Теплозащитный материал
Владельцы патента RU 2637932:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к теплозащитному материалу на основе этиленпропилендиенового каучука, который может использоваться в авиа- и ракетостроении. Теплозащитный материал содержит этиленпропилендиеновый каучук СКЭПТ-40, вулканизующие агенты серу и тиурам Д, ускоритель вулканизации 2-меркаптобензотиазол, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, технический углерод, модифицирующую добавку, представляющую собой фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА, и микроуглеродные волокна. Причем модифицирующая добавка предварительно нанесена на микроуглеродные волокна МУВ, посредством их термостатирования при 80°C в 5 мас.% растворе фосфорборазотсодержащего олигомера в ацетоне. Полученный теплозащитный материал обладает повышенной прочностью и увеличенной длительностью теплозащитной эффективности. 2 табл.
Изобретение относится к теплозащитным материалам на основе этиленпропилендиеновых каучуков, которые могут использоваться в авиа- и ракетостроении.
Известен теплозащитный материал АР-998 (ТУ 38.1051211-83), который представляет собой композицию, включающую армирующий теплостойкий наполнитель из асбестовой ткани с двухсторонней обкладкой резиновой смесью на основе синтетического этиленпропилендиенового каучука.
Существенным недостатком этого материала является то, что асбестовая ткань обладает более высоким коэффициентом теплопроводности, чем резиновая смесь, что в свою очередь приводит к увеличению скорости прогрева теплозащитного материала и, как следствие, снижению его теплозащитных характеристик.
Известен теплозащитный материал (Пат. 2404209 РФ, МПК C08L 23/16, В32В 25/10, F16L 59/00, F02K 9/34, - 20.11.2010), выполненный из сформированного слоя арамидного волокна нетканой структуры, проложенного между двумя слоями резиновой смеси марки 51-2110 (ТУ 38.10551177-88) на основе этиленпропилендиенового каучука с последующей вулканизацией в составе изделия.
Недостатком данного теплозащитного материала является то, что в процессе его работы происходит разрушение резинового слоя и унос вещества с поверхности теплозащитного материала, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости прогрева теплозащитного материала, снижению его теплозащитных характеристик и уменьшению ресурса работоспособности изделия или узла в целом.
Известен теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука (Пат. 2486215 РФ, МПК C08L 23/16, 27.06.2013), включающий вулканизующую группу, наполнитель и технологические добавки, дополнительно содержит модифицирующую добавку поливинилиденхлорид или адамантан.
Недостатком данного теплозащитного материала является то, что он не обеспечивает снижение скорости прогрева теплозащитного материала на основе этиленпропилендиенового каучука.
Наиболее близким является теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука СКЭПТ-50, содержащий вулканизующие агенты - серу, дитиодиморфолин, тиурам Д, ускоритель вулканизации 2-меркаптобензотиазол, включая производное бензотиазола, активаторы вулканизации - оксид цинка и стеарин, наполнитель - белую сажу БС-120, технологическую добавку технический углерод П-324 и модифицирующую добавку фосфорборазотсодежащий олигомер, полученный путем взаимодействия бората метилфосфита, эпоксидной смолы ЭД-20 и анилина (Пат. 2600063 РФ, МПК C08L 23/16, C08L 63/00, С08К 3/38, 20.10.2016).
Недостатком данного теплозащитного материала является то, что он не обеспечивает длительного теплозащитного эффекта и имеет невысокие прочностные характеристики.
Задачей предлагаемого изобретения является получение теплозащитных материалов с высокими прочностными характеристиками.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочности теплозащитного материала и увеличение длительности теплозащитной эффективности.
Технический результат достигается тем, что теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука содержит вулканизующие агенты серу и тиурам Д, ускоритель вулканизации 2-меркаптобензотиазол, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, технический углерод и модифицирующую добавку фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА, при этом в качестве этиленпропилендиенового каучука содержит СКЭПТ-40, а фосфорборазотсодержащий олигомер используют предварительно нанесенный на микроуглеродные волокна МУВ, посредством их термостатирования при 80°C в 5 масс. % растворе фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА в ацетоне, при следующем соотношении компонентов, масс. ч.: каучук СКЭПТ-40 100,0; сера 2,0; тиурам Д 0,5; 2-меркаптобензотиазол (каптакс) 1,5; оксид цинка 3,0; стеарин 2,0; технический углерод П-234 40,0; микроуглеродные волокна МУВ 5,0-20,0; фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА 3,0.
В предлагаемом теплозащитном материале используют следующие компоненты:
Этиленпропилендиеновый каучук СКЭПТ-40, содержащий в качестве диенового сомономера дициклопентадиен (ТУ 2294-022-05766801-2002).
Вулканизующая группа, включающая:
вулканизующие агенты - сера (ГОСТ 127-76), тиурам Д (ТУ 6-14-943-79);
ускоритель вулканизации - каптакс (2-меркаптобензотиазол) (ТУ 113-00-05761631-23-91);
активаторы вулканизации - оксид цинка (ГОСТ 202-84), стеарин (ГОСТ 6484-96).
Технический углерод П-234 (ГОСТ 7885-86) используется в составе теплозащитного материала в качестве наполнителя.
В качестве модифицирующей добавки используется фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА, предварительно нанесенный на поверхность микроуглеродных волокон МУВ.
Нанесение фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА осуществляют из 5 масс. % раствора фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА в ацетоне, путем термостатирования микроуглеродных волокон МУВ в данном растворе при 80°C до постоянной массы.
Использование в качестве модифицирующей добавки фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА, предварительно нанесенного на поверхность микроуглеродных волокон МУВ, придает теплозащитному материалу на основе этиленпропилендиенового каучука повышенную теплостойкость. Образование на поверхности волокон пленки из фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА препятствует деструкции теплозащитного материала при воздействии высокой температуры за счет образования на поверхности более прочного защитного коксового слоя, а также за счет ингибирования радикально-цепных процессов окисления непосредственно в зоне коксообразования. Указанное также способствует увеличению пенококса, который выполняет теплозащитную функцию, препятствует прогреву и деструкции материала.
Кроме этого, армирование эластомерной матрицы приводит к повышению прочности теплозащитного материала.
Заявленные количества фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА и микроуглеродных волокон МУВ в сочетании с используемыми ускорителями вулканизации и остальными компонентами резиновой смеси позволяют получить теплозащитный материал, обладающий повышенными теплозащитными характеристиками и прочностью.
Пример
Обработка волокон проводилось следующим образом.
Навеску фосфорборазотсодержащего олигомера в количестве 3,0 масс. % от массы каучука растворяли при периодическом перемешивании в соответствующем количестве ацетона для образования 5 масс. % раствора.
В полученный 5 масс. % раствор фосфорборазотсодержащего олигомера в ацетоне добавляли навеску микроуглеродных волокон в количестве масс. 5,0-20,0% от массы каучука (в соответствии с рецептурой) и перемешивали в течение 5 минут. Затем смесь помещали в термостат при 80°C и сушили до постоянной массы.
Резиновую смесь готовили на вальцах при температуре валков 65-70°C.
Продолжительность смешения 25 минут. Затем проводили вулканизацию резиновой смеси при температуре 155°C в течение 45 минут. Полученные образцы подвергли необходимым испытаниям.
В таблице 1 приведены составы приготовленных смесей и прототипа.
Оценка длительности теплозащитной эффективности образцов теплозащитного материала на основе этиленпропилендиенового каучука при высокотемпературном нагреве проводилась на образцах, изготовленных в виде шайбы диаметром 30 мм и толщиной 6 мм.
Оценка скорости прогрева образцов теплозащитного материала на основе этиленпропилендиенового каучука при высокотемпературном нагреве (теплостойкость) проводилась следующим образом: определялось время прогрева обратной стороны образца, изготовленного в виде шайбы диаметром 30 мм и толщиной 6 мм, до температуры 100°C.
Нагрев образца проводился открытым пламенем газовой горелки (на поверхности создавалась температура 1200°C). Образец закреплялся в штативе под углом 90° к пламени горелки. Для уменьшения стока тепла и уменьшения погрешности опыта образец по краю изолировался асбестом.
Для измерения температуры на необогреваемой поверхности образца использовался пирометр марки С-300.3 «Фотон» (ГОСТ 28243-96 «Пирометры. Общие технические требования»). Принцип работы пирометра основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света; и контактная хромель-копелевая термопара регулятора «Овен» ТРМ-1.
Для определения коксового числа, предварительно взвешенный образец помещался в муфельную печь на 30 минут при 600°C. Затем образец извлекался, охлаждался при температуре 25°C и снова взвешивался. Коксовое число вычислялось по остаточной массе относительно исходного веса образца.
Теплозащитные свойства предлагаемого теплозащитного материала приведены в табл. 2.
Как видно из представленных данных, предлагаемый теплозащитный материал обладает большей длительностью теплозащитной эффективности и большими показателями прочности.
Таким образом, введение в состав резиновой смеси на основе этиленпропилендиенового каучука СКЭПТ-40 с заявленным составом модифицирующей добавки фосфорборазотсодержащего олигомера, предварительно нанесенного на микроуглеродные волокна МУВ, посредством их термостатирования при 80°C в 5 масс. % растворе фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА в ацетоне приводит к повышению прочности теплозащитного материала и увеличению длительности его теплозащитной эффективности.
Теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука, содержащий вулканизующие агенты серу и тиурам Д, ускоритель вулканизации 2-меркаптобензотиазол, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, технический углерод и модифицирующую добавку фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА, отличающийся тем, что он в качестве этиленпропилендиенового каучука содержит СКЭПТ-40, при этом фосфорборазотсодержащий олигомер предварительно нанесен на микроуглеродные волокна МУВ, посредством их термостатирования при 80°C в 5 мас.% растворе фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА в ацетоне, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Каучук СКЭПТ-40 | 100,0 |
| Сера | 2,0 |
| Тиурам Д | 0,5 |
| 2-Меркаптобензотиазол (каптакс) | 1,5 |
| Оксид цинка | 3,0 |
| Стеарин | 2,0 |
| Технический углерод П-234 | 40,0 |
| Микроуглеродные волокна МУВ | 5,0-20,0 |
| Фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА | 3,0 |
