Терморегулирующее покрытие

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к покрытиям пассивной терморегуляции класса «истинный поглотитель». Терморегулирующее покрытие (ТРП) в конструкциях космических аппаратов применяется на поверхности оптических приборов, систем наблюдения, радиаторов активных систем. Терморегулирующее покрытие выполнено из композиции, содержащей в качестве связующего раствор смолы амидосодержащей акриловой в смеси растворителе ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1, в качестве наполнителей - черный термостойкий пигмент, карбонильный никель и дополнительно наночастицы оксида железа. Техническим результатом изобретения является улучшение оптических коэффициентов ТРП и получение терморегулирующего покрытия класса «истинный поглотитель» с адгезией по требованиям ГОСТ 15140 1 балл. 1 табл., 6 пр.

 

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к покрытиям пассивной терморегуляции класса «истинный поглотитель». Терморегулирующее покрытие (ТРП) в конструкциях космических аппаратов применяется на поверхности оптических приборов, систем наблюдения, радиаторов активных систем.

Терморегулирующее покрытие должно сохранять или незначительно изменять в прогнозируемом диапазоне свои служебные характеристики в течение срока активного существования в космическом пространстве. Коэффициент поглощения солнечного излучения α_s при эксплуатации КА особенно на радиационно-опасных орбитах - геостационарной (ГСО) и высокоэллиптических (ВЭО), претерпевает существенные изменения. Коэффициент теплового излучения ε у всех классов ТРП подвержен наименьшим изменениям в процессе эксплуатации КА на различных орбитах. Требования к оптическим коэффициентам ТРП класса «истинный поглотитель» (α_s→1, ε→1). Важное требование к терморегулирующим покрытиям - низкое удельное объемное электрическое сопротивление p_v≤10⁶ для КА, орбита которых проходит через радиационные пояса Земли. В последнее время особенно актуален вопрос увеличения адгезии к поверхности КА и сохранение ее на весь срок активного существования аппарата. С развитием космической техники требования к покрытиям класса «истинный поглотитель» ужесточаются, требуются покрытия с более высокими адгезионными свойствами.

Из патентной литературы (см. RU 2216557 C1 C09D 1/02, C04B 28/26) известно терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель», состоящее из силикатного связующего в виде калийкремнекислого раствора (модуль 3,5-4,0) - 40-53 мас.ч, магнетита - 40-53 мас.ч. Недостатком данного терморегулирующего покрытия является невысокий для класса «истинный поглотитель» коэффициент теплового излучения ε=0,90, отсутствие антистатических свойств, адгезия покрытия к подложке не выше 2 баллов в соответствии с требованиям ГОСТ 15140.

Известно терморегулирующее покрытие (патент RU 2315794 C1 C09D 5/24 C09D 133/08), состоящее из акриловой смолы в качестве связующего в количестве 1,0-1,1 мас.ч., в качестве наполнителя черного термостойкого пигмента в количестве 1,86-1,9 мас.ч., карбонильного никеля в количестве 0,30-0,40 мас.ч., сажи - технический углерод 0,03-0,04 мас.ч., смеси ксилола и бутилового спирта в качестве растворителя. Терморегулирующее покрытие на основе этой эмалевой композиции имеет коэффициент поглощения солнечного излучения α_s=0,95, коэффициент теплового излучения ε=0,92, удельное объемное электрическое сопротивление p_v≤7*10³ Ом·м, но не обладает высокой адгезией к поверхности.

Задачей предлагаемого изобретения является получение терморегулирующего покрытия класса «истинный поглотитель» с адгезией 1 балл согласно требованиям ГОСТ 15140.

Ожидаемый технический результат - улучшение оптических коэффициентов ТРП.

Эта задача решается за счет того, что терморегулирующее покрытие, выполненное из композиции, содержащей в качестве связующего раствор смолы амидосодержащей акриловой в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1, в качестве наполнителей - черный термостойкий пигмент, карбонильный никель, при этом дополнительно содержит наночастицы оксида железа при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

смола амидосодержащая акриловая	1,0-1,1
черный термостойкий пигмент	1,86-1,90
карбонильный никель	0,30-0,40
наночастицы оксида железа	0,0001-0,001
смесь ксилола и бутилового спирта	до рабочей вязкости

Количественную оценку значения величины адгезии позволяет получить метод отрыва по ОСТ 92-1476-78, позволяющий проводить испытания на любой поверхности и оценить природу разрушения покрытия.

Предлагаемое терморегулирующее покрытие получают следующим образом:

I. Подбор рецептуры, куда входят следующие ингредиенты.

1. Связующее - смола амидосодержащая акриловая, продукт сополимеризации метакриламида с бутилметакрилатом. Для растворения акриловых смол применяют сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды.

2. Наполнители:

- черный термостойкий пигмент (содержащий оксиды железа, меди, марганца) состава FeO·CuO·MnO в соотношении оксидов (в условном пересчете на MeO), равном 1,0:(0,7÷1,0):(0,6÷1,0), марки «Антрацит» по ТУ 2123-339-00209792;

- карбонильный никель с содержанием никеля 99,5-99,9% марки УТ-3 по ГОСТ 9722,

- наночастицы оксида железа размером 10-85 нм.

3. Растворитель - смесь ксилола по ТУ 2631-010-00207787 и бутилового спирта по ГОСТ 6006 в соотношении 4:1.

Соотношение компонентов в рецептуре эмалевой композиции, мас.ч.:

смола амидосодержащая акриловая	1,0-1,1
черный термостойкий пигмент	1,86-1,90
карбонильный никель	0,30-0,40
наночастицы оксида железа	0,0001-0,001
смесь ксилола и бутилового спирта	до рабочей вязкости

II. Изготовление эмалевой композиции проводится в две стадии.

1. Изготовление раствора смолы с наночастицами оксида железа. Наночастицы оксида железа вводятся в раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 с помощью ультразвукового диспергатора. Ультразвуковое диспергирование происходит за счет кавитации и взаимного трения быстродвижущихся частиц, дисперсность частиц увеличивается на несколько порядков по сравнению с традиционным механическим перемешиванием и обеспечивает получение материалов сверхтонкой дисперсности (1 мкм и менее). Высокие энергетические нагрузки на измельчаемый материал приводят к интенсивному взаимодействию образующихся наночастиц со средой диспергирования, позволяет провести равномерное распределение наночастиц по объему.

2. Дальнейшее приготовление эмалевой композиции проводится в бисерной мельнице. В рабочий стакан бисерной мельницы последовательно загружаются компоненты согласно рецептуре, после чего включается мешалка. Содержимое диспергируется до достижения степени перетира 35-40 мкм по прибору «Клин». Содержимое выгружается с одновременной фильтрацией.

III. Терморегулирующее покрытие получают нанесением эмалевой композиции методом пневматического распыления с рабочей вязкостью 14-16 с по вискозиметру ВЗ-246 (сопло ⌀ 4 мм). До рабочей вязкости композиция доводится смесью ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1.

Покрытие наносится на подложку методом пневматического распыления тонкими равномерными слоями. Сушка покрытия проводится при температуре 20±2°C в течение 48 часов. Толщина покрытия 60-80 мкм. Покрытие ровное, черное, матовое без посторонних включений.

Пример 1

Вводятся наночастицы оксида железа в прозрачный раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 в количестве 0,00009 мас.ч., перемешиваются на ультразвуковом диспергаторе. В дальнейшем изготавливаем эмалевую композицию в бисерной мельнице согласно основной рецептуре: раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 в количестве 1,0-1,1 мас.ч., черный термостойкий пигмент в количестве 1,86-1,90 мас.ч., карбонильный никель в количестве 0,3-0,4 мас.ч. Адгезия покрытия по ГОСТ 15140-2 балла (метод 4) по ОСТ 92-1476-78 - 14 МПа, свойства покрытия не изменились. Коэффициент поглощения солнечного излучения α_s=0,97, коэффициент теплового излучения ε=0,94, удельное объемное электрическое сопротивление p_v=4,5·10² Ом·м.

Пример 2

Вводятся наночастицы оксида железа в прозрачный раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 в количестве 0,0012 мас.ч., перемешиваются на ультразвуковом диспергаторе. Частицы расходятся неравномерно, наблюдается осадок. Эмалевая композиция не изготавливалась.

Пример 3

Вводятся наночастицы оксида железа в прозрачный раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 в количестве 0,001 мас.ч., перемешиваются на ультразвуковом диспергаторе. В дальнейшем изготавливаем эмалевую композицию в бисерной мельнице согласно основной рецептуре, см. пример 1. Покрытие наносится по выбранным режимам. Адгезия терморегулирующего покрытия по ГОСТ 15140 - 1 балл (метод 4), по ОСТ 92-1476-78 - 22 МПа. Коэффициент поглощения солнечного излучения α_s=0,973, коэффициент теплового излучения ε=0,94, удельное объемное электрическое сопротивление p_v=3,4·10² Ом·м.

Пример 4

Вводятся наночастицы оксида железа в прозрачный раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 в количестве 0,0001 мас.ч., перемешиваются на ультразвуковом диспергаторе. В дальнейшем изготавливаем эмалевую композицию в бисерной мельнице согласно основной рецептуре, см. пример 1. Покрытие наносится по выбранным режимам. Адгезия покрытия по ГОСТ 15140 - 1 балл (метод 4) по ОСТ 92-1476-78 - 20 МПа. Коэффициент поглощения солнечного излучения α_s=0,971, коэффициент теплового излучения ε=0,94, удельное объемное электрическое сопротивление p_v=7,4·10² Ом·м.

Пример 5

Вводятся наночастицы оксида железа в прозрачный раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1 в количестве 0,0008 мас.ч., перемешиваются на ультразвуковом диспергаторе. В дальнейшем изготавливаем эмалевую композицию в бисерной мельнице согласно основной рецептуре, см. пример 1. Покрытие наносится по выбранным режимам. Адгезия по ГОСТ 151401 - 1 балл (метод 4) по ОСТ 92-1476-78 - 24 МПа. Коэффициент поглощения солнечного излучения α_s=0,972, коэффициент теплового излучения ε=0,94, удельное объемное электрическое сопротивление p_v=5,2·10² Ом·м.

Пример 6

Изготовлен раствор смолы амидосодержащей акриловой АС в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 3:1. Полученный раствор мутный, не обеспечивающий требуемых оптических свойств покрытию. Частицы в раствор не вводились, покрытие не изготавливалось.

В результате проводимых испытаний было выявлено, что терморегулирующее покрытие имеет:

адгезию, равную 1 балл, или 24 МПа,

увеличение оптических коэффициентов - коэффициент поглощения солнечного излучения α_s≥0,97, коэффициент теплового излучения ε≥0,94,

при этом обладает лучшими электропроводными свойствами - удельное объемное электрическое сопротивление p_v<10³ Ом·м.

Таким образом, предлагаемое терморегулирующее покрытие превосходит прототип по всем основным показателям (адгезия, оптические коэффициенты и электрофизические свойства), см. таблицу.

Параметры терморегулирующего покрытия	Предлагаемый состав	прототип
Коэффициент поглощения солнечного излучения, αs	0,97	0,95
Коэффициент теплового излучения, ε	0,94	0,92
Удельное объемное электрическое сопротивление, pv, Ом·м	≤103	≤7·103
Адгезия по ГОСТ 15140, балл	1	2
Адгезия по ОСТ 92-1476-78, МПа	20-24	14

Терморегулирующее покрытие, выполненное из композиции, содержащей в качестве связующего раствор смолы амидосодержащей акриловой в смеси растворителей ксилола и бутилового спирта в соотношении 4:1, в качестве наполнителей - черный термостойкий пигмент, карбонильный никель, отличается тем, что дополнительно содержит наночастицы оксида железа при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

смола амидосодержащая акриловая	1,0-1,1
черный термостойкий пигмент	1,86-1,90
карбонильный никель	0,30-0,40
наночастицы оксида железа	0,0001-0,001
смесь ксилола и бутилового спирта	до рабочей вязкости