СОСТАВ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ ТЕРМОИЗОЛИРУЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОРПУСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Российский патент 2020 года по МПК C09D5/18 C09D123/34 

Изобретение относится к наружным термоизолирующим материалам (ТЗМ), сублимирующего типа, обеспечивающим защиту от аэродинамического нагрева при высокоскоростном движении конструкции в воздушно-газовой среде. Основной задачей ТЗМ является защита функционирующей конструкции при воздействии температур до 1173 К и трения с воздушной средой.

Известен целый ряд термоизолирующих покрытий на основе синтетических полимеров (хлорсульфированный полиэтилен, сополимеры этилена с винилацетатом и др.) с полимерными наполнителями (полиметилметакрилат, полипропилен, фенольные микросферы), которые значительно уменьшили массово-энергетические характеристики изделий за счет задаваемой температурной сублимации (в диапазоне 573-1173 К) на определенных участках высокоскоростного движения агрегата.

При создании образцов новой техники - возникла необходимость в повышении физико-механических характеристик термоизолирующего материала из-за нерегламентированных воздействий на поверхность корпуса в процессе его сборки и хранения, и, как следствие, - деформирования. Наличие вмятин на поверхности ТЗМ не допускается нормативной документацией на материал и изделие, в связи с чем возникла техническая задача по поиску нового конструкторско-технологического решения.

Известен состав для теплозащитных покрытий (А.С. СССР N1682369, 1989 г.), содержащий (мас. ч.): хлорсульфированный полиэтилен - 12-14; толуол - 42-45; хлористый метилен - 42-45; терморасширяющийся графит - 48-52; n-трет-бутилформальдегидная смола - 7-9; полиметилсилазан - 8-12.

Известен состав для теплозащитных покрытий (А.С. СССР N179886, 1993 г.), содержащий (мас. ч.): хлорсульфированный полиэтилен - 12-14; толуол - 86-88; терморасширяющийся графит - 5-30; дициандиамид - 5-30; окись магния - 1,0-1,1; окись цинка - 1,0-1,1; стеариновая кислота - 1,0-1,1; дифенилгуанидин - 0,3-0,4.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является состав для теплозащитных покрытий (Патент РФ №2162871), включающий внешний слой хлорсульфированного полиэтилена и, по крайней мере, один слой состава из жидкого натриевого стекла отвердителя - кремнефтористого натрия, наполнителя - шамота, аэросила и стеклянных нитей длиной 5-10 мм, пигмента неорганического и кристаллогидратов. Данный состав принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения: состав полимерной композиции термоизолирующего покрытия для производства корпусов энергетических установок, состоящий из хлорсульфированного полиэтилена.

Общими недостатками известных составов являются экологические аспекты и отсутствие релаксации после снятия нагрузки от 3 кгс/см².

Технической задачей настоящего изобретения является модификация рецептурного состава наружного ТЗМ на основе хлорсульфированного полиэтилена с сублимирующими наполнителями для улучшения его способности сохранять и восстанавливать свою структуру (с точки зрения плотности и пористости) и толщину после воздействия заданной нагрузки при контактном давлении до 3 кгс/см², действующем в течение72 часов, с сохранением всех эксплуатационных характеристик.

Поставленная задача была решена за счет того, что известный состав полимерной композиции термоизолирующего покрытия для изготовления корпусов энергетических установок, состоящий из хлорсульфированного полиэтилена, согласно изобретению дополнительно содержит равномерно распределенный по объему вторичный дискретный волокнистый углеродный компонент, полученный в результате высвобождения углеродных волокон из углепластика методом пиролиза, в количестве 1-2 мас. ч. на 100 мас. ч. хлорсульфированного полиэтилена.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - введение равномерно распределенного по объему вторичного дискретного волокнистого углеродного компонента, полученныого в результате высвобождения углеродных волокон из углепластика методом пиролиза, в количестве 1-2 мас. ч. на 100 мас. ч. хлорсульфированного полиэтилена.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют увеличить уровень прочности при сжатии покрытия, определяемый по передовым образцам-демонстраторам технологии, а также ускорить время релаксации исходной структуры (после снятия нагрузки) и формы покрытия, сохраняя эксплуатационные параметры изделия.

Для решения технической задачи по повышению способности ТЗМ к восстановлению исходной толщины в результате релаксации после снятия нагрузки выбран для рецептурного состава дополнительный компонент неорганической природы в активной дискретной форме.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет введения в рецептурный состав на основе хлорсульфированного полиэтилена в качестве малой добавки равномерно распределенного по объему вторичного дискретного волокнистого углеродного компонента, полученного в результате высвобождения углеродных волокон из углепластика методом пиролиза, в количестве 1-2 мас. ч. на 100 мас. ч. хлорсульфированного полиэтилена.

Экспериментально установлено, что введение волокнистого компонента за пределами указанного диапазона не приводит к положительным результатам по показателям «плотность» и «разрушающее напряжение покрытия при сжатии» (таблица, опыт 3), а также - остаточная толщина после снятия нагрузки через 72 час. (таблица, опыт 1) практически остается на уровне штатного варианта.

Одним из процессов, позволяющим высвободить наполнитель от полимерной матрицы и показывающий свою перспективность по сравнению с другими технологиями переработки, является процесс пиролиза. Пиролизом называют процесс, при котором происходит термическая деградация связей между макрочастицами. Процесс пиролиза проходит без использования каких либо химических веществ. Разложение органических и неорганических тканей при этом происходит благодаря сильному нагреву и полному отсутствию кислорода. В итоге сложные соединения распадаются на более простые, образуя новые соединения.

Самая важная функция теплоизолирующих покрытий - сохранение несущей конструкции от температурных воздействий, а именно, от перегрева. Один из вариантов модификации наружных теплоизолирующих покрытий - это комбинирование покрытий для достижения необходимых параметров.

К абляционным относятся линейно-уносимые материалы, действие которых основано на возгонке полимерных компонентов с поверхности твердого тела от скоростного потока силовых оболочек\корпусов в ракетостроении, для космических аппаратов и камер сгорания с топливными наполнителями.

Армирование материалов волокнистыми наполнителями при малых добавках существенно улучшает физико-механические свойства и отрицательно не влияет на абляционные свойства.

Для получения состава полимерной композиции теплоизолирующего покрытия были использованы следующие компоненты:

- хлорсульфированный полиэтилен ТУ 2211-001-730375-19-2001 относится к классу полимеров, способных к сублимации в диапазоне температур 673-1173 К, совместим с различными наполнителями, а при высокотемпературном нагреве не образует кокса, свойственного для теплозащитных резин. Благодаря этим свойствам покрытия на основе ХСПЭ относятся к классу активной защиты с линейным уносом при скоростных воздействующих потоках.

- вторичный дискретный волокнистый углеродный наполнитель, полученный в результате высвобождения углеродных волокон из углепластика методом пиролиза.

Технология изготовления образцов из модифицированного материала на основе хлорсульфированного полиэтилена осуществляется следующим образом:

1. Подготовка пластин из органопластика, нанесение слоя грунтовки АК-070 и эмали ЭП-525 по штатной технологии;

2. Введение в растворный рецептурный состав на основе хлорсульфированного полиэтилена углеродных волокон вторичного использования (полученные методом пиролиза), в количестве 1-2 мас. ч., предварительно измельченных до размера 2-4 мм;

3. Нанесение полимерно-дисперсной массы (приготовленной по штатной технологии) пульверизационным, кистевым или шпательным методом, послойно (одним слоем считается нанесение материала продольно-поперечным проходом - сначала в одном направлении, затем перекрывающим проходом в перпендикулярном), а далее, нанесение модифицированной углеродными волокнами полимерно-дисперсной массы, приготовленной по п. 2, с сушкой каждого слоя от 60-90 мин при температуре 15-35°С, и сушкой после набора каждых 2 мм от 5 до 8 ч при температуре от 50 до 60°С. Контроль толщины осуществляется после охлаждения не ранее 30 мин после нанесения каждого слоя. Покрытие формируется таким образом до набора толщины от 3,8 до 4,2 мм.

Результаты сравнительных испытаний образцов-демонстраторов представлены в таблице:

Анализ данных таблицы показывает, что по результатам испытаний наиболее приемлемым является использование в качестве добавки углеродных волокон повторного использования в количестве 1-2 мас. ч. (опыт 2). При запредельных значениях (опыт 1) остаточная толщина покрытия приближена к штатному варианту исполнения покрытия, а при увеличении массовой доли наполнителя (опыт 3) требования НТД по плотности и разрушающему напряжению не выполняются.

Изобретение относится к наружным термоизолирующим материалам (ТЗМ) сублимирующего типа, обеспечивающим защиту от аэродинамического нагрева при высокоскоростном движении конструкции в воздушно-газовой среде. В состав модифицированного рецептурного состава наружного ТЗМ на основе хлорсульфированного полиэтилена введены в качестве малой добавки равномерно распределенные по объему вторичные дискретные углеродные волокна, полученные методом пиролиза, при оптимальном диапазоне массового наполнения в рецептуре 1-2 мас.ч. на 100 мас.ч. хлорсульфированного полиэтилена. Предложенная композиция позволяет увеличить уровень прочности при сжатии покрытия, а также ускорить время релаксации исходной структуры после снятия нагрузки, сохраняя эксплуатационные параметры изделия. 1 табл.

Состав полимерной композиции термоизолирующего покрытия для изготовления корпусов энергетических установок, состоящий из хлорсульфированного полиэтилена, отличающийся тем, что он дополнительно содержит равномерно распределенный по объему вторичный дискретный волокнистый углеродный компонент, полученный в результате высвобождения углеродных волокон из углепластика методом пиролиза, в количестве 1-2 мас.ч. на 100 мас.ч. хлорсульфированного полиэтилена.