ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2000 года по МПК C09K5/06 C08G18/83 C08L75/04 C08K3/24 

Изобретение относится к эластичным материалам, назначение которых защита узлов и конструкций от высокотемпературных тепловых потоков и полей, может быть использовано в приборо- и машиностроении, строительстве.

Известен теплоаккумулирующий состав на основе (NH₄)₂CO₃, в который входит Ba(OH)₂•8H₂O, содержащий кристаллизационную воду.

(А.с. 1214707, C 09 K 5/02, 1986 г.).

Однако температурный интервал работы этого состава лежит в диапазоне 29,0-147,5^oC, что ограничивает область его применения при воздействии высоких температур до 150^oC.

Известны теплоаккумулирующие составы на основе кристаллогидратов различной природы.

(Тепло- и холодоаккумулирующие материалы/ В.Н. Данилин, Л.В. Боровская, А.Г. Долесов и др. - Краснодар: КПИ, 1981, с. 36-53).

Однако температурный интервал их работы лежит в диапазоне 17-75^oC, и они представляют собой высоконаполненные неэластичные композиции.

Наиболее близкими являются теплоаккумулирующие материалы разового действия, которые представляют собой композиции на основе полимерного связующего (эпоксидная смола или смесь на основе двух типов силиконового каучука) и теплоаккумулирующего вещества (α-полиформальдегид или полиоксиметилен). Тепловой эффект фазового перехода полиоксиметилена - 170 кДж/кг, разложения - 1500 кДж/кг. Тепловой эффект разложения α-полиформальдегида - 2700 кДж/кг.

(Тепло- и холодоаккумулирующие материалы/ В.Н. Данилин, Л.В. Боровская, А.Г. Долесов и др. - Краснодар: КПИ, 1981, с. 75-76).

Однако указанные материалы обладают следующим недостатком: в температурном интервале 105-360^oC они разлагаются с образованием легко воспламеняемых продуктов, что ограничивает область их применения.

Задачей предлагаемого изобретения является:
- возможность разрабатывать эластичные теплозащитные покрытия, а именно разработка состава теплоаккумулирующего материала, позволяющего получить покрытия, устойчивые к действию высокотемпературных нагрузок возникающих при пожаре.

При осуществлении изобретения получают следующий технический результат: повышается устойчивость теплоаккумулирующего материала к действию высокотемпературных тепловых полей в температурном интервале 100-600^oC в условиях контакта с воздухом.

Указанный технический результат достигается тем, что теплоаккумулирующий материал, состоящий из полимерного связующего и теплоаккумулирующего вещества, содержит в качестве полимерного связующего композицию на основе гидроксилсодержащего олигодиена СКДП-Н, представляющего собой сополимер бутадиена с пипериленом, полиизоцианата, глицерина и катализатора уретанообразования, а в качестве теплоаккумулирующего вещества - кристаллогидрат неорганической соли, обеспечивающей содержание кристаллизационной воды, не менее 17% в теплоаккумулирующем материале, в качестве кристаллогидрата неорганической соли он содержит нонагидрат нитрата алюминия, гексагидрат хлорида никеля, гептагидрат сульфата магния или дигидрат фторида калия, при следующем соотношении компонентов, мас. ч.: гидроксилсодержащий олигодиен СКДП-Н, представляющего собой сополимер бутадиена с пипериленом, 100, полиизоцианат 20-38, глицерин 1-5, катализатор уретанообразования 0.01-3.0, кристаллогидрат не органической соли, обеспечивающий содержание кристаллизационной воды в материале не менее 17%, 50-200.

Сущность изобретения заключается в том, что при действии высокотемпературного теплового поля кристаллогидрат претерпевает ряд физико-химических превращений, сопровождающихся эндотермическими эффектами. Причем наибольший вклад вносят энтальпия потери кристаллизационной воды ( Δ H_{дегидр.}), энтальпия нагрева связанной воды ( ΔH_нагр. и энтальпия ее испарения ( Δ H_исп.), при этом их можно выстроить в ряд:
Δ H_исп. > Δ H_{дегидр.} > Δ H_нагр.
В ходе этих превращений кристаллизационная вода аккумулирует тепло и тем самым защищает полимерную матрицу от тепловой нагрузки.

Таким образом, использование кристаллогидратов неорганических солей позволяет получить эффективные теплоаккумулирующие материалы, устойчивые к высокотемпературному действию.

Приведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определяемые из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Для получения предлагаемого теплоаккумулирующего материала готовят составы с различным содержанием кристаллогидрата. Композицию изготавливают на основе гидроксилсодержащего олигодиена СКДП-Н (ТУ 38.303-01-29-90), полиизоцианата (ТУ 6-03-375-75), глицерина (ГОСТ 6259-75) и катализатора уретанообразования - третичного амина.

В качестве полимерного связующего используют композицию на основе гидроксилсодержащего олигодиена СКДП-Н, представляющего собой сополимер бутадиена с пипериленом (А. с. 1229214. Композиция для покрытий/ В.П. Медведев, А.М. Огрель, Е.З. Краснов):
Гидроксилсодержащий олигодиен СКДП-Н, представляющий собой сополимер бутадиена с пипериленом - 100
Полиизоцианат - 24
Глицерин - 3
Третичный амин - 0,6
Приготовление предлагаемого теплоаккумулирующего материала осуществляют в лопастной мешалке, обеспечивающей тщательное перемешивание ингредиентов смеси. Смесь заливают в форму и выдерживают при комнатной температуре (17-25^oC) в течение 3-х суток. Затем из формы с помощью ножа вынимают образцы, которые в дальнейшем подвергают испытанию. Размеры формы должны обеспечивать получение образцов соответствующих требованиям ГОСТ 21207-81. Так как в момент высокотемпературного теплового воздействия (до 600^oC) в условиях контакта с воздухом теплоаккумулирующий материал начинает деструктировать и гореть, то удобной характеристикой для анализа эффективности работы теплоаккумулирующего материала однократного действия является линейная скорость горения (V_г). Линейная скорость горения и длина обуглившейся части образца (L) определяются в соответствии с ГОСТ 21207-81. Если образец самозатухал до достижения метки на образце, то время, в момент его затухания принималось за время самозатухания (t_с).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1. В лопастную мешалку помещают 100 г гидроксилсодержащего олигодиена ЦКДП-Н, 24 г полиизоцианата, 3 г глицерина, 0.6 г третичного амина и 100 г нонагидрата нитрата алюминия. Смесь тщательно перемешивают в течение 30 мин. Затем заливают в форму и выдерживают при комнатной температуре (17-25^oC) в течение 3 суток. Готовые образцы вынимают из формы с помощью ножа.

Состав и свойства теплоаккумулирующего материала по примеру 1 приведены в таблице (состав 1).

Пример 2. По указанной в примере 1 технологии готовят теплоаккумулирующие материалы, состав которых дан в таблице.

Как видно из данных таблицы, использование кристаллогидратов неорганических солей позволяет получить эффективные теплоаккумулирующие материалы. При этом с увеличением количества кристаллизационной воды в материале (составы 1-6, см. таблицу), возрастает устойчивость материала к высокотемпературному воздействию. Это обусловлено эндотермическим эффектом физико-химических процессов, протекающих в кристаллогидрате и связанных с водой, которая в нем содержится. В ходе таких превращений вода аккумулирует тепло и тем самым защищает полимерное связующее от тепловой нагрузки.

Выбранный состав полимерного связующего связан с необходимостью получения теплоаккумулирующего материала с необходимым комплексом свойств. Заявляемые дозировки ингредиентов, входящих в полимерное связующее, обусловлены технологическими факторами при получении теплоаккумулирующего материала.

Использование других типов кристаллогидратов неорганических солей (составы 7-13) не позволяет получить эффективные теплоаккумулирующие материалы. Как видно из данных таблицы, они в ходе воздействия высокотемпературного теплового потока воспламеняются и горят. Кроме того, для них наблюдается каплепадение, что является нежелательным с точки зрения сохранения формы и конструкции изделия.

Как видно из данных табл., для получения более эффективных теплоаккумулирующих материалов нужно использовать кристаллогидраты неорганических солей выбранных из группы нонагидрат нитрата алюминия, гексагидрат хлорида никеля, гептагидрат сульфата магния, дигидрат фторида калия.

Использование указанных кристаллогидратов позволяет устранить каплепадение, которое является нежелательным с точки зрения сохранения формы и конструкции изделия.

Увеличение дозировки кристаллогидрата до 200 мас.ч. (состав 5) позволяет получить материал с L = 0 мм и t_с = 0 сек, при этом каплепадение отсутствует. Однако при увеличении дозировки кристаллогидрата более 200 мас.ч. ухудшаются технологические свойства композиции.

Снижение содержания кристаллогидрата до 50 мас.ч. (состав 6) приводит к снижению содержания кристаллизационной воды в композиции, это приводит к каплепадению, что в ряде случаев является допустимым и не влияет на достижение технического результата.

Из данных таблицы видно, что кристаллогидраты неорганических солей, обеспечивающие содержание кристаллизационной воды в материале в количестве не менее 17% (составы 1-6) позволяют получить эффективные теплоаккумулирующие материалы с суммарным эндотермическим эффектом 512-2138 кДж/кг, что позволяет достигнуть заявляемый технический результат.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявленное изобретение позволяет разрабатывать эластичные теплозащитные покрытия;
- для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Описывается теплоаккумулирующий материал, состоящий из полимерного связующего и теплоаккумулирующего вещества. Он отличается тем, что в качестве полимерного связующего он содержит композицию на основе гидроксилсодержащего олигодиена СКДП-Н, полиизоцианата, глицерина и катализатора уретанообразования, а в качестве теплоаккумулирующего вещества - кристаллогидрат неорганической соли, обеспечивающий содержание кристаллизационной воды, не менее 17% в теплоаккумулирующем материале, при следующем соотношении компонентов, мас. ч. : гидроксилсодержащий олигодиен СКДП-Н 100, полиизоцианат 20-38, глицерин 1-5, катализатор уретанообразования 0,01-3,0, кристаллогидрат неорганической соли, обеспечивающий содержание кристаллизационной воды в материале не менее 17% 50-200. Технический результат - разработка состава теплоаккумулирующего материала, позволяющего получить покрытия, устойчивые к действию высокотемпературных нагрузок, возникающих при пожаре. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Теплоаккумулирующий материал, состоящий из полимерного связующего и теплоаккумулирующего вещества, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего он содержит композицию, включающую гидроксилсодержащий олигодиен СКДП-Н, представляющий собой сополимер бутадиена с пипериленом, полиизоцианат, глицерин и катализатор уретанообразования, а в качестве теплоаккумулирующего вещества - кристаллогидрат неорганической соли, обеспечивающий содержание кристаллизационной воды не менее 17% в теплоаккумулирующем материале, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Гидроксилсодержащий олигодиен СКДП-Н, представляющий собой сополимер бутадиена с пипериленом - 100
Полиизоцианат - 20 - 38
Глицерин - 1 - 5
Катализатор уретанообразования - 0,01 - 3,0
Кристаллогидрат неорганической соли, обеспечивающий содержание кристаллизационной воды в материале не менее 17% - 50 - 200
2. Теплоаккумулирующий материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве кристаллогидрата неорганической соли он содержит нонагидрат нитрата алюминия, гексагидрат хлорида никеля, гептагидрат сульфата магния или дигидрат фторида калия.