物航煤的安全應(yīng)用提供技術(shù)支持。

本文選取了大量應(yīng)用于B737和A320的重鉻酸鹽固化聚硫密封膠和錳固化聚硫密封膠（B-2級(jí)）為研究對(duì)象，考查了生物燃料組分對(duì)這2種密封膠硬度、斷裂伸長率、體積膨脹率的影響，并依據(jù)美國材料測(cè)試協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4054[4]《新型航空燃料及航空燃料添加劑認(rèn)證及批準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)航空燃料和飛機(jī)油箱密封膠相容性進(jìn)行了評(píng)估（評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如表1所示）。

表1 ASTM D4054中關(guān)于非金屬材料測(cè)試條件及溫度要求Tab.1 Test requirements and temperatures for nonmetallic materials in ASTM D4054

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 密封膠試件制備

1.1.1 飛機(jī)密封膠

實(shí)驗(yàn)選取的密封膠型號(hào)及類型如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)使用密封膠列表Tab.2 List of sealants used in experiments

1.1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)z片制備

PPG提供的套裝Semkit Package已按照密封膠的配置混合比例稱取基膠和固化劑，實(shí)驗(yàn)時(shí)將固化劑分4次加入基膠并攪拌均勻，然后將混合好的膠注入厚度為2 mm的模具中，刮平整后置于溫度為25℃、濕度為50%RH的環(huán)境中，固化14 d備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)油樣

實(shí)驗(yàn)測(cè)試用油如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試油樣列表Tab.3 List of fuels used in experiments

表3中標(biāo)準(zhǔn)參比油樣（jet reference fuel，JRF）是按ASTM D4054要求將預(yù)先混合好的石蠟烴混合液及芳烴混合液按照體積比進(jìn)行調(diào)配，同時(shí)加入相應(yīng)的硫、硫醇、防冰劑及抗磨劑；生物燃料組分是用餐飲余油采用HEFAs工藝生產(chǎn)而成，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合ASTM D7566的要求[1]，性能檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 生物燃料組分Tab.4 Test report of Bio-SPK

1.3 密封膠相容性實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

實(shí)驗(yàn)依照ASTM D4054要求，采用ASTM D471中關(guān)于測(cè)定密封膠與油樣相容性的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。按D471中要求的25 mm×50 mm×2 mm矩形樣片和D412中要求的Die C標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)樣片裁剪密封膠膠片，然后浸入盛有規(guī)定體積（體積膨脹實(shí)驗(yàn)為100 ml，力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)為150 ml）油樣的大試管中，其上端開口蓋上鋁箔包覆的硅膠塞進(jìn)行密封，實(shí)驗(yàn)過程中油樣溫度維持在93℃，膠片持續(xù)浸泡28 d。通過測(cè)試2種密封膠分別在6類測(cè)試油樣中浸泡前后力學(xué)性能及質(zhì)量的變化，計(jì)算2種密封膠浸泡前后的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、硬度及體積膨脹率數(shù)值。

1）拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率

用氣壓沖片機(jī)將密封膠片壓制成符合ASTM D412中Die C的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣片，油樣規(guī)定體積為150 ml。浸泡實(shí)驗(yàn)前后，在萬能材料拉伸機(jī)上測(cè)試出每種膠片的最大拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，拉伸速率為500±50mm/min，每種膠片測(cè)試3個(gè)樣，求平均值。

圖1 航空噴氣燃料對(duì)油箱密封膠性能影響測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup for impacts determination of aviation jet fuel on fuel tank sealants performance

2）硬度

采用邵氏A硬度計(jì)分別測(cè)試出浸泡前后密封膠片的硬度值。

3）體積膨脹率

將密封膠片裁成25 mm×50 mm矩形標(biāo)準(zhǔn)樣片，分別稱量每個(gè)樣片在空氣及蒸餾水中的重量M1、M2，每種密封膠片用3個(gè)樣片，求平均值。稱量完畢后，浸泡在圖1裝置，此時(shí)油樣規(guī)定體積為100 ml。待浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將密封膠樣片放入丙酮中快速漂洗，清洗干凈后立即取出，稱其在空氣中的質(zhì)量M3及在蒸餾水中的質(zhì)量M4。體積膨脹率為

2 結(jié)果與討論

2.1 生物燃料組分對(duì)密封膠體積膨脹性能的影響

表5是在93℃條件下，重鉻酸鹽固化聚硫密封膠PR1422 B-2和錳固化聚硫密封膠PR1440 B-2在生物燃料組分、50/50生物燃料組分與傳統(tǒng)3號(hào)噴氣燃料摻混油樣及標(biāo)準(zhǔn)參比油樣中浸泡后的體積變化率。

由表5可知，PR1422 B-2浸泡在JRF油樣中28 d后其體積發(fā)生明顯膨脹，而在生物燃料組分及50/50生物燃料組分與傳統(tǒng)3號(hào)噴氣燃料摻混油樣中均出現(xiàn)了不同程度的體積收縮。PR1440 B-2在生物燃料組分浸泡后，其體積膨脹率為-6.7%，在50/50生物燃料組分與傳統(tǒng)3號(hào)噴氣燃料摻混油樣浸泡后，其體積膨脹率為-5%，僅有在JRF中浸泡后，其體積膨脹率為增大。兩種密封膠在生物燃料組分、50/50生物燃料組分與傳統(tǒng)3號(hào)噴氣燃料摻混油樣及標(biāo)準(zhǔn)參比油樣中出現(xiàn)不同的體積膨脹，究其原因可能與油料中芳烴含量有關(guān)。在生物燃料組分中芳烴含量為0%，在摻混油樣中芳烴含量為8.4%，而在標(biāo)準(zhǔn)參比油樣中芳烴含量為25%。隨油料中芳烴含量的增加，密封膠的體積膨脹率也出現(xiàn)了顯著增加。這主要是因?yàn)樯锶剂辖M分由正烷烴及支鏈烷烴為非極性分子組成，其本身是較差的供氫體，而油料中的烷基苯則是極性可變的材料，可作為弱供氫體。根據(jù)Matthew[5]的研究，密封膠在油料中的體積膨脹性能隨油料組成極性及供氫能力的增加而增加，因此，當(dāng)油料中芳烴含量增加時(shí)材料的溶脹性能增加。課題組前期在芳烴對(duì)油箱密封膠膨脹性能的影響研究中也發(fā)現(xiàn)，密封膠的膨脹性能隨3號(hào)噴氣燃料中芳烴含量的增加呈線性增加[6]。謝仁華等[7]的研究也表明油料中芳烴含量對(duì)密封膠的膨脹性能有較大影響，當(dāng)芳烴含量低于某種密封膠的臨界值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該種密封膠的體積收縮，該臨界值則不僅與油料中芳烴含量相關(guān)，還與密封膠本身的性質(zhì)、組成相關(guān)。

表5 兩種密封膠在不同油樣中浸泡后的體積膨脹數(shù)據(jù)Tab.5 Volume swell testing data of PR 1422 B-2 and PR 1440 B-2 after immersion in different fuels

2.2 生物燃料組分對(duì)密封膠力學(xué)性能的影響

表6和表7是在93℃條件下，重鉻酸鹽固化聚硫密封膠PR1422 B-2和錳固化聚硫密封膠PR1440 B-2在生物燃料組分、50/50生物燃料組分與傳統(tǒng)3號(hào)噴氣燃料摻混油樣、及標(biāo)準(zhǔn)參比油樣中浸泡前后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

由表6、表7的數(shù)據(jù)可以看出，2種密封膠在生物燃料組分中浸泡后，其斷裂伸長率和硬度均不滿足ASTM D4054中關(guān)于偏離基準(zhǔn)的允許偏差性能要求。這說明生物燃料組分單獨(dú)加注到飛機(jī)油箱中，會(huì)導(dǎo)致油箱密封膠力學(xué)性能明顯降低。這主要是因?yàn)樯锶剂辖M分中未含有任何芳烴化合物，而烷烴類化合物多為非極性化合物，不能為密封膠提供較好的溶脹性能，因此長時(shí)間浸泡后出現(xiàn)了材料的老化。根據(jù)美國材料與測(cè)試協(xié)會(huì)建議，通常采用將生物燃料組分和傳統(tǒng)3號(hào)噴氣燃料以體積比50：50比例摻混的辦法改進(jìn)生物燃料組分的性能，而從表6、表7可知，在50/50摻混油樣中浸泡28 d后，PR1422 B-2密封膠的斷裂伸長率和PR1440 B-2密封膠的硬度也均不能達(dá)到ASTM D4054關(guān)于力學(xué)性能偏離基準(zhǔn)的要求，而在參比溶液中均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，這說明油料中芳烴含量對(duì)密封膠的性質(zhì)有著重要影響。

表6 PR1422 B-2在不同油樣中浸泡前后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)Tab.6 Mechanical data of PR 1422 B-2 before and after immersion in different fuels

表7 PR1440 B-2在不同油樣中浸泡前后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)Tab.7 Mechanical data of PR 1440 B-2 before and after immersion in different fuels

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)將重鉻酸鹽固化聚硫密封膠和錳固化聚硫密封膠在93℃條件下浸泡在生物燃料組分、50/50生物燃料組分與傳統(tǒng)3號(hào)噴氣燃料摻混油樣、及標(biāo)準(zhǔn)參比油樣中28 d后，對(duì)密封膠的體積膨脹率和力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，研究了生物燃料組分對(duì)密封膠性能的影響。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，增加芳烴含量可以避免密封膠發(fā)生體積收縮的情況而導(dǎo)致飛機(jī)油箱漏油。生物燃料組分與上述2種密封膠的相容性較差，長期接觸會(huì)導(dǎo)致密封膠力學(xué)性能降低到標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍以下，從而容易引起密封膠失效；而生物燃料組分與傳統(tǒng)航煤等體積摻混后與上述2種密封膠部分力學(xué)性能不符合要求，存在引起密封膠失效的潛在可能性。因此，若要將50/50的生物燃料與傳統(tǒng)3號(hào)航煤的摻混油樣成功進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，還需進(jìn)一步研究50/50的生物燃料與傳統(tǒng)3號(hào)航煤的摻混油樣對(duì)飛機(jī)油箱密封膠性能的影響，選擇合適的油箱密封膠，避免漏油事故的發(fā)生。

[1]ASTM D7566-09，Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].

[2]CTSO-2C701，含合成烴的民用航空噴氣燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[S].

[3]The Boeing Company.Impact of Alternative Jet Fuel and Fuel Blends on Non-Metallic Materials Used in Commercial Aircraft Fuel Systems [R].2012

[4]ASTM D4054-09，Standard Practice for Qualification and Approval of New Aviation Turbine Fuels and Fuel Additives[S].

[5]MATTHEW J D，CORPORAN E，GRAHAM J，et al.Effects of aromatic type and concentration in Fisher-Tropsch fuel on emissions production and material compatibility[J].Energy&Fuels.2008，22（4）：2411-2418.

[6]柳 華，陳 凱，錢 璟，等.航空噴氣燃料對(duì)油箱密封膠體積膨脹性能的影響[J].石油與天然氣化工，2012，41（5）：491-494.

[7]謝仁華，李惠娜，冉國鵬，等.影響噴氣燃料與橡膠相容性的因素[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2003，19（4）：45-51.

（責(zé)任編輯：黃 月）

Research on effect of Bio-SPK to two aircraft fuel tank sealants

LIU Hua1，DU Wei-jun2，YE Li-wei1，CHEN Kai1，TU Chun-yan1，XIA Zu-xi1
（1.Fuel&Chemical Airworthiness Certification Center of CAAC，Chengdu 610041，China；2.China Academy of Civil Aviation Science and Technology，Beijing 100028，China）

The effects of Bio-SPK derived fromfood residualoilon the propertiesof aircraft fuel tank sealants are systematically studied.The results indicate that after soaking in Bio-SPK component at 93℃for 28 days，the hardness of dichromate cured polysulfide sealant and manganese cured polysulfide sealant greatly increased while the ultimate elongation and volume of those two sealants decreased significantly.When soaking in the fuel with 50/50 volume ratio of Bio-SPK and traditional jet fuel，the volume swell of dichromate cured polysulfide sealant increased from-3.0%to-0.5%while the volume swell of manganese cured polysulfide sealant increased from-6.7%to-5%.The hardness and ultimate elongation of those two sealants also changed obviously.

bio-SPK；bio-derived aviation turbine fuels；aircraft；fuel tank sealants

V228

：A

：1674-5590（2014）05-0036-04

2013-10-15；

：2013-11-23

柳 華（1987—），男，四川成都人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)槿剂匣瘜W(xué).