РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C09D5/32 C08K3/10 

Изобретение относится к материалам, поглощающим излучение, и технологии их приготовления. Изобретение может быть использовано в различных отраслях техники, в частности для экранирования радиоэлектронных средств в целях снижения их взаимного электромагнитного влияния, экранирования оборудования безэховых камер, в которых испытываются радиоэлектронные средства, биологической защиты от влияния мощных радиоизлучений, создаваемых бытовыми приборами (СВЧ-печи, медицинские приборы, и др.), снижения радиолокационной заметности различных объектов.

Известны радиопоглощающие материалы, имеющие многослойную структуру с плавным или ступенчатым изменением комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости по толщине.

Верхний (входной) слой такого материала обычно состоит из материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, близкую к единице (пенопласт и др.). Остальные слои (основа) представляют собой тот или иной твердый диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью (стеклотекстолит и др.) с немагнитным или магнитным радиопоглощающим наполнителем (графит, сажа, ферриты и др.). В данном случае твердый диэлектрик играет роль связующего (Советская военная энциклопедия, М.: Воениздат, 1979, т.7, с. 15-16).

Причины, препятствующие достижению указанного технического результата при использовании известного радиопоглощающего материала, заключаются в следующем. При нанесении его на покрываемую поверхность необходимо создание дополнительных адгезионных и защитных подслоев, что в свою очередь связано с применением токсичных веществ (отвердителей, растворителей и др.). Токсичными и взрывопожароопасными являются также компоненты большинства применяемых связующих. Толщина такого материала тем больше, чем шире частотный диапазон падающего радиоизлучения, и может составлять несколько сантиметров, обладать значительным весом. Все это ограничивает диапазон эксплуатационных условий использования известного радиопоглощающего материала. В частности, из-за относительно большой толщины, низкой термостойкости и по санитарно-гигиеническим нормам он не может быть использован для биологической защиты от радиоизлучения во многих бытовых или медицинских установках с СВЧ-генераторами.

Наиболее близкой к заявленному материалу является водоэмульсионная краска, содержащая 30-99 мас.% полимерного связующего на основе латекса и 1-70 мас. % неорганического твердого наполнителя. В качестве полимерного связующего может быть использован ароматический мономер, сложный алкиловый эфир, этиленовая ненасыщенная карбоновая кислота или их смесь, а в качестве наполнителя - окись железа, диоксид титана, карбонат кальция, двуокись кремния, окись цинка или глина. Наполнитель также может быть магнитным в виде диспергированного в воде порошкообразного феррита или железа (водная эмульсия - магнитная жидкость). При этом средний диаметр частиц неорганического твердого наполнителя не превышает 0,6 мкм; в частности, средний диаметр частиц магнитной окиси железа взят в диапазоне 0,005. . . 0,1 мкм (патент США N 4.421.660, кл. C 08 K 3/10, 1983).

По своей структуре известный материал является высокодисперсной (коллоидной) системой - гелем. Основное назначение - красящий материал. В случае использования магнитного наполнителя этот материал обладает свойством поглощения электромагнитной энергии в оптическом диапазоне волн (е.1.т.). В описании нет указания на способность материала поглощать излучение в диапазоне радиоволн.

Причина, препятствующая достижению требуемого технического результата при использовании известного материала, заключается в принципиальной невозможности поглощения (ослабления) им электромагнитной энергии в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне радиоволн вследствие высокой дисперсности магнитного наполнителя (средний диаметр частиц 0,005...0,1 мкм).

Известен способ приготовления состава материала, включающий последовательную загрузку компонентов (цинкового порошка и водного раствора жидкого стекла) в смеситель и их перемешивание вращающимся приспособлением во вращающейся емкости, причем перемешивающее приспособление и емкость вращают в одном направлении. Требуемое качество состава материала определяется величиной критерия Рейнольдса, которая должна находиться в пределах 565-1700. В данном способе приготовление состава и нанесение материала окунанием осуществляется одновременно (А.с. СССР N 1528550, кл. B 01 F 7/00, 1989).

Причиной, препятствующей достижению указанного технического результата при использовании известного способа, является сложность системы управления вращением двух систем для обеспечения требуемого значения критерия Рейнольдса, определяющего качество материала. Одновременное приготовление и нанесение материала из-за отсутствия промежуточного (входного) контроля однородности композиции может привести к снижению качества материала при нарушении оптимального режима перемешивания компонентов.

Наиболее близким к заявленному является способ получения поглощающего материала, включающий приготовление полимерного связующего на основе латекса - эмульсии полимеризующихся мономеров, последовательную загрузку в смеситель 30-99 мас. % полученной эмульсии и 1-70 мас.% высокодисперсного магнитного наполнителя - порошкообразного феррита или железа в виде водной дисперсии (магнитной жидкости), их нагрев и перемешивание вращающимся приспособлением при 90^oC, эмульсионную полимеризацию смеси, которая в зависимости от качественного и количественного состава связующего длится 30...120 и более мин (патент США, 4.421.660, кл. C 08 K 3/10, 1983).

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, являются: сложность процесса приготовления композиции, состоящей из множества гидрофобных компонентов - магнитный наполнитель, поверхностно-активное вещество, дисперсант, мономер, эмульгатор, инициатор); относительно большая длительность процесса приготовления материала - до 2 ч и более; сложность конструкции смесителя, требующего нагревательного устройства с терморегулятором. Данный способ не может быть реализован в полевых условиях, когда требуется оперативное приготовление материала.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено изобретение является разработка и создание простого по составу материала для получения тонкослойного радиопоглощающего покрытия с высокими физико- механическими свойствами, приготовление которого не связано с использованием токсичных и взрывопожароопасных веществ, что позволяет упростить технологию приготовления материала и расширить диапазон эксплуатационных условий его применения.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения выражается во всенаправленном поглощении падающего на материал излучения в сверхвысокочастотном диапазоне радиоволн, повышении производительности технологического процесса приготовления материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном поглощающем материале, содержащем полимерное связующее на основе латекса и магнитный наполнитель - порошкообразный феррит или железо, в качестве полимерного связующего использован синтетический клей марки "Элатон" при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Синтетический клей "Элатон" - 80-20
Порошкообразный феррит или железо - 20-80
Отметим причинно-следственные связи между отличительными признаками изобретения и техническим результатом. Синтетический клей "Элатон" выступает в роли полимерной матрицы грубодисперсной фазы порошкового магнитного наполнителя и в этом качестве обнаруживает новое свойство. Оно проявляется в образовании однородного по объему материала, обладающего высокой адгезией к алюминиевым и стальным сплавам, а также лакокрасочным материалам, что обуславливает получение с его помощью прочного, термостойкого, тонкопленочного (1. . .2 мм) радиопоглощающего покрытия. Как и в прототипе, в заявленном материале частицы феррита или железа каждая в отдельности обволакиваются полимерным связующим и таким образом изолированы одна от другой. Однако в отличие от прототипа, в котором средний диаметр частиц не превышает 0,1 мкм, в заявленном материале средний диаметр частиц на два порядка больше - 10 мкм более Это приводит к качественно иному результату. Частицы феррита или железа можно рассматривать как элементарные, хаотично расположенные диполи, отражающие и переизлучающие падающее на них СВЧ излучение в различных направлениях. В следствие этого коэффициент отражения электромагнитной энергии в направлении источника излучения уменьшается.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известном способе приготовления поглощающего материала, включающем последовательную загрузку в смеситель полимерного связующего на основе латекса и магнитного наполнителя - порошкообразного феррита или железа, их перемешивание вращающимся приспособлением, в качестве полимерного связующего на основе латекса используют синтетический клей "Элатон" при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Синтетический клей "Элатон" - 80-20
Порошкообразный феррит или железо - 20-80
перемешивание компонентов осуществляют в течение 7...15 мин и при этом перемешивающее приспособление поочередно вращают в противоположных направлениях в течении 50...60 с.

Отметим причинно-следственные связи между отличительными признаками способа и техническим результатом. В материале-прототипе используются гидрофобные компоненты и для получения водной дисперсии магнитного наполнителя применяются поверхностно-активные вещества. Это усложняет композицию и процесс ее приготовления. В заявленном материале используются только два смачивающихся компонента, что существенно упрощает композицию и сокращает время ее приготовления как минимум в два раза. Благодаря реверсированию перемешивающего приспособления в смесителе создается турбулентное движение слоев смеси, что обеспечивает равномерность распределения порошкообразного магнитного наполнителя по всему объему синтетического клея.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что решения, характеризующиеся признаками, тождественными всем признакам заявленных радиопоглощающего материала и способа его приготовления, отсутствуют. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Из определенного уровня техники не выявлена известность влияния на достижение технического результата преобразований, предусматриваемых включенными в формулу изобретения существенными признаками. Это дает основание полагать, что изобретение явным образом из уровня техники не следует и соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения коэффициента радиопоглощения.

Согласно изобретению радиопоглощающий материал состоит из двух компонентов: полимерного связующего на основе латекса и магнитного наполнителя. В качестве полимерного связующего использован синтетический клей "Элатон", представляющий собой водоэмульсионную композицию на основе синтетического латекса, загустителя и антисептика (ТУ 2385-002-11165336-95). Это универсальный клей, предназначенный для склеивания различных материалов (дерева, металлов, керамики и др.), представляет собой нетоксичную густую жидкость белого цвета без специфичного запаха. Клей модификации "Элатон-К" имеет следующие технические характеристики:
Массовая доля сухого вещества, %, не менее - 40
Предел прочности клеевого соединения на сдвиг при равномерном растяжении, кгс/см², не менее - 20
Условная вязкость по ВЗ-246, с, в пределах - 20-200
Водородный показатель, pH, в пределах - 7-9,5
В качестве магнитного наполнителя могут быть использованы порошкообразные ферриты или железо. Предпочтительно использование карбонильного железа из-за его относительно низкой стоимости по сравнению с ферритами. Марка и дисперсность частиц порошка карбонильного железа в заявленном материале определяются длиной волны поглощаемого радиоизлучения. Например, частицы порошкового карбонильного железа марки Р-10 (ГОСТ 13610-79) имеют средний диаметр 10 мкм, марки Р-20 - 20 мкм и т.п.

Радиопоглощающий материал, в состав которого входят эти компоненты, приготавливается путем их механического смешивания непосредственно перед нанесением его на покрываемую поверхность.

Для этого может быть использован смеситель, содержащий вертикальный цилиндрический корпус (стакан) с крышкой, по оси которой снаружи установлен электродвигатель, а внутри - лопаточная мешалка, вал которой связан с электродвигателем через редуктор. Электродвигатель снабжен реверсивным механизмом. Статорные обмотки электродвигателя и реверсивный механизм электрически соединены с микропроцессорным программным устройством управления. С помощью этого устройства оператор может программировать на весь период приготовления радиопоглощающего материала скорость вращения электродвигателя и интервалы его реверсирования (время вращения в одном направлении).

Примеры рецептур радиопоглощающего материала приведены в табл. 1.

Покрытие, полученное с помощью данного радиопоглощающего материала согласно приведенным примерам, имеет плотную, эластичную, гладкую поверхность черного или темно-серого цвета с матовым оттенком. Свойства материала определяются в основном количественным содержанием магнитного наполнителя. Если в составе композиции он превышает 80 мас.%, то покрытие становится шероховатым и хрупким, а если его меньше 20 мас.%, то резко уменьшается коэффициент радиопоглощения.

Способ приготовления радиопоглощающего материала заключается в следующем.

Компоненты композиции помещают в смеситель и перемешивают с помощью лопаточной мешалки. В зависимости от количественного содержания компонентов время перемешивания составляет 7... 15 мин При этом осуществляют реверсирование электродвигателя с интервалом 50..60 с. По истечении установленного времени смеситель переводят в режим подмешивания, при котором скорость вращения мешалки уменьшают на 75% от номинальной.

Пример. Перед смешиванием синтетический клей "Элатон" фильтровали через сетку N 1 (ГОСТ 6613-86), отвешивали 500 г и выливали в стакан смесителя. В сухой таре из немагнитного материала отвешивали 500 г порошкового карбонильного железа марки Р-10 и высыпали равномерно по поверхности синтетического клея "Элатон" в стакане смесителя и накрывали его крышкой. Нажатием соответствующих кнопок на панели микропроцессорного программного устройства управления устанавливали время перемешивания 10 мин, скорость вращения электродвигателя смесителя 1,2 об/с. интервал реверсирования 54 с. После автоматической остановки электродвигателя снимали крышку смесителя и отбирали две порции смеси - одну для контроля вязко-текучих характеристик приготовленной композиции, другую для контроля ее радиотехнических характеристик, зависящих от степени однородности смеси. Смеситель был переведен в режим подмешивания, при котором скорость вращения лопаточной мешалки составляет 0,3 об/с (75% от номинальной).

Определение характеристик композиции проводили по стандартным методикам. Их показатели приведены в табл. 2.

Метод экспресс-контроля готовности композиции (ее качества) к нанесению на покрываемую поверхность основан на измерении коэффициента радиопоглощения, который зависит от степени однородности смеси. Локальные сгустки и разрежения частиц магнитного наполнителя в целом снижают коэффициент радиопоглощения материала.

Для проведения экспресс-контроля отобранную партию композиции наносили тонким слоем (0,7... 1 мм) на дно плоской кюветы и накрывали радиопрозрачным не смачиваемым материалом - лавсановой пленкой. Измерения коэффициента радиопоглощения проводились в девяти точках поверхности слоя поверх лавсановой пленки (в центре, углах и у кромок) с помощью устройства, структурная схема которого представлена на чертеже.

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, выход которого соединен с первым плечом циркулятора 2, второе плечо которого соединено с полупроводниковым выключателем на p-i-n диоде 3, а третье плечо - с детектором 4. Полупроводниковый выключатель 3 установлен в одном конце отрезка волновода 5, другой конец которого снабжен излучателем 6, выполненным в виде секториального рупора. Эти элементы собраны в единый СВЧ-блок, геометрические размеры которого определяются длиной волны СВЧ колебаний, генерируемых генератором 1. Телесный угол θ раскрыва секториального рупора 6 определяется углом, под которым требуется облучать поверхность исследуемого материала. Так, для облучения по нормали θ ≈ 20^o, под углом 45^o θ =0, а под углом 70^o θ ≈ -30^o.

Выход детектора 4 подключен к низкочастотному (НЧ) блоку измерения и управления 7. Этот блок представляет собой вычислительное устройство на базе микропроцессора с постоянным и оперативным запоминающими устройствами и внешним интерфейсом ввода - вывода. Управляющие выходы НЧ-блока 7 подключены к управляющим входам СВЧ- генератора 1 и полупроводникового выключателя 3, а информационный выход - к жидкокристаллическому индикатору 8. Работой всех элементов устройства управляет микропроцессор по программе, заложенной в его память. Измерение модуля коэффициента радиопоглощения осуществляется автоматически по алгоритму, хранящемуся в памяти постоянного запоминающего устройства, в соответствии с формулой

где
P_пад - мощность падающего радиоизлучения,
P_отр - мощность отраженного радиоизлучения.

Описанное устройство работает следующим образом. При включенном блоке питания раскрыв излучателя 6 прижимают к поверхности исследуемого материала. При этом полупроводниковый выключатель 3 под действием управляющего сигнала от микропроцессора находится в режиме запирания (закорачивания) волновода. Нажатием кнопки "Пуск" на панели НЧ-блока 7 оператор начинает процесс измерения .

Радиоизлучение, генерируемое СВЧ-генератором 1, поступает в первое плечо циркулятора 2, выходит из его второго плеча и попадает в отрезок волновода 5. Поскольку полупроводниковый выключатель на p-i-n диоде 3 находится в режиме запирания волновода, то радиосигнал отражается от него практически без потерь энергии, возвращается во второе плечо циркулятора 2 и через третье его плечо попадает в детектор 4. С выхода детектора 4 снимается НЧ сигнал, пропорциональный мощности падающего радиоизлучения P_пад. Этот сигнал нормируется операционным усилителем в НЧ-блоке 7, преобразуется в цифровую форму и запоминается в оперативном запоминающем устройстве. Затем по команде микропроцессора полупроводниковый выключатель 3 переводится в режим передачи. При этом радиоизлучение, пройдя отрезок волновода 5, попадает на поверхность испытуемого материала под углом, определяемым параметрами секториального рупора (излучателя) 6. Потеряв часть энергии, поглощенной материалом, радиосигнал отражается, возвращается во второе плечо циркулятора 2 и через его третье плечо попадает на детектор 4. На его выходе формируется НЧ сигнал, пропорциональный мощности отраженного сигнала P_отр. После нормировки и преобразования в цифровую форму он запоминается в оперативном запоминающем устройстве. После этого микропроцессор вычисляет по приведенной формуле, значение которого высвечивается на жидкокристаллическом индикаторе 8.

Процесс измерения коэффициента радиопоглощения в одной точке занимает не более 2. . .3 с. В примере измерения проводились в 9- ти точках поверхности контролируемого слоя композиции и определялась дисперсия коэффициента радиопоглощения, которая составляла 1,16%. Это свидетельствовало о высокой степени однородности композиции и ее готовности к нанесению.

Радиопоглощающий материал наносится следующим образом.

Предварительно покрываемую поверхность обезжиривают с помощью, например, щелочного раствора или бензина "Нефрас" и просушивают в течение 30 мин. Если поверхность имеет прокорродировавшие участки, их зачищают, обрабатывают антикоррозионным составом и грунтуют слоем грунта ВЛ-02 (ГОСТ 12707-77). Нанесение радиопоглощающего материала на подготовленную поверхность производят с помощью краскораспылителя для нанесения лакокрасочных материалов (ЛКМ) с условной вязкостью до 50 с. Возможно применение краскораспылителя типа КРП-11, предназначенного для нанесения ЛКМ с условной вязкостью до 30 с, однако при этом снижается производительность, а радиопоглощающее покрытие приобретает шероховатость поверхности. Процесс напыления композиции состоит из повторяющихся циклов. Каждый слой наносят методом решетки, не допуская подтеков и образования капель. Толщина слоя - 50 мкм, время просушивания слоя - 10 мин при температуре 12...35^oC и влажности воздуха не более 80%. После напыления 20 слоев контролируют величину коэффициента радиопоглощения с помощью описанного устройства. На готовое радиопоглощающее покрытие наносят защитный слой грунта АК-070 (ГОСТ 25718-83) при вязкости 12...16 с по ВЗ-4. После просушки в течение 1,0...1,5 ч при 12...35^oC на него наносят слой декоративного лакокрасочного материала.

Свойства и характеристики получаемого радиопоглощающего материала приведены в табл. 3.

Приведенные в табл. 3 характеристики радиопоглощающего материала обеспечивают широкий диапазон эксплуатационных условий его применения. Благодаря высоким адгезионным свойствам он может наноситься на поверхности алюминиевых и стальных сплавов, а также на поверхности, покрытые эмалевыми лакокрасочными материалами. Это позволяет использовать данное покрытие как для подвижных, так и стационарных объектов бытового, исследовательского, медицинского и др. назначения.

К преимуществам заявленного радиопоглощающего материала и способа его приготовления следует отнести их нетоксичность, взрыво-пожаробезопасность, соответствие требованиям санитарно- гигиенических норм, предъявляемым к товарам бытовой химии, что обеспечивает возможность использования этого материала для покрытия изделий бытового назначения, с которыми человек постоянно контактирует. Использование заявленного материала не накладывает жестких требований к мерам предосторожности и технологической оснастке при его приготовлении и применении. Это улучшает условия труда, в частности не требует применения специальных средств защиты, например противогазов, что в свою очередь повышает качество радиопоглощающего покрытия (по оценкам, в 3-5 раз).

Изложенные сведения подтверждают, что средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно для создания радиопоглощающих материалов (веществ). Для изобретений в том виде, как они охарактеризованы в формуле изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов. Средства, воплощающие изобретения, способны обеспечить достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствуют условию патентоспособности "промышленная применимость".

Использование: радиопоглощающий материал предназначен для нанесения на различные изделия исследовательского, медицинского, бытового и др. назначения. Сущность изобретения: радиопоглощающий материал содержит в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса, в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80 - 20; порошкообразный феррит или карбонильное железо 20 - 80. Способ приготовления радиопоглощающего материала включает последовательную загрузку указанного полимерного связующего и магнитного наполнителя в смеситель и их перемешивание вращающимся приспособлением в течение 7 - 10 мин, при этом перемешивающее приспособление поочередно вращают в противоположных направлениях в течение 50 - 60 с. 2 c.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Радиопоглощающий материал, содержащий полимерное связующее на основе латекса и магнитный наполнитель - порошкообразный феррит или железо, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего на основе латекса использован синтетический клей "Элатон" при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Синтетический клей "Элатон" - 80 - 20
Порошкообразный феррит или железо - 20 - 80
2. Способ приготовления радиопоглощающего материала, включающий последовательную загрузку в смеситель полимерного связующего на основе латекса и магнитного наполнителя - порошкообразного феррита или железа, их перемешивание вращающимся приспособлением, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего на основе латекса использован синтетический клей "Элатон" при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Синтетический клей "Элатон" - 80 - 20
Порошкообразный феррит или железо - 20 - 80
перемешивание компонентов осуществляют в течение 7 - 15 мин, при этом перемешивающее приспособление поочередно вращают в противоположных направлениях в течение 50 - 60 с.