生物航煤对飞机油箱密封胶性能影响研究

柳 华，杜伟军，叶李薇，陈 凯，涂椿滟，夏祖西

（1.中国民用航空航油航化适航审定中心，成都 610041；2.中国民航科学技术研究院，北京 100028）

生物航煤对飞机油箱密封胶性能影响研究

柳 华1，杜伟军2，叶李薇1，陈 凯1，涂椿滟1，夏祖西1

（1.中国民用航空航油航化适航审定中心，成都 610041；2.中国民航科学技术研究院，北京 100028）

研究利用餐饮余油，采用脂肪酸加氢工艺合成的生物燃料组分对飞机油箱密封胶性能的影响。实验结果表明，重铬酸盐固化聚硫密封胶和锰固化聚硫密封胶在生物燃料组分93℃的环境温度中浸泡28 d后，其硬度明显增加，断裂伸长率明显减小，体积出现较大收缩。当生物燃料组分与传统喷气燃料按照50/50体积比掺混后，重铬酸盐固化聚硫密封胶体积膨胀率从-3.0%增加到-0.5%，而锰固化聚硫密封胶体积膨胀率从-6.7%增加到-5%。其各自的硬度、断裂伸长率也均发生了明显变化。

生物燃料组分；生物航煤；飞机；油箱密封胶

石化燃料随时间推移不断减少，这已是不争的事实。为应对经济增长，传统燃料快速消耗，日渐枯竭，而碳排放增加的危机，各国在寻找替代燃料方面做了大量的研究工作。目前的一个共识是，在航空运输业应用生物燃料是节能减排最可行的措施。美国推出了ASTM D7566[1]标准，规定了由费托合成工艺（fishertropsch hydroprocessed，F-T）或酯类和脂肪酸类加氢工艺（hydroprocessed esters and fatty acids，HEFAs）生产生物航煤的性能规格。中国随后也制定了含生物燃料组分的3号航煤的技术规定[2]。虽然动植物油脂、海藻和餐饮余油等都可采用HEFAs工艺生产烃类组分，但其组成和性能还是或多或少存在差异，用其掺混传统航煤调合后的航空燃料的性能亦存在差异，这种差异对飞机燃油系统材料性能的影响将经过很长时间才能表现出来。从国外航空生物涡轮燃料的研究和最终燃料规格的批准过程来看，在其公开的资料中看不到这些研究结论。如波音公司的报告[3]，他们做了大量的各种生物燃料组分和航空燃料与飞机发动机材料的相容性试验，特别研究了对飞机燃料系统密封组件的影响，但没有对各种飞机油箱密封胶的影响做详细的研究。由于中国的运输类飞机以空客和波音为主，每种型号的飞机所采用的飞机密封胶牌号存在差异，所以有必要研究飞机油箱密封胶受生物航煤长期浸泡后的性能变化，避免飞机油箱漏油危及飞机安全，为生物航煤的安全应用提供技术支持。

本文选取了大量应用于B737和A320的重铬酸盐固化聚硫密封胶和锰固化聚硫密封胶（B-2级）为研究对象，考查了生物燃料组分对这2种密封胶硬度、断裂伸长率、体积膨胀率的影响，并依据美国材料测试协会标准ASTM D4054[4]《新型航空燃料及航空燃料添加剂认证及批准标准规范》对航空燃料和飞机油箱密封胶相容性进行了评估（评估标准如表1所示）。

表1 ASTM D4054中关于非金属材料测试条件及温度要求Tab.1 Test requirements and temperatures for nonmetallic materials in ASTM D4054

1 实验部分

1.1 密封胶试件制备

1.1.1 飞机密封胶

实验选取的密封胶型号及类型如表2所示。

表2 实验使用密封胶列表Tab.2 List of sealants used in experiments

1.1.2 实验胶片制备

PPG提供的套装Semkit Package已按照密封胶的配置混合比例称取基胶和固化剂，实验时将固化剂分4次加入基胶并搅拌均匀，然后将混合好的胶注入厚度为2 mm的模具中，刮平整后置于温度为25℃、湿度为50%RH的环境中，固化14 d备用。

1.2 实验油样

实验测试用油如表3所示。

表3 实验测试油样列表Tab.3 List of fuels used in experiments

表3中标准参比油样（jet reference fuel，JRF）是按ASTM D4054要求将预先混合好的石蜡烃混合液及芳烃混合液按照体积比进行调配，同时加入相应的硫、硫醇、防冰剂及抗磨剂；生物燃料组分是用餐饮余油采用HEFAs工艺生产而成，其各项性能指标均符合ASTM D7566的要求[1]，性能检测结果如表4所示。

表4 生物燃料组分Tab.4 Test report of Bio-SPK

1.3 密封胶相容性实验及测试

实验依照ASTM D4054要求，采用ASTM D471中关于测定密封胶与油样相容性的实验装置，如图1所示。按D471中要求的25 mm×50 mm×2 mm矩形样片和D412中要求的Die C标准力学样片裁剪密封胶胶片，然后浸入盛有规定体积（体积膨胀实验为100 ml，力学性能实验为150 ml）油样的大试管中，其上端开口盖上铝箔包覆的硅胶塞进行密封，实验过程中油样温度维持在93℃，胶片持续浸泡28 d。通过测试2种密封胶分别在6类测试油样中浸泡前后力学性能及质量的变化，计算2种密封胶浸泡前后的拉伸强度、断裂伸长率、硬度及体积膨胀率数值。

1）拉伸强度和断裂伸长率

用气压冲片机将密封胶片压制成符合ASTM D412中Die C的哑铃型标准样片，油样规定体积为150 ml。浸泡实验前后，在万能材料拉伸机上测试出每种胶片的最大拉伸强度和断裂伸长率，拉伸速率为500±50mm/min，每种胶片测试3个样，求平均值。

图1 航空喷气燃料对油箱密封胶性能影响测定实验装置Fig.1 Experimental setup for impacts determination of aviation jet fuel on fuel tank sealants performance

2）硬度

采用邵氏A硬度计分别测试出浸泡前后密封胶片的硬度值。

3）体积膨胀率

将密封胶片裁成25 mm×50 mm矩形标准样片，分别称量每个样片在空气及蒸馏水中的重量M1、M2，每种密封胶片用3个样片，求平均值。称量完毕后，浸泡在图1装置，此时油样规定体积为100 ml。待浸泡实验结束，将密封胶样片放入丙酮中快速漂洗，清洗干净后立即取出，称其在空气中的质量M3及在蒸馏水中的质量M4。体积膨胀率为

2 结果与讨论

2.1 生物燃料组分对密封胶体积膨胀性能的影响

表5是在93℃条件下，重铬酸盐固化聚硫密封胶PR1422 B-2和锰固化聚硫密封胶PR1440 B-2在生物燃料组分、50/50生物燃料组分与传统3号喷气燃料掺混油样及标准参比油样中浸泡后的体积变化率。

由表5可知，PR1422 B-2浸泡在JRF油样中28 d后其体积发生明显膨胀，而在生物燃料组分及50/50生物燃料组分与传统3号喷气燃料掺混油样中均出现了不同程度的体积收缩。PR1440 B-2在生物燃料组分浸泡后，其体积膨胀率为-6.7%，在50/50生物燃料组分与传统3号喷气燃料掺混油样浸泡后，其体积膨胀率为-5%，仅有在JRF中浸泡后，其体积膨胀率为增大。两种密封胶在生物燃料组分、50/50生物燃料组分与传统3号喷气燃料掺混油样及标准参比油样中出现不同的体积膨胀，究其原因可能与油料中芳烃含量有关。在生物燃料组分中芳烃含量为0%，在掺混油样中芳烃含量为8.4%，而在标准参比油样中芳烃含量为25%。随油料中芳烃含量的增加，密封胶的体积膨胀率也出现了显著增加。这主要是因为生物燃料组分由正烷烃及支链烷烃为非极性分子组成，其本身是较差的供氢体，而油料中的烷基苯则是极性可变的材料，可作为弱供氢体。根据Matthew[5]的研究，密封胶在油料中的体积膨胀性能随油料组成极性及供氢能力的增加而增加，因此，当油料中芳烃含量增加时材料的溶胀性能增加。课题组前期在芳烃对油箱密封胶膨胀性能的影响研究中也发现，密封胶的膨胀性能随3号喷气燃料中芳烃含量的增加呈线性增加[6]。谢仁华等[7]的研究也表明油料中芳烃含量对密封胶的膨胀性能有较大影响，当芳烃含量低于某种密封胶的临界值时，会导致该种密封胶的体积收缩，该临界值则不仅与油料中芳烃含量相关，还与密封胶本身的性质、组成相关。

表5 两种密封胶在不同油样中浸泡后的体积膨胀数据Tab.5 Volume swell testing data of PR 1422 B-2 and PR 1440 B-2 after immersion in different fuels

2.2 生物燃料组分对密封胶力学性能的影响

表6和表7是在93℃条件下，重铬酸盐固化聚硫密封胶PR1422 B-2和锰固化聚硫密封胶PR1440 B-2在生物燃料组分、50/50生物燃料组分与传统3号喷气燃料掺混油样、及标准参比油样中浸泡前后的力学性能测试结果。

由表6、表7的数据可以看出，2种密封胶在生物燃料组分中浸泡后，其断裂伸长率和硬度均不满足ASTM D4054中关于偏离基准的允许偏差性能要求。这说明生物燃料组分单独加注到飞机油箱中，会导致油箱密封胶力学性能明显降低。这主要是因为生物燃料组分中未含有任何芳烃化合物，而烷烃类化合物多为非极性化合物，不能为密封胶提供较好的溶胀性能，因此长时间浸泡后出现了材料的老化。根据美国材料与测试协会建议，通常采用将生物燃料组分和传统3号喷气燃料以体积比50：50比例掺混的办法改进生物燃料组分的性能，而从表6、表7可知，在50/50掺混油样中浸泡28 d后，PR1422 B-2密封胶的断裂伸长率和PR1440 B-2密封胶的硬度也均不能达到ASTM D4054关于力学性能偏离基准的要求，而在参比溶液中均达到标准要求，这说明油料中芳烃含量对密封胶的性质有着重要影响。

表6 PR1422 B-2在不同油样中浸泡前后的力学性能数据Tab.6 Mechanical data of PR 1422 B-2 before and after immersion in different fuels

表7 PR1440 B-2在不同油样中浸泡前后的力学性能数据Tab.7 Mechanical data of PR 1440 B-2 before and after immersion in different fuels

3 结语

本实验将重铬酸盐固化聚硫密封胶和锰固化聚硫密封胶在93℃条件下浸泡在生物燃料组分、50/50生物燃料组分与传统3号喷气燃料掺混油样、及标准参比油样中28 d后，对密封胶的体积膨胀率和力学性能进行测试，研究了生物燃料组分对密封胶性能的影响。

综合实验结果，增加芳烃含量可以避免密封胶发生体积收缩的情况而导致飞机油箱漏油。生物燃料组分与上述2种密封胶的相容性较差，长期接触会导致密封胶力学性能降低到标准要求的范围以下，从而容易引起密封胶失效；而生物燃料组分与传统航煤等体积掺混后与上述2种密封胶部分力学性能不符合要求，存在引起密封胶失效的潜在可能性。因此，若要将50/50的生物燃料与传统3号航煤的掺混油样成功进行商业应用，还需进一步研究50/50的生物燃料与传统3号航煤的掺混油样对飞机油箱密封胶性能的影响，选择合适的油箱密封胶，避免漏油事故的发生。

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

[2]CTSO-2C701，含合成烃的民用航空喷气燃料技术标准规定[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 华，陈 凯，钱 璟，等.航空喷气燃料对油箱密封胶体积膨胀性能的影响[J].石油与天然气化工，2012，41（5）：491-494.

[7]谢仁华，李惠娜，冉国鹏，等.影响喷气燃料与橡胶相容性的因素[J].石油学报（石油加工），2003，19（4）：45-51.

（责任编辑：黄 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 华（1987—），男，四川成都人，高级工程师，硕士，研究方向为燃料化学.