СПОСОБ ВЫБОРА МОДИФИКАТОРА ДЛЯ ПИГМЕНТОВ СВЕТООТРАЖАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2000 года по МПК C09C1/00 C09C1/28 C09D5/33 

Изобретение относится к пигментам, в частности к светоотражающим покрытиям класса "солнечные отражатели", и может быть использовано в летательных аппаратах космической техники.

Известен способ выбора модификатора для диоксида циркония [Ремпель С.И., Дрикер Б. Н., Рутман Д.С. и др. Способ получения стабилизированной двуокиси циркония. А.с. 522138 СССР //Б.Н. 1976, N 3, с. 66], в котором предлагается выбирать вещества, в частности SiO₂, способные образовывать на поверхности зерен пигмента устойчивые к действию излучения соединения, способствующие захвату и аннигиляции дефектов.

Известен способ выбора модификатора [Савельев Г.Г., Иванов Г.Ф., Стась Н. Ф. // Изв. АН СССР Неорган. материалы 1988, т.24, N 6, с. 960-963], повышающий устойчивость соединений в результате химической реакции между ZrO₂ и SrSiO₃ при высоких температурах (700-800^oC).

Известен способ выбора модификатора [Михайлов М.М., Кузнецов Н.Я., Стась Н. Ф. и др. // Исследование светостойкости отражающих покрытий на основе модифицированного диоксида циркония. Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1990, т. 26, N 9, с.1889-1892], в частности SiO₂, выбранный в качестве прототипа, путем создания на поверхности пигмента большего числа оптических контактов для получения устойчивых к действию излучения соединений.

Но из данных способов не ясно, какой из модификаторов создает более устойчивые соединения. Поэтому выбор модификатора приходится делать случайным образом, используя большое количество экспериментов для проверки эффективности действия микродобавки.

Задачей изобретения является повышение устойчивости пигмента к действию излучений, выбор модификатора и определение области составов модификаторов светоотражающих покрытий.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе выбора модификатора для пигментов светоотражающих покрытий на основе ZrO₂, включающем подбор химического состава оксидов и солей, дополнительно измеряют диэлектрическую проницаемость пигмента ( ε_п ) и модификатора ( ε_m ) и вычисляют относительное светорассеяние (S') по формуле

а выбор химического состава модификатора производят в области значений S', удовлетворяющих условию S' больше 0 и S' меньше 0,130 (2).

Выбор основных понятий формулы изобретения поясняется следующими определениями.

Согласно теории Кубелки-Мунка-Гуревича [Гуревич М.М., Ицко Э.Ф., Середенко М. М. Оптические свойства лакокрасочных покрытий. - Л.: Химия, 1984, 120 с.] относительный коэффициент поглощения ( β ) определяется выражением
β = K/S, (3)
где K, S - коэффициенты поглощения и рассеяния света соответственно,
и связан с коэффициентом диффузного отражения (R).

Величина S может быть определена по формуле Релея [Ландберг Г.С. Оптика. - М. : Наука, 1976, 926 с.], которая выведена для рассеяния света в газовой среде

где A - коэффициент, зависящий от длины волны и размеров частиц;
ε_м,ε_п - диэлектрическая проницаемость модификатора и пигмента соответственно.

Формула Д. Релея, согласно учебнику [Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. -М.: ВШ, 1990, с. 389], применена и к рассеянию света в дисперсных системах, к которым относятся как жидкие, так и твердые тела, поэтому коэффициент (A) в формуле (2') описания может быть получен из выражения (24,1) указанной монографии

где I₀ - интенсивность падающего света,
ν - число частиц в единице объема,
V - объем одной частицы,
λ - длина волны.

Так как диэлектрическая проницаемость ε и показатель преломления n связаны известным в физике соотношением
ε = n²(1-ℵ²),
где
α - показатель поглощения.

В качестве пигмента выбран диоксид циркония квалификации ОСЧ 9-2, имеющий диэлектрическую проницаемость, равную 4,75.

Величиной стойкости к воздействию излучения является изменение интегрального коэффициента поглощения ( Δa_S ), которое определяется разностью
Δa_S= a_SK-a_S0, (4)
где a_sk, a_so - конечное и начальное значение коэффициента поглощения.

a_s = 1-R,(5)
где R - интегральный коэффициент диффузного отражения, определяемый из спектров диффузного отражения ( ρ_λ ) по методике [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. 176-180].

Спектры ρ_λ сняты на установке типа "Спектр-1", время облучения соответствовало 1/2 эквивалентного светового года, равного 176 эквивалентных световых суток (1 э.с.с. = E = 0,14 Вт/см²) [Макарова Е.А., Харитонов А.В. Распределение энергии в спектре Солнца и солнечные постоянные. -М.: Наука, 1972, 288 с].

В таблице представлены экспериментальные значения Δa_S пигмента ZrO₂ с модификаторами в количестве 1 мас.%. Значение Δa_S пигмента ZrO₂ без модификатора равно 0,133.

Из таблицы следуют пределы, соответствующие минимальной эффективности действия модификатора для Al₂O₃ ( = 0,002) и максимума эффективности для SiO₂ ( = 0,061). Уменьшение для SrNO₃ обусловлено влиянием на Δa_S коэффициента поглощения K, зависящего от толщины покрытия [Гуревич М.М. Ицко Э. Ф. , Середенко М.М. Оптические свойства лакокрасочных покрытий. - Л.: Химия, 1984, 120 с.]. Таким образом, техническим результатом является повышение стойкости модифицированного пигмента (с добавкой SiO₂) к действию излучения в 1,5 раза.

Практический пример выбора модификатора для пигмента ZrO₂ ( ε_п = 4,75).

Предположим, нам нужно проверить возможность применения соединений Ca(NO₃)₂ и TiO₂ в качестве модификаторов для диоксида циркония. Используя экспериментальную установку [Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытания электроизоляционных материалов.- Л.: Энергия, 1969, 296 с.], в которой на образцы твердого диэлектрика в форме пластин наносятся электроды из медной или алюминиевой фольги, а затем при помощи мостовой схемы измеряют емкость материала, связанную с диэлектрической проницаемостью формулой

где S - толщина образца,
F - эффективная площадь электрода.

Рассчитанные значения ε по измеренным величинам C_x составили: 6,7 для Ca(NO₃) и 40 для TiO₂. Эти величины соответствуют справочным данным [Справочник химика.- М.: Химия, 1963, т.1, 1070 с., Физико-химические свойства окислов. - Справочник под ред. Г.В. Самсонова.- М.: Металлургия, 1978, 471 с.].

По формуле (2) рассчитывают условное светорассеяние


Величина S для TiO₂ находится за пределами указанного в (3) интервала и для пигмента ZrO₂ будет приводить к большому светорассеянию и пониженной стойкости к излучению. Поэтому Ca(NO₃) может быть модификатором для ZrO₂, а TiO₂ не может быть.

Изобретение предназначено для космической техники и может быть использовано при изготовлении летательных аппаратов. Частицы пигмента ZrO₂ покрывают модификатором - оксидом или солью. Состав модификатора выбирают из условий где S' - относительное светорассеяние, 0 < S' < 0,130, ε_м, ε_п - диэлектрическая проницаемость модификатора и пигмента. В качестве модификаторов можно использовать Al₂O₃ (S' = 0,12), SrO (S' = 0,0422), MgO (S' = 0,0262), SiO₂ (S' = 0,0164), SrNO₃ (S' = 0,003) в количестве 1% от массы пигмента. Стойкость модифицированного пигмента к действию излучения повышается в 1,5 раза. 1 табл.

Способ выбора модификатора для пигментов светоотражающих покрытий на основе ZrO₂, включающий подбор химического состава оксидов и солей, отличающийся тем, что дополнительно измеряют диэлектрическую проницаемость пигмента ε_п и модификатора ε_m, вычисляют относительное светорассеяние S' по формуле

а выбор химического состава модификатора производят в области значений S', удовлетворяющих условию S' больше 0 и S' меньше 0,130.