Композиция для терморегулирующего покрытия класса "солнечные отражатели"

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники и может быть использовано в системе пассивного терморегулирования космических аппаратов для изготовления покрытия холодной сушки класса «солнечные отражатели», которые наносят на внешние поверхности космических аппаратов. Описана композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», содержащая в качестве связующего смолу амидосодержащую акриловую - 9,49-9,54 мас.ч., в качестве наполнителя - монокристаллический тонкодисперсный порошок белого цвета цинк-галлий оксид с расчетной формулой ZnGaO_1+n, где n=0,0064, молекулярная масса равна 81,38 в количестве 52,36-52,49 мас.ч. и в качестве растворителя - смесь ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 в количестве 37,99-38,15 мас.ч, причем соотношение связующего и наполнителя составляет 1:5,5, при этом доля нелетучих веществ составляет 58,0% макс. Технический результат - сохранение высоких оптических характеристик покрытия при длительной эксплуатации космического аппарата. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники и может быть использовано в системе пассивного терморегулирования космических аппаратов (КА) для изготовления покрытия холодной сушки класса «солнечные отражатели», которые наносят на внешние поверхности КА, например на створки солнечных батарей, наружные холодные радиаторы, антенны, а также на поверхности оптических приборов.

Известна принятая за аналог композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели» эмаль АК-512 (см. ГОСТ 23171-78), которая представляет собой композицию при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Смола амидосодержащая акриловая (100%)	10,74
Смола БМК-5 (100%)	0,20
Диоксид титана (TiO2)	25,84
Глинозем (Al2О33Н2О)	17,22
Растворитель (смесь ксилола, ацетона и бутилового спирта в соотношении 30:30:40)	46

Терморегулирующее покрытие класса «солнечные отражатели», изготовленное из приведенной выше композиции, имеет следующие начальные оптические характеристики: As ˜ 0.30, ε ˜ 0.88. Хотя данное покрытие обладает приемлемыми начальными оптическими характеристиками и параметрами газовыделения (газовыделение: общая потеря массы ОПМ ˜ 0.80%, легколетучие конденсирующиеся вещества ЛКВ ˜ 0.03%) в условиях воздействия факторов космического пространства (ФКП), однако известное покрытие не является стойким (происходят значительные изменения коэффициента As) при воздействии ФКП, а также не обеспечивает антистатических свойств, так как является глубоким диэлектриком ρ_v ˜ 10¹¹ Ом·м, что приводит к нарушению стабильности в работе радиоэлектронной аппаратуры, к сбоям и отказам в работе бортовых систем и тем самым уменьшению срока активного существования КА.

Известна принятая за прототип композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», содержащая эластичную полимерную подложку с нанесенным на нее оптическим слоем, выполненным в виде нитевидных или волокнистых кристаллов оксида цинка. Хотя данное покрытие обладает хорошими начальными оптическими характеристиками и является стойким к воздействию ФКП, однако не обеспечивает покрытию антистатических свойств, так как является глубоким диэлектриком (удельное объемное сопротивление ρ_v ˜ 10¹⁰-10¹² Ом·м), и имеет высокие, превышающие ГОСТ (см. ГОСТ Р 50109-92), параметры газовыделения в условиях вакуума (общая потеря массы ОПМ ˜ 3,16%, легколетучие конденсирующиеся вещества ЛКВ ˜ 0.83%), что совершенно неприемлемо при длительной эксплуатации космических кораблей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение электропроводного терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», удовлетворяющего отечественным, европейским и международным требованиям с оптимальным сочетанием всего комплекса параметров, необходимых и достаточных при длительной эксплуатации космического аппарата в условиях воздействия факторов космического пространства.

Ожидаемый технический результат заключается в предотвращении электризации покрытия за счет его антистатических свойств и, как следствие, к более стабильной и эффективной работе радиоэлектронной аппаратуры КА, снижению числа сбоев и отказов в работе бортовых систем, в обеспечении заданного теплового баланса КА путем снижения максимальных температур элементов конструкции изделий космической техники при длительной эксплуатации за счет повышения стойкости к воздействию факторов космического пространства и увеличению срока активного существования КА.

Задача решается тем, что композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», содержащая связующее, наполнитель и растворитель, отличающаяся тем, что в качестве связующего используют смолу, амидосодержащую акриловую, а в качестве наполнителя монокристаллический тонкодисперсный порошок белого цвета цинк-галлий оксид расчетной формулой ZnGaO_1+n, где n=0,0064, молекулярная масса равна 81,38, а в качестве растворителя - смесь ксилола и бутилового спирта при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Смола амидосодержащая акриловая	9,49...9,54,
Цинк-галлий оксид	52,36...52,49,
Смесь ксилола и бутилового спирта	37,99...38,15

При этом соотношение связующего к наполнителю берут равным 1:5,5, а нелетучих веществ в долях составляет 58,0% макс., а смесь ксилола и бутилового спирта используется в соотношении 4:1.

На чертеже представлен график изменения коэффициента поглощения солнечного излучения при облучении образцов протонами с энергией Ер=40 КэВ.

Композиция для терморегулирующего покрытия представляет собой суспензию цинк-галлий оксид (ЦГО) в акриловом сополимере и смеси растворителей. Наполнитель цинк-галлий оксид представляет собой монокристаллический тонкодисперсный порошок белого цвета и является совместным оксидом цинка и галлия (ТУ 2211-012-00209792-96) с расчетной формулой ZnGaO_1+n, где n=0,0064, молекулярная масса равна 81,38. В качестве связующего акрилового сополимера используется смола амидосодержащая акриловая, в качестве растворителя используется смесь ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1. Композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели» представляет собой суспензию при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Смола амидосодержащая акриловая	9,49...9,54
Цинк-галлий оксид	52,36...52,49
Вышеуказанная смесь ксилола и бутилового спирта	37,99...38,15

Наилучшие результаты достигаются при соотношении связующего и наполнителя (акриловой смолы к ЦГО), равном 1:5,5, при этом доля нелетучих веществ составляет 58,0% макс. (содержание наполнителя и сухого остатка смолы. См. табл.1, 3).

Изготовление композиции проводится в шаровой двухвалковой фарфоровой мельнице типа МШД с фарфоровыми шарами со степенью наполнения шарами не менее 60%. Диспергирование проводят до степени перетира 35...40 мкм по прибору «Гриндометр» (ГОСТ 6589-74). Далее для приготовления суспензии берут необходимое количество всех входящих компонентов, загружают в фарфоровый барабан и диспергируют содержимое в течение 4,5-5 часов до вязкости 55±2 с по вискозиметру В3-246 с соплом диаметром 4 мм (ГОСТ 842074). Затем полученную суспензию сливают в чистую тару с одновременной фильтрацией через медицинскую марлю и наносят на подготовленную поверхность с рабочей вязкостью 14-15 с. В качестве смолы амидосодержащей акриловой используется смола AC - продукт сополимеризации метакрилата с бутилметакрилатом в виде порошка. Возможно в качестве смолы амидосодержащей использование и сополимера АСН - раствор сополимера метилакриламида с бутилметакрилатом и акрилонитрилом в смеси ацетона и изопропилового спирта или сополимера С38, как раствора продукта сополимеризации метакриламида с бутилметакрилатом, акрилонитрилом и стиролом в смеси растворителей ацетона, ксилола, бутилацета или бутилового спирта. Соотношение ксилола и бутилового спирта относится как 4:1, т.е. это

30,39+7,60=37,99;

30,52+7,63=38,15.

Способом нанесения композиции для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели» является пневматическое распыление. Установлено, что для получения качественного покрытия рабочее давление сжатого воздуха должно быть в пределах 2,5...3,0·10⁵ Па, а расстояние до окрашиваемой поверхности 30...35 мм. При увеличении давления более 3,0·10⁵ Па наблюдается дробление композиции, увеличение размера факела, его неравномерность и большие потери композиции. Время высыхания при температуре 20±2°С составляет 1,5 часа. Отверждение покрытия производят при температуре 20±2°С в течение 24 часов. После отверждения покрытие имеет белую матовую поверхность без посторонних включений, «шагрени», потеков, что свидетельствует о хорошем розливе материала и получении качественного покрытия.

Кроме того, известно, что для обеспечения требуемых оптических характеристик (As и ε) и электрофизических характеристик ρ_v существенную роль играет толщина наносимого терморегулирующего покрытия, так как необходимо, чтобы покрытие имело такую толщину, которая обеспечила бы оптимальные значения указанных выше характеристик. Оптимальные значения характеристики As, ε, ρ_v с минимальными массовыми характеристиками обеспечиваются при толщине покрытия 80-100 мкм. При этом предлагаемое терморегулирующее покрытие класса «солнечные отражатели» является антистатическим, холодной сушки, с оптимальным сочетанием совокупности всех необходимых и достаточных характеристик: является электропроводным - с удельным объемным сопротивлением ρ_v, ˜ (1.0-5.0)·10⁵ Ом·м; имеет оптимальные параметры газовыделения - общая потеря массы ОПМ≤1%, легколетучие конденсирующиеся вещества ЛКВ≤0,1%; является стойким (см. табл.2) с сохранением высоких оптических характеристик покрытия - коэффициент поглощения солнечного излучения покрытия As<0.3, излучательная способность ε≥0.92 (см. чертеж) в условиях воздействия факторов космического пространства при длительной эксплуатации космического аппарата. Изменение коэффициента поглощения солнечного излучения покрытия при эксплуатации КА в течение года на геостационарной орбите ГСО≤0,1, на орбите околоземного пространства ОКП ˜ 0,01-0,05.

Таким образом, решена задача получения электропроводного терморегулирующего покрытия, удовлетворяющего отечественным, европейским и международным требованиям по параметрам газовыделения с сохранением высоких оптических характеристик покрытия при длительной эксплуатации космического аппарата, при этом оптимально сочетающего в себе весь комплекс свойств, необходимых и достаточных в условиях воздействия факторов космического пространства.

Таблица 1
	№1	№2	№3	№4	№5
Смола амидосодержащая акриловая	9,12	9,49	9,54	9,54	10,60
ЦГО	59,25	52,49	52,47	52,36	42,46
Ксилол	25,32	30,39	30,39	30,52	37,55
Бутиловый спирт	6,31	7,60	7,60	7,63	9,39
Время перетира до степени 35-40 мкм (по ГОСТ 6589-71)	6,5-7,0	4,5	4,5-5,0	5,0	3,5-4,0
ε	0,93	0,92	0,92	0,94	0,91
ρv, Ом·м	(7.5-9.0)·104	1.0·105	(1.0-5.0)·105	(5.0-7.0)·105	8.0·105
Время высыхания (при 20±2°С), ч	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5

Таблица 2
Параметры	Название композиции
предлагаемая	АК-512	КО 5191
Электропроводность	электропровод.	диэлектрик	диэлектрик
Газовыделение	удовл.	удовл.	не удовл
Стойкость ΔAs (ГСО, 1 год)	≤0,1	≥0,3	-

Таблица 3
	№1	№2	№3	№4	№5
Соотношение акриловая смола/ЦГО	1:6,5	1:6,0	1:5,5	1:5,0	1:4,0
Доля нелетучих веществ, % макс. (содержание наполнителя и сухого остатка смолы)	64,5	61,0	58,0	54.3	50,0
Условная вязкость, по ВЗ-246 с соплом ⊘ 4 мм	100	86	55	50	41
Адгезия, балл (ГОСТ 15140-78)	2-3	1-2	1-2	1-2	1
As	0,23	0,24	0,26	0,26	0,28
ε	0,93	0,92	0,92	0,94	0,91
ρv, Ом·м	(7.5-9.0)·104	1.0·105	(1.0-5.0)·105	(5.0-7.0)·105	8.0·105
Время высыхания (при 20±2°С), ч	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5

1. Композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», содержащая связующее, наполнитель и растворитель, отличающаяся тем, что в качестве связующего используют смолу амидосодержащую акриловую, в качестве наполнителя - монокристаллический тонкодисперсный порошок белого цвета цинк-галий оксид с расчетной формулой ZnGaO_1+n, где n=0,0064, молекулярная масса равна 81,38, а в качестве растворителя - смесь ксилола и бутилового спирта при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Смола амидосодержащая акриловая	9,49-9,54
Цинк-галлий оксид	52,36-52,49
Смесь ксилола и бутилового спирта	37,99-38,15

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что соотношение связующего к наполнителю берут равным 1:5,5, при этом доля нелетучих веществ составляет 58,0 мас.%.

3. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что смесь ксилола и бутилового спирта используется в соотношении 4:1.