Композиционный материал, поглощающий излучение в ближней ик области спектра


 


Владельцы патента RU 2561123:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к композиционным материалам, поглощающим инфракрасное излучение в ближней инфракрасной области, и может быть использовано, например, в оптических фильтрах и специальных панелях сложной формы. Композиционный материал включает переплетенные базальтовые волокна с диаметром от 70 до 200 мкм в количестве от 40 до 60 массовых процентов, пропитанные термопластичным полимером полифениленсульфидом (остальное). Изобретение приводит к увеличению поглощения излучения во всем диапазоне ближней ИК области спектра при одновременном повышении прочности материала. 5 пр.

 

Изобретение относится к композиционным материалам, поглощающим инфракрасное излучение, и может быть использовано для избирательного поглощения излучения в ближней инфракрасной области оптического спектра в оптических фильтрах и специальных панелях сложной формы, поглощающих ИК-излучение.

В настоящее время применение таких композиционных материалов (композитов) актуально для значительного снижения подводимого к зданиям и сооружениям тепла. Кроме того, в случае необходимости такие материалы могут применяться в качестве фильтров, блокирующих ИК часть солнечного излучения.

Известен аналог (патент US 8221657, B32B 27/00; B32B 27/18, Near infrared absorbing phthalocyanines and their use), полимерный композит, поглощающий в ближней ИК области, выполненный в виде пленки толщиной менее 10 мм, который содержит от 0.01 до 10 массовых процентов одного из фталоцианинов в качестве агента, поглощающего в ближней ИК области, и прозрачный термопластичный или термореактивный полимер (остальное по массе).

Материал поглощает от 69 до 86 процентов излучения в ближней ИК области и обладает низкой прочностью (прочность полимеров при растяжении не превышает 70 МПа, ударная вязкость - 10 Дж/см2), что является его недостатками.

Известен также аналог (патент US 8652363, G02B 1/04, NOVEL COMPOUND, NEAR-INFRARED ABSORBER, AND SYNTHETIC RESIN COMPOSITION CONTAINING SAME), поглощающий в ближней ИК области композит, состоящий из прозрачного синтетического полимера и поглощающего борсодержащего соединения, в количестве от 0.001 до 17 массовых процентов борсодержащего соединения, полимер - остальное. Предлагается использовать практически любые полимеры, в том числе термопластичные полимеры, как один из примеров, полифениленсульфид. Материал обеспечивает интенсивное поглощение в ближней ИК области.

Недостатком этого композита является узкая полоса поглощения, обеспечивающая высокую величину поглощения (98%) только в максимуме на длине волны 814 нм и в интервале длин волн (750-850) нм. В более длинноволновой и коротковолновой областях интенсивность поглощения резко спадает до 20%. Кроме того, материал не обладает достаточно высокой прочностью (прочность полимеров при растяжении не превышает 70 МПа, ударная вязкость - 10 Дж/см2), что также является его недостатком.

Прототипом предлагаемого изобретения является композиционный полимерный материал, поглощающий в ближней ИК области (патент US 5354514, G02B 5/22, F21V 9/04, Near infrared absorbing composition and material and product containing same), изготавливаемый в виде пленки или листа на основе прозрачного термопластичного полимера (полиметакрилата, поликарбоната, полиэтилена, винилхлорида и т.д.), органического производного тиомочевины и соединения меди, которые совместно расплавляют, получая пластик, поглощающий во всем ближнем ИК диапазоне (700-1100) нм.

Материал поглощает от 70 до 90% излучения в ближней ИК области и обладает низкой прочностью (прочность при растяжении поликарбоната составляет 70 МПа, полиэтилена и других полимеров - менее 70 МПА), что является его недостатками.

Предлагаемый композиционный материал решает задачу увеличения поглощения излучения во всем диапазоне ближней ИК области спектра при одновременном повышении прочности.

Указанная задача решается композиционным материалом, поглощающим излучение в ближней ИК области спектра, включающим переплетенные базальтовые волокна с диаметром от 70 до 200 мкм, пропитанные термопластичным полимером - полифениленсульфидом, при этом базальтовые волокна составляют количество от 40 до 60 массовых процентов, а полимер - остальное.

Новым в предлагаемом композиционном материале является использование переплетенных базальтовых волокон с определенным диаметром из диапазона (70-200) мкм, в сочетании с термопластичным полимером - полифениленсульфидом (ПФС), взятыми в определенных массовых количествах.

Предлагаемый материал, также как и прототип, может быть выполнен, в основном, в виде пленки или листа на основе термопластичного полимера. Однако в отличие от прототипа, в котором поглощение обеспечивается низкомолекулярными добавками в прозрачный полимер, в предлагаемом материале поглощение обеспечивается всем композитным материалом в результате совместного взаимодействия термопластичного полимера с базальтовыми волокнами.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Как выявили авторы, при изготовлении композита (пропитке), включающего базальтовые переплетенные волокна (ткань) и термопластичный полимер - полифениленсульфид (ПФС), при температуре плавления полимера происходит взаимодействие окислов алюминия, железа и магния, входящих в состав базальта, с расплавом полифениленсульфида, что обуславливает появление в полифениленсульфиде свободных электронов проводимости и приводит к появлению в его спектре широкой полосы переноса заряда катионрадикального центра в диапазоне (700-1100) нм, что значительно увеличивает поглощение излучения во всей ближней ИК области спектра.

Базальтовые волокна, выступающие также в качестве армирующей добавки в композите на основе термопластичного полимера, полифениленсульфида, позволяют достичь высоких конструкционных качеств. Базальт представляет собой стеклообразный материал состава (по массе): 50% SiO2, 15% Al2O3, 20% окислов железа, 15% окислов магния.

Молекулы полифениленсульфида образуют единую цепь сопряжения из-за наличия неподеленной пары электронов серы, что создает условия для максимального обобществления ff-электронов сопряженных связей. Взаимодействие сопряженной полимерной цепи с окислами алюминия, железа и магния приводит к процессу легирования полифениленсульфида, обеспечивающего формирование донорно-акцепторных комплексов с переносом заряда. Перераспределение электронной плотности при образовании комплекса приводит к появлению интенсивного широкополосного поглощения композита в ближней ИК области. Высокая степень делокализации электронов в цепи сопряжения обеспечивает высокое значение коэффициента экстинции, что приводит к поглощению более 95% излучения в области (700-1100) нм.

С технологической и конструкционной точек зрения описанный композиционный материал на основе базальтовой ткани (волокон) и полифениленсульфида термостоек, химически стабилен, имеет высокие диэлектрические параметры, не поглощает воду и обладает высокой прочностью (от 12 до 20 Дж/м2) при малом весе. Поскольку заявляемый композиционный материал изготавливают путем пропитки базальтовой ткани расплавом термопластичного полимера полифениленсульфида, ему можно придавать форму и плоского листа, и сложной поверхности.

Эксперименты показали, что при диаметре базальтовых волокон <70 мкм снижается поглощение и прочность композита (в результате снижения толщины материала). При диаметре >200 мкм ухудшается эффективность пропитки базальтовых волокон, что приводит к нарушению необходимого соотношения между концентрацией полифениленсульфида и концентрацией окислов металлов, в результате чего происходит снижение оптического поглощения. Кроме того, снижается пластичность и увеличивается вес композита.

При содержании базальтовой ткани (волокон) <40% снижается концентрация окислов металлов и нарушается необходимое соотношение между концентрацией полифениленсульфида и концентрацией окислов металлов, в результате чего происходит легирование лишь части полифениленсульфида, что приводит к снижению оптического поглощения. Кроме того, при содержании базальтовой ткани <40% содержание ПФС составляет >60%, что снижает прочность композита. При содержании базальтовой ткани >60% содержание ПФС составляет <40%, что также нарушает соотношение между концентрацией полифениленсульфида и концентрацией окислов металлов, что приводит к снижению оптического поглощения. Кроме того, при концентрации полифениленсульфида <40% прочность композита также снижается.

Предлагаемый композиционный материал может быть получен несколькими способами, например формованием (патент US 5354514, Near infrared absorbing composition and material and product containing same) или пропиткой (патент РФ №2376327. «Антифрикционный композиционный материал»).

Пример 1

Образец композита, включающий базальтовую ткань с диаметром нитей 100 мкм в количестве 45 массовых % и термопластичный полимер полифениленсульфид в количестве 55 массовых %, был получен аналогично одному из известных способов создания композиционного материала с полимером (Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / Под ред. Берлина А.А. СПб: Профессия, 2009) путем пропитки базальтовой ткани расплавом полифениленсульфида при температуре 270°C. Гранулы полифениленсульфида расплавлялись в дозаторе, термостатируемом при температуре 250°C, откуда расплав наносился на базальтовую ткань, находящуюся на стальной пластине, нагретой до 270°C, после чего формируемый образец композита сверху прижимался второй стальной пластиной, нагретой до 270°C, что обеспечивало эффективную двухстороннюю пропитку базальтовой ткани расплавом полифениленсульфида. В результате формировался образец композита толщиной 120 мкм.

В процессе эффективного взаимодействия при температуре 270°C молекул полифениленсульфида с окислами алюминия, железа и магния, входящими в состав базальта, происходило легирование полифениленсульфида, что обуславливало появление в полифениленсульфиде свободных электронов проводимости. Эти свободные электроны принимали участие в формировании катионрадикального центра, обуславливающего появление в спектре поглощения композита широкой полосы переноса заряда в диапазоне (700-1200) нм и, тем самым, увеличение степени поглощения излучения в ближней ИК области спектра.

Измерения спектров пропускания образца в области (700-1200) нм проводились на автоматическом спектрофотометре Varian Cary-50 по стандартной методике (Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. М., 1982). Спектр пропускания образца композита в ближней ИК области показал, что пропускание (T) во всем спектральном диапазоне одинаково мало и лежит в пределах (0.6-0.8)%. Таким образом, поглощение образца композита в ближней ИК области составляло (100-T)=(99.4-99.2)%. То есть предложенный композит поглощает излучение в ближней ИК области значительно эффективнее прототипа, у которого поглощение составляет (70-90)%.

Кроме того, образец композита характеризуется высокой прочностью, обусловленной тем, что базальтовая ткань является (выполняет функцию) армирующим компонентом материала. Прочность образца композита оценивалась в результате измерения прочности при растяжении по ГОСТ 11262-80 и составляла 150 МПа.

Ударопрочность образца композита оценивалась в результате измерения ударной вязкости разрушения по Изоду (ГОСТ 19109-84). Ударная вязкость разрушения образца композита составила 40 Дж/см2. Очевидно, что и конструкционные характеристики композитного материала превосходят прототип, полимерная основа которого не предусматривает армирования.

Таким образом, создан композит, поглощающий более 95% излучения в ближней ИК области спектра (700-1100) нм, обладающий высокими конструкционными свойствами.

Пример 2

Образец композита толщиной 100 мкм, включающий базальтовую ткань с диаметром нитей 100 мкм в количестве 30 массовых % и термопластичный полимер полифениленсульфид в количестве 70 массовых %, также был получен путем пропитки базальтовой ткани расплавом полифениленсульфида при температуре 270°C с применением той же методики, как в примере 1.

Спектр пропускания образца композита, измеренный в ближней ИК области на автоматическом спектрофотометре Varian Cary-50 по стандартной методике, показал, что пропускание (T) находится в пределах (40.6-43.8)%. Таким образом, поглощение образца композита в ближней ИК области составляло всего (59.4-56.2)%, что обусловлено нарушением соотношения между концентрацией полифениленсульфида и концентрацией окислов металлов, в результате чего происходит легирование лишь части полифениленсульфида, что приводит к снижению оптического поглощения.

Прочность при растяжении образца композита, измеренная по стандартной методике, равна 70 МПа, ударная вязкость разрушения по Изоду равна 8 Дж/см2.

Пример 3

Образец композита толщиной 100 мкм, включающий базальтовую ткань с диаметром нитей 100 мкм в количестве 70 массовых % и термопластичный полимер полифениленсульфид в количестве 30 массовых %, также получен путем пропитки базальтовой ткани расплавом полифениленсульфида при температуре 270°C с применением той же методики, что и в примере 1.

Спектр пропускания образца композита, измеренный в ближней ИК области на автоматическом спектрофотометре Varian Cary-50 по стандартной методике, показал, что пропускание (T) находится в пределах (35.5-38.0)%. Таким образом, поглощение образца композита в ближней ИК области составляло всего (64.5-62.0)%, что обусловлено нарушением соотношения между концентрацией полифениленсульфида и концентрацией окислов металлов, в результате чего происходит легирование лишь части полифениленсульфида, что приводит к снижению оптического поглощения.

Прочность при растяжении образца композита, измеренная по стандартной методике, равна 80 МПа, ударная вязкость разрушения по Изоду равна 12 Дж/см2.

Пример 4

Образец композита толщиной 50 мкм, включающий базальтовую ткань с диаметром нитей 50 мкм в количестве 45 массовых % и термопластичный полимер полифениленсульфид в количестве 55 массовых %, также был получен путем пропитки базальтовой ткани расплавом полифениленсульфида при температуре 270°C с применением той же методики, что в примере 1.

Спектр пропускания образца композита, измеренный в ближней ИК области на автоматическом спектрофотометре Varian Cary-50 по стандартной методике, показал, что пропускание (T) находится в пределах (35.6-39.2)%. Таким образом, поглощение образца композита в ближней ИК области составляло (64.4-60.8)%, что обусловлено нарушением соотношения между концентрацией полифениленсульфида и концентрацией окислов металлов, в результате чего происходит легирование лишь части полифениленсульфида, что приводит к снижению оптического поглощения.

Прочность при растяжении образца композита, измеренная по стандартной методике, равна 80 МПа, ударная вязкость разрушения по Изоду равна 12 Дж/см2.

Пример 5

Образец композита толщиной 250 мкм, включающий базальтовую ткань с диаметром нитей 250 мкм в количестве 45 массовых % и термопластичный полимер полифениленсульфид в количестве 55 массовых %, также был получен путем пропитки базальтовой ткани расплавом полифениленсульфида при температуре 270°C с применением той же методики.

Спектр пропускания образца композита, измеренный в ближней ИК области на автоматическом спектрофотометре Varian Cary-50 по стандартной методике, показал, что пропускание (T) находится в пределах (34.5-38.6%)%. Таким образом, поглощение образца композита в ближней ИК области составляло (65.5-61.4)%, что обусловлено недостаточной пропиткой базальтовой ткани полимером, приводящей к нарушению соотношения между концентрацией полифениленсульфида и концентрацией окислов металлов, в результате чего происходит легирование лишь части полифениленсульфида, что приводит к снижению оптического поглощения.

Прочность при растяжении образца композита, измеренная по стандартной методике, равна 150 МПа, ударная вязкость разрушения по Изоду равна 8 Дж/см2.

Таким образом, при условиях, соответствующих формуле предлагаемого изобретения, создан композиционный материал, поглощающий практически все излучение во всей ближней ИК области и обладающий высокими прочностными характеристиками.

Композиционный материал, поглощающий излучение в ближней ИК области спектра, включающий переплетенные базальтовые волокна с диаметром от 70 до 200 мкм, пропитанные термопластичным полимером полифениленсульфидом, при этом базальтовые волокна составляют количество от 40 до 60 массовых процентов, а полимер - остальное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к широкополосным радиопоглощающим покрытиям. Технический результат - снижение коэффициента отражения электромагнитной падающей волны в широкой полосе частот.

Изобретение относится к материалам, поглощающим электромагнитные волны, и может найти применение для повышения скрытности и уменьшения вероятности обнаружения радиолокаторами объектов и оборудования наземной, авиационной и космической техники.

Изобретение относится к области защиты от электромагнитных излучений (ЭМИ) и может быть использовано для защиты средств электронно-вычислительной техники (СЭВТ) объектов инфокоммуникационных систем от воздействий внешних и побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) СЭВТ.

Заявлен ферритовый материал с малыми диэлектрическими потерями и высокими значениями остаточной магнитной индукции. Ферритовый материал получен из смеси порошков, содержащей Fe2O3, Li2CO3, MnCO3, Bi2O3, ZnO, CdO, SnO2, TiO2 при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид железа 71,39±0,1, карбонат лития 5,61±0,1, оксид цинка 8,58±0,1, оксид кадмия 5,41±0,1, оксид олова 3,18±0,1, оксид титана 0,69±0,03, карбонат марганца 4,84±0,1, оксид висмута 0,3±0,03.

Изобретение относится к области радиотехники, касается вопроса применения полимерных композитов в составе устройства для снижения радиолокационной заметности и решает задачу оптимизации конструкции по радиопоглощающим свойствам.

Изобретение относится к области защиты окружающей среды от электромагнитного фона. Технический результат - повышение эффективности нейтрализации электромагнитного фона.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к поглотителям электромагнитных волн, используемых в конструкциях антенн для оптимизации их радиотехнических характеристик, устранения резонансных явлений и уменьшения паразитных отражений от проводящих объектов, расположенных вблизи антенн.
Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к составу углеродсодержащей композиции для получения радиозащитных материалов. Композиция содержит 5-16 мас.% ультрадисперсного активного углерода со средним размером частиц 5-100 нм и удельной поверхностью 16-320 м2/г, диспергатор в виде водного раствора натриевого стекла и стабилизатор в виде насыщенного раствора лингосульфоната аммония.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к поглотителям электромагнитных волн, и может быть использовано при оснащении безэховых камер и экранированных помещений.
Изобретение относится к области изготовления объемных поглотителей СВЧ-энергии из высокотемпературного поглощающего материала, применяемых в высокочастотных трактах радиоэлектронной аппаратуры.

Плоская линза из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей изготовлена из заготовки, полученной путем высокотемпературной пластической деформации пластинки из Z-среза кристалла Al2O3, ось симметрии которой совпадает с направлением оси симметрии пуансона, имеющего рабочую поверхность в сечении, описываемую полиномом четвертой степени y=ΣKаkxk, где y, х - координаты сечения с центром на оси симметрии, аk - коэффициенты, характеризующие фокусное расстояние и толщину линзы, при k=1…4.

Изобретение относится к прозрачным силикон-гидрогелям. Предложен силикон-гидрогель, полученный полимеризацией смеси мономеров, содержащей (a) 30-98% вес.

Изобретение относится к фокусирующей лазерный луч головке для лазерной резки, способу и установке лазерной резки металлической детали. Фокусирующая головка содержит коллимирующую линзу (13) и фокусирующую линзу (14).

Изобретение относится к области оптических нанотехнологий, оптического приборостроения, ракетной, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, полезно для дисплейной, телевизионной и медицинской техники.

Изобретение относится к способу образования прозрачного легированного слоя, содержащего оксид цинка, на полимерной подложке для оптоэлектронных устройств и прозрачному легированному слою.

Группа изобретений относится к полимеризационноспособной фотохромной изоцианатной композиции, содержащей фотохромное соединение, к фотохромному сетчатому оптическому материалу и к способу его получения.

Изобретение может быть использовано в оптических системах оптических, оптоэлектронных и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров.
Изобретение относится к улучшенному способу получения заготовок из галогенидов серебра и их твердых растворов для волоконных инфракрасных световодов, включающему нанесение на кристалл-сердцевину из галогенида серебра кристаллической оболочки из кристаллического галогенида серебра с показателем преломления, меньшим, чем у кристалла-сердцевины, и термическую обработку.

Изобретение может использоваться в многослойных комбинированных покрытиях зеркальных космических антенн с рефлекторами из полимерного композиционного материала - углепластика.

Изобретение относится к монокристаллу со структурой типа граната, который может быть использован в оптической связи и устройствах для лазерной обработки. Данный монокристалл представлен общей формулой (Tb3-xScx)(Sc2-yAly)Al3O12-z, где 0<x<0,1; 0≤y≤0,2; 0≤z≤0,3, является прозрачным и способен ингибировать образование трещин в процессе резки.

Изобретение относится к области светотехники и интегральной оптики, связанной с созданием инфракрасных светофильтров отрезающего и полосового типа, поглощающих видимое излучение и пропускающих коротковолновое и длинноволновое ближнее инфракрасное излучение и предназначенных для защиты инфракрасных датчиков видеоконтрольных устройств и приборов ночного видения от паразитных помех, связанных с воздействием света видимого диапазона, а также для использования в оптических системах контроля подлинности документов, в системах охранной и пожарной сигнализации, в том числе в системах контроля и разграничения доступа и охраны периметра объектов, в видеодомофонах, видеоглазках и подобных устройствах.
Наверх