Состав теплоаккумулирующего покрытия Российский патент 2024 года по МПК C09D5/26 C09K5/06 

Изобретение относится к составу теплоаккумулирующего покрытия, которое может быть использовано в системах теплоизоляции и активного терморегулирования в жилищном и промышленном строительстве. Предлагаемое покрытие представляет собой композитный материал с теплоаккумулирующими и терморегулирующими свойствами, способный обратимо поглощать и выделять тепловую энергию за счет протекания процессов плавления и кристаллизации теплоаккумулирующего агента на основе инкапсулированного органического фазово-переходного компонента.

Известно антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие на основе полых микросфер (патент RU 2251563, 2005). Покрытие получают из композиции, включающей полимерное связующее 5-95% об. и полые микросферы - 5-95% об. Композицию наносят по меньшей мере в виде одного слоя и проводят сушку. Полимерное связующее состоит из латексной композиции. Содержит 10-90% об. (со)полимера, выбранного из группы: гомополимер акрилата, стиролакрилатный сополимер, бутадиенстирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, поливинилхлорид, полиуретан, полимер или сополимер винилацетата или их смеси. Связующее содержит также 10-90% об. смеси воды и поверхностно-активного вещества. Полые микросферы выбраны из группы: стеклянные, керамические, полимерные, зольные или их смеси с размером 10-500 мкм и насыпной плотностью 50-650 кг/м3. Недостаток известного покрытия заключается в недостаточных теплоизолирующие свойствах и низкой удельной теплоемкости. Теплоизоляция при использовании данного покрытия достигается за счет снижения теплопроводности вследствие введения в состав композиции полых микросфер, обладающих низкой теплопроводностью. Кроме того, у данного покрытия отсутствуют также активные терморегулирующие свойства.

Известна краска-покрытие тепловлагозащитная (патент RU 2310670, 2007), содержащая (% масс.): 20-30 связующего, 10-30 полых микросфер, остальное - органический растворитель. Связующее выбрано из группы, включающей кремнийорганическую смолу, акриловый (со)полимер, полиуретан. В качестве полых микросфер используют керамические или стеклянные полые микросферы с размером 20-150 микрон. В состав композиции дополнительно могут входить диоксид титана в количестве 2- 5% масс. и антипиреновая добавка в количестве 5-25% масс. Данное покрытие характеризуется довольно низкой теплопроводностью, составляющей 0,046 ВтУ(м⋅К) вследствие наличия в составе керамических или стеклянных полых микросфер, благодаря чему состав имеет теплоизолирующие и теплозащитные свойства. Недостатками известного материала являются недостаточные теплоаккумулирующие свойства из-за низкой удельной теплоемкости покрытия, что не позволяет его применять для активной терморегуляции при циклическом охлаждении и нагревании какого-либо объекта.

Более близким к предложенному теплоаккумулирующему покрытию является теплоизоляционная краска-покрытие (RU 2544854, 2015), содержащая в качестве пленкообразующего компонента водную эмульсию сополимера стирола и акриловых мономеров «Акрэмос-101», загуститель - водную эмульсию сополимера «Акрэмос-401», диспергирующую добавку -полифосфат натрия, антифриз - диэтиленгликоль, коалесцирующую добавку - уайт-спирит, минеральный наполнитель и воду. Указанная краска дополнительно содержит стеклянные микросферы на основе натрийборсиликатного стекла, при этом в качестве минерального наполнителя краска содержит диатомит и белую сажу при следующем соотношении компонентов, (% масс.): водная эмульсия сополимера стирола и акриловых мономеров «Акрэмос-101» 17,5-22,46; водный раствор акрилового сополимера «Акрэмос-401» 4,28-5,46; диэтиленгликоль 10,27-13,10; полифосфат натрия 3,85-4,91, уайт-спирит 2,57-3,27; диатомит 6,06-13,63; белая сажа 3,06-5,12; микросферы на основе натрийборсиликатного стекла 6,06-7,50; вода - остальное. Недостатки указанного покрытия заключаются в недостаточно высокой удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности. Кроме того, известное покрытие не обладает активными терморегулирующими свойствами.

Техническая проблема заключается в создании состава теплоаккумулирующего покрытия, обладающего активными терморегулирующими свойствами.

Указанная техническая проблема решается созданием состава теплоаккумулирующего покрытия, содержащего полимерное связующее, теплоаккумулирующий агент в виде частиц типа «ядро-оболочка» диаметром 1-100 мкм, с толщиной полиуретановой оболочки 0,1-0,5 мкм и ядром из органического фазово-переходного компонента, минеральный наполнитель, поверхностно-активное вещество, пигмент и воду при следующем соотношении компонентов, % масс.:

полимерное связующее - 2,0-30,0;

теплоаккумулирующий агент в виде частиц типа «ядро-оболочка» диаметром 1-100 мкм, с толщиной полиуретановой оболочки 0,1-0,5 мкм и ядром из органического фазово-переходного компонента - 10,0-35,0;

минеральный наполнитель - 1,0-10,0;

поверхностно-активное вещество - 1,0-3,0;

пигмент - 0-2,0;

вода - остальное, до 100.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении протекания процессов плавления или кристаллизации органического фазовопереходного компонента.

Получение теплоаккумулирующего покрытия проводят следующим образом.

В качестве полимерного связующего в описываемом теплоаккумулирующем покрытии возможно использовать полиакриловую кислоту или ее производные, сополимер полиакриловой кислоты или ее производных и винилбензола, сополимер бутадиена и винилбензола, полистирол, полибутадиен, полиуретан, поливинилхлорид, поливинилацетат или их смеси. Указанное полимерное связующее имеет пленкообразующие свойства при формировании покрытия на поверхности твердого субстрата, а также повышает механическую прочность и эластичность покрытия.

В качестве теплоаккумулирующего агента в составе композиции используют твердый порошкообразный материал в виде частиц типа «ядро-оболочка», в которых оболочка состоит из полиуретана, а ядро - из органического фазово-переходного компонента (ФПК). В качестве органического ФПК используют, например, н-октадекан, имеющий температуру плавления 28°С или другой углеводород с числом атомов углерода от 16 до 24. В качестве ФПК может быть использована также смесь указанных углеводородов. Выбор ФПК позволяет варьировать его температуру плавления с целью получения целевого материала с заданным температурным диапазоном функционирования. ФПК при нагревании выше точки плавления (охлаждении ниже температуры кристаллизации) претерпевает фазовый переход I рода - плавление (или кристаллизация), который сопровождается поглощением (или выделением) значительного количества тепловой энергии. Следовательно, ФПК играет роль активной основы, придающей целевому покрытию теплоаккумулирующие и активные терморегулирующие свойства. Предпочтительно использование теплоаккумулирующего агента в виде частиц типа «ядро-оболочка» диаметром 1-100 мкм с толщиной полиуретановой оболочки 0,1-0,5 мкм, полученных межфазной полимеризацией при взаимодействии полиизоцианата и полиола.

В качестве минерального наполнителя используют синтетические или природные наполнители на основе оксида кремния (например, диатомит или аэросил) или силикатов (например, тальк). Функция минерального наполнителя состоит в стабилизации целевого покрытия, повышении его плотности и механической прочности.

С целью стабилизации целевого теплоаккумулирующего покрытия в его состав вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве ПАВ используют, например, оксиэтилированные алкилфенолы, оксиэтилированные жирные спирты или блок-сополимеры этиленоксида и пропиленоксида.

В Состав теплоаккумулирующего покрытия входит пигмент, который придает целевому покрытию необходимый цвет. В качестве пигмента возможно использовать, например, диоксид титана, литопон или гидроксид алюминия (белый цвет), моногидрат оксида железа (желтый цвет), оксид хрома (зеленый цвет).

Состав теплоаккумулирующего покрытия готовят следующим образом. В рассчитанное количество воды добавляют полимерное связующее и поверхностно-активное вещество и перемешивают в емкости с мешалкой до образования однородной дисперсии. Затем в полученную дисперсию дозируют теплоаккумулирующий агент, минеральный наполнитель и пигмент. Смесь перемешивают до однородного состояния.

Полученное теплоаккумулирующее покрытие (композицию) наносят на поверхность твердого субстрата с последующей сушкой покрытия. Указанное покрытие возможно наносить кистью, валиком, воздушным, гидравлическим или комбинированным распылением. Покрытие возможно наносить в один или несколько слоев. Толщина слоя покрытия составляет от 0,5 мкм до 500 мкм.

Заявляемый состав теплоаккумулирующего покрытия иллюстрируют следующими примерами, не ограничивающими его применение.

Состав теплоаккумулирующего покрытия содержит следующие компоненты: полимерное связующее, теплоаккумулирующий агент в виде частиц с полиуретановой оболочкой и ядром из органического фазовопереходного компонента, минеральный наполнитель, поверхностно-активное вещество, пигмент и вода, взятые в заявленных количествах.

Пример 1.

Теплоаккумулирующее покрытие содержит в качестве полимерного связующего - сополимер бутилакрилата и метакриловой кислоты, теплоаккумулирующий агент в виде частиц с полиуретановой оболочкой и ядром из н-октадекана со средним диаметром 12,7 мкм и толщиной стенки 0,35 мкм, в качестве минерального наполнителя - гидратированный диоксид кремния (белая сажа), в качестве поверхностно-активного вещества - оксиэтилированный алкилфенол ОП-10, в качестве пигмента - диоксид титана (пигмент белого цвета).

По вышеописанной методике готовят состав со следующим содержанием компонентов (% масс.):

- полимерное связующее - 30,0;

- теплоаккумулирующий агент в виде частиц с полиуретановой оболочкой и ядром из органического фазово-переходного компонента - 35,0; -минеральный наполнитель - 10,0;

- поверхностно-активное вещество - 3,0;

- пигмент - 2,0;

- вода - остальное, до 100.

Полученный состав наносят слоем на стальную пластину и высушивают при 60°С в течение 25 минут. Толщина покрытия после высыхания составляет 530±50 нм. Полученный образец покрытия анализируют путем определения скорости охлаждения с помощью инфракрасной термографии (ИК-камера Guide D400, Guide Sensmart, Китай). Для этого нагретый до 60°С образец покрытия на стальной пластине помещают в воздушный термостат с предустановленной температурой среды 3°С.

Высушенный образец покрытия массой 5 мг исследуют также с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с использованием калориметра DSC 214 Polyma (Netzsch, Германия) для определения температуры и энтальпии фазовых переходов плавления и кристаллизации. Температуру образца при этом циклически изменяют в диапазоне от минус 20°С до 70°С со скоростью 10°С/мин.

Пример 2.

Теплоаккумулирующее покрытие содержит в качестве полимерного связующего сополимер бутадиена и метакриловой кислоты, теплоаккумулирующий агент - частицы с полиуретановой оболочкой и ядром из н-октадекана со средним диаметром 10 мкм и толщиной стенки 0,3 мкм, в качестве минерального наполнителя - аэросил, в качестве поверхностно-активного вещества - оксиэтилированный алкилфенол ОП-7. По вышеописанной методике готовят состав со следующим содержанием компонентов (% масс.):

- полимерное связующее - 2,0;

- теплоаккумулирующий агент в виде частиц с полиуретановой оболочкой и ядром из органического фазово-переходного компонента - 10,0;

- минеральный наполнитель - 1,0;

- поверхностно-активное вещество - 1,0;

- пигмент - 0;

- вода - остальное, до 100.

Образец по примеру 2 анализируют с помощью инфракрасной термографии и ДСК аналогично примеру 1.

Пример 3.

Теплоаккумулирующее покрытие содержит в качестве полимерного связующего сополимер бутилакрилата и стирола, теплоаккумулирующий агент в виде частиц с полиуретановой оболочкой и ядром из н-октадекана со средним диаметром 9 мкм и толщиной стенки 0,2 мкм, в качестве минерального наполнителя - тальк, в качестве поверхностно-активного вещества - блок-сополимер этиленоксида и пропиленоксида. По вышеописанной методике готовят состав со следующим содержанием компонентов, (% масс.):

- полимерное связующее - 16,0;

- теплоаккумулирующий агент в виде частиц с полиуретановой оболочкой и ядром из органического фазово-переходного компонента - 22,0;

- минеральный наполнитель - 5,0;

- поверхностно-активное вещество - 2,0;

- пигмент - 0;

- вода - остальное, до 100.

Образец по примеру 3 исследуют с помощью инфракрасной термографии и ДСК аналогично примеру 1.

Результаты исследования образцов по примерам 1-3 представлены в Таблице.

Как видно из данных, приведенных в таблице, образцы покрытий по примерам 1-3 имеют теплоаккумулирующие свойства в отличие от прототипа, для которого в исследованном диапазоне температур на термограмме не зарегистрированы термические эффекты, соответствующие фазовым переходам плавления и кристаллизации. Благодаря наличию в составе теплоаккумулирующего агента в виде частиц с полиуретановой оболочкой и ядром из органического фазово-переходного компонента образцы покрытий по примерам 1-3 охлаждаются с более низкой скоростью (необходимо большее время) по сравнению с известным составом. Полученные результаты подтверждают наличие теплоаккумулирующих и активных терморегулирующих свойств у образцов покрытий по примерам 1-3.

Изобретение относится к составу теплоаккумулирующего покрытия, которое может быть использовано в системах теплоизоляции и активного терморегулирования в жилищном и промышленном строительстве. Состав теплоаккумулирующего покрытия содержит полимерное связующее, теплоаккумулирующий агент в виде частиц типа «ядро-оболочка», минеральный наполнитель, поверхностно-активное вещество, пигмент и воду. Частицы типа «ядро-оболочка» диаметром 1-100 мкм содержат ядро из органического фазово-переходного компонента и оболочку толщиной 0,1-0,5 мкм из полиуретана. Изобретение обеспечивает создание теплоаккумулирующего покрытия, обладающего активными терморегулирующими свойствами. 1 табл., 3 пр.

Состав теплоаккумулирующего покрытия, содержащий полимерное связующее, теплоаккумулирующий агент в виде частиц типа «ядро-оболочка» диаметром 1-100 мкм, с толщиной полиуретановой оболочки 0,1-0,5 мкм и ядром из органического фазово-переходного компонента, минеральный наполнитель, поверхностно-активное вещество, пигмент и воду при следующем соотношении компонентов, % масс.:

- полимерное связующее - 2,0-30,0;

- теплоаккумулирующий агент в виде частиц типа «ядро-оболочка» диаметром 1-100 мкм, с толщиной полиуретановой оболочки 0,1-0,5 мкм и ядром из органического фазово-переходного компонента - 10,0-35,0;

- минеральный наполнитель - 1,0-10,0;

- поверхностно-активное вещество - 1,0-3,0;

- пигмент - 0-2,0;

- вода - остальное, до 100.