ПИГМЕНТ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ТИТАНА ДЛЯ СВЕТООТРАЖАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2000 года по МПК C09C1/36 C09D5/33 

Изобретение относится к пигментам для светоотражающих покрытий класса "солнечные отражатели" и может быть использовано в летательных аппаратах космической техники.

Известен пигмент на основе диоксида титана, обеспечивающий наилучшее рассеяние зеленого света с фракцией 0,25 мкм [Беленький Е.Ф., Рискин Н.В. Химия и технология пигментов. Л.: Химия, 1960, 755 с.; Лакокрасочные материалы и покрытия. Сб.под ред. Р.Ламбурна. С.-Петербург, Химия, 1991, 351 с.]. При этом частицы этого размера менее эффективны при рассеянии желтого и красного света и неизвестно как ведут себя при действии электронного излучения.

Известно [Гранкин С.П., Михайлов М.М. Кинетика накопления центров окраски на поверхности рутила при облучении электронами. Сб.Физика вакуумного ультрафиолетового излучения и его взаимодействия с веществом. М.: 1991, с. 162-163] , что в ходе помола процесс дробления частиц разрушение происходит по плоскостям спайности с более или менее устойчивыми связями элементов TiO₂, так что при облучении потоком электронов образуются либо F-центры, либо ионы Ti⁺³, что также зависит от размера частиц TiO₂, а количество дефектов влияет на спектр диффузного отражения (ρ_λ).

Известен пигмент на основе диоксида титана, содержащий кристаллические частицы модификации рутила [Михайлов М.М., Дворецкий М.И. Кинетика накопления центров окраски в рутиле при облучении электронами. Изв.вузов. Физика, 1983, N 7, с.30-34], выбранный в качестве прототипа, неиспользуемый в светоотражающих покрытиях, недостатком которого является низкая стойкость к действию электронов космического пространства.

Задачей работы является повышение стойкости пигмента TiO₂ к действию электронов космического пространства.

Указанный технический результат достигается тем, что в пигменте на основе диоксида титана, содержащего кристаллические частицы модификации рутила, согласно изобретению он содержит зерна и гранулы со средним размером в интервале 2,5 < < 6,0 мкм так, что средне квадратичное отклонение составляет S < 0,91 мкм.

Данные соотношения поясняются следующими теоретическими положениями. Известно [Лакокрасочные материалы и покрытия. Сб.под ред. Р.Ламбурна. С.-Петербург, Химия, 1991, 351 с.], что относительный коэффициент поглощения (β), равный отношению
β = K/S, (1)
где K, S - коэффициенты объемного поглощения и рассеяния света, соответственно,
пропорционален обратной величине среднестатистического размера частиц порошка для диоксида титана.

Но согласно теории Кубелки-Мунка-Гуревича [Гуревич М.М., Ицко Э.Ф., Середенко М. М. Оптические свойства лакокрасочных покрытий. - Л.: Химия, 1984, 120 с.] коэффициент β связан с коэффициентом отражения от поверхности (R) соотношением

поэтому с увеличением r R понижается, а величина интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения (a_s), определяемая соотношением
a_s = 1-R, (3)
при этом растет.

С другой стороны изменение a_s в ходе облучения электронами (Δa_s) связано с объемными дефектами [Гранкин С.П., Михайлов М.М. Кинетика накопления центров окраски на поверхности рутила при облучении электронами. Сб.Физика вакуумного ультрафиолетового излучения и его взаимодействия с веществом. - М.: 1991, с.162-163], зависящими от величины удельной поверхности (S_уд) или размеров частиц. Чем больше S, тем больше количество образующихся дефектов (F_у и Ti³⁺), а следовательно, и больше Δa_s.

Связь среднего размера частиц и S_уд имеет вид [Гуревич М.М., Ицко Э. Ф. , Середенко М.М. Оптические свойства лакокрасочных покрытий. - Л.: Химия, 1984, 120 с.]

где A - коэффициент;
ρ - плотность порошка.

Поэтому при уменьшении среднего размера частиц Δa_s должно возрастать.

Таким образом, один и тот же параметр r действует одновременно на два фактора: коэффициент β и S_уд, которые приводят к повышению Δa_s, а между двумя максимальными значениями должен находиться минимум.

Указанные положения поясняются следующими экспериментальными результатами.

В качестве пигмента нами выбран диоксид титана квалификации ОСЧ марки Р10. Мерой стойкости к воздействию излучения является изменение интегрального коэффициента поглощения Δa_s, определяемого выражением
Δa_s= a_sk-a_so, (5)
где a_sk, a_so - конечное и начальное значения коэффициента поглощения, определяемые по формуле (3).

Величину коэффициента отражения R определяли путем интегрирования спектральной зависимости ρ_λ [Косицын Л.Г., Михайлов М.М., Кузнецов Н.Я., Дворецкий М.И. Установка для исследования спектров диффузного отражения и люминесценции твердых тел в вакууме. ПТЭ, 1985, N 4, с. 1976-1980]. Спектры ρ_λ сняты на установке "Спектр-1". Энергия электронов составляла 30 кэВ, поток - 4•10¹⁶ см^-2.

Экспериментальные значения Δa_s пигмента TiO₂, разделенного на фракции, после облучения электронами представлены в таблице 1.

Средний размер исходной фракции составлял = 2,65 ± 1,7 мкм, поэтому при выделении фракции произошло сужение функции распределения частиц (S < 0,91 мкм), что привело к более плотной и однородной структуре порошка.

Таким образом, ни мелкая фракция 0,25 мкм, ни крупная фракция 7,5 мкм не дают искомого результата повышения стойкости к воздействию электронов, а оптимальные размеры позволяют повысить стойкость к действию электронов космического излучения в 1,8-2,5 раза (опыт N 4 табл. 1).

Методика разделения частиц на фракции описана в [Павлушкин Н.М. и др. Практикум по технологии стекла и металлов. - М.: Стройиздат, 1970, 510 с.] и состоит в следующем. При взбалтывании порошка в сосуде с водой (емкостью 3 л) образуется суспензия, частицы которой соосаждаются на дно согласно закону Стокса. При помощи пипетки по риске с установленной глубины по истечению времени, рассчитанного по формуле

где η - вязкость;
ρ - плотность;
t - время;
h - высота (глубина) слоя;
g - ускорение свободного падения;
d - средний размер частиц,
производили отбор пробы, а затем выпаривание раствора. Исходные данные представлены в таблице 2.

Размер частиц порошка определяли методом секущих под микроскопом путем замера 150 - 200 зерен. Средний размер вычисляли по формуле

а среднеквадратичное отклонение - по выражению [Сквайрс Дж. Практическая физика. - М.: Мир, 1971, 246 с.]
е

Изобретение предназначено для космической техники и может быть использовано при получении летательных аппаратов. Пигмент на основе диоксида титана содержит гранулы рутила. Размер частиц 2,5 мкм < < 6,0 мкм, среднеквадратичное отклонение S < 0,91 мкм. Стойкость к воздействию электронов космического излучения повышена в 1,8 - 2,5 раза. Изменение интегрального коэффициента поглощения Δa_s = 0,103 - 0,220. 2 табл.

Пигмент на основе диоксида титана для светоотражающих покрытий, содержащий кристаллические частицы рутила, отличающийся тем, что он содержит зерна и гранулы, имеющие средний размер частиц 6,0 мкм > > 2,5 мкм, при этом среднеквадратичное отклонение S < 0,91 мкм.