Композиція для отримання терморегулюючого покриття класу “сонячні відбивачі”

Реферат: Винахід належить до галузі космічного матеріалознавства і оптичної техніки, зокрема до композицій для отримання терморегулюючих покриттів, які можуть бути використані у системах пасивного терморегулювання апаратів як основи для виготовлення покриття класу "сонячні відбивачі", а також для надання поверхням оптичних приборів відповідних тепло-радіаційних характеристик. Для створення композиції було вибрано: стирол-акрилову водну дисперсію, що забезпечує необхідні оптичні властивості покриття композиції, пігмент білого кольору, у даному випадку був використаний двоокис титану, який попередньо модифікований сполуками алюмінію та цирконію, у загальній кількості до 6 %, воду. Також для забезпечення необхідних властивостей покриття, композиція додатково містить диспергатор Оротан 4045, піногасник DAPRO DF 7010, коалесцент Тексанол та загусник Rheolate 420. UA 107861 C2 (12) UA 107861 C2 UA 107861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до галузі космічного матеріалознавства і оптичної техніки, зокрема, до композицій для отримання терморегулюючих покриттів, які можуть бути використані у системах пасивного терморегулювання апаратів як основи для виготовлення покриття класу "сонячні відбивачі", а також для надання поверхням оптичних приборів відповідних тепло-радіаційних характеристик. Покриття цього класу характеризуються визначними тепловими, радіаційними показниками: поглинаюча властивість сонячної радіації (As) не більш 0,2; випромінювальна властивість (ε) більш 0,8. Радіаційна стійкість оцінюється по зміненню As (∆Аs) при дії відповідної дози ультрафіолетового випромінювання Сонця, що вимірюється у еквівалентній сонячній добі (е.с.д.) та повинна бути мінімальною. Відома композиція для отримання терморегулюючого покриття класу "сонячні відбивачі" [Пат. № 2036208 Россия. МПК C09D1/02, C09D1/04, B64G1/58. Композиция для терморегулирующего покрытия класса "солнечные отражатели" / Борисов В.А., Мазо С.М., Демидов С.А., Михлин А.Л., Досовицкий А.Е. - № 5058780/05, заявл. 14.08.92, опубл. 27.05.95 Бюл. № 15], що включає плівкоутворюючу речовину, за яку містить водний розчин метасилікату 3 калію з кремнеземистим модулем 3,8-4,1 та густиною 1,15-1,16 г/см , та пігмент, за який використовують титанат цирконію з масовим співвідношенням ZiO2:TiO2, (40-60): (60-40), при такому співвідношенні компонентів, мас. ч.: розчин метасилікату калію 58-65 титанат цирконію 35-42. Відома композиція характеризується досить низькими значеннями коефіцієнта поглинання сонячної радіації As=0,9-0,12 та коефіцієнта випромінювання ε=0,89-0,92. Але суттєвим недоліком даних покриттів є їх низький комплекс фізико-механічних властивостей, особливо в умовах тривалої експлуатації. Також наведена композиція характеризується досить низькою адгезією до алюмінієвих сплавів марки АМг6 та водостійкістю. Також відома композиція для терморегулюючого покриття класу "сонячні відбивачі" - емаль АК-512 (ГОСТ 23171-78), яка являє собою композицію при такому співвідношенні компонентів, мас. ч.: смола амідовмісна акрилова 10,74 (100 %) смола БМК-5 (100 %) 0,20 двоокис титану (ТіО2) 25,40 17,22 глинозем (Аl2О33Н2О) розчинник (суміш ксилолу, ацетону та бутилового 46,00. спирту у співвідношенні 30:30:40) Терморегулююче покриття класу "сонячні відбивачі", виготовлене за наведеним складом, має наступні оптичні характеристики коефіцієнта поглинання сонячної радіації As=0,30 та коефіцієнта випромінювання ε=0,88. Хоча наведене покриття має прийнятні початкові оптичні характеристики в умовах дії космічного простору, але дане покриття не є стійким (відбувається значна зміна коефіцієнта поглинання сонячної радіації As) під дією космічного простору, що призводить до збоїв у роботі приладів та зменшення терміну активного існування терморегулюючого покриття. Найбільш близькою за технічною суттю та досягнутим результатом до заявленого винаходу є композиція для терморегулюючого покриття класу "сонячні відбивачі" [Пат. № 228332 Россия. МПК C09D5/24, C09D5/33, C09D133/08. Композиция для терморегулирующего покрытия класса "солнечные отражатели" / Бахвалов Ю.О., Векшина Т.И., Воробьев А.А., Григоревский А.В., Киселева Л.В. - № 2005104277/04; заявл. 17.02.05; опубл. 27.01.06] (прототип), яка містить плівкоутворювач - амідовмісну акрилову смолу, наповнювач - монокристалічний тонкодисперсний порошок білого кольору цинк-галій оксид з формулою ZnGaO1+n, де n=0,0064, молекулярна маса якого дорівнює 81,38, та розчинник - суміш ксилолу та бутилового спирту при такому співвідношенні компонентів, мас. ч.: смола амідовмісна акрилова 9,49-9,54 (100 %) цинк-галій оксид 52,36-52,49 суміш ксилолу та бутилового 37,99спирту 38,15. 1 UA 107861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Терморегулююче покриття класу "сонячні відбивачі", виготовлене за прототипом, має наступні оптичні характеристики: коефіцієнт поглинання сонячної радіації As0,3 та коефіцієнт випромінювання ε=0,91-0,94. До недоліків прототипу слід віднести: високе значення коефіцієнта поглинання сонячної радіації As, значення якого, для терморегулюючого покриття класу "сонячні відбивачі", повинно складати As не більш 0,2; також наведена композиція містить у своєму складі пігмент, що є досить грубим, та потребує великих енергетичних затрат для його перетирання, що робить процес виготовлення покриття довготривалим, майже 5 годин. Покриття отримане на основі даної композиції, має показник адгезії 2-3 бали, що є досить низьким значенням для покриття, яке необхідно наносити на алюмінієвий сплав АМг6, для захисту якого необхідні лакофарбові матеріали з більш високими адгезійними властивостями; покриття на основі даної композиції містить як розчинники досить токсичні та шкідливі речовини 3-4 класу небезпеки. В основу винаходу поставлена задача - розробити композицію (лакофарбовий матеріал) для терморегулюючого покриття класу "сонячні відбивачі" з низькими значеннями поглинаючої властивості сонячної радіації та високою радіаційною стійкістю при зберіганні необхідних значень випромінювальної властивості. Поставлена задача вирішується тим, що відома композиція для отримання терморегулюючого покриття класу "сонячні відбивачі", яка включає у своєму складі розчинник, плівкоутворюючу речовину і пігмент, відповідно до винаходу, вона як плівкоутворюючу речовину містить водну стирол-акрилову дисперсію з масовою часткою твердих речовин 49,5-50,5 %; 3 питомою густиною 1,03 г/см та рН=8,2-9,2, як пігмент - ТіО2, попередньо оброблений оксидами алюмінію та цирконію у загальній кількості до 6 %, а також додатково містить диспергатор, піногасник, коалесцент та загусник при наступному співвідношенні компонентів композиції, мас. ч.: стирол-акрилова водна 49,0-55,0 дисперсія пігмент (ТіО2) 25,0-35,0 вода 20,0-30,0 диспергатор (Оротан 4045) 2,0-4,0 піногасник (DAPRO DF 7010) 0,5-1,5 коалесцент (Тексанол) 1,0-3,0 загусник (Rheolate 420) 1,0-2,5. Дуже важливим є вибір типу плівкоутворюючої речовини, тому що поглинання світла в УФобласті спектра пов'язано в основному з хімічною будовою плівкоутворюючих речовин. Так, насиченні сполуки поглинають випромінювання з довжиною хвилі менш 0,200 мкм. Найбільш сильним поглинанням характеризуються ненасичені сполуки, що пов'язано з наявністю в них легко збуджуваних π-електронів. Групи, що відповідають за вибіркове поглинання випромінювання у діапазоні 0,20-1,00 мкм (іноді менше 0,20 мкм), носять назву хромофорів. В видимій області хромофорами є, наприклад, системи спряжених подвійних зв'язків (до хромофорів належить алкідна смола ПФ-060 та смола БМК-5). Саме тому як плівкоутворююча речовина була вибрана водна стирол-акрилова дисперсія, що не належить до класу хромофорів. На властивості та поведінку композиції у оптичному діапазоні довжин хвиль суттєвий вплив чинять пігменти та наповнювачі, що входять у склад покриттів у вигляді дисперсійної фази порошків. Як основний пігмент для композиції був вибраний двоокис титану, який попередньо модифікований сполуками алюмінію та цирконію, у загальній кількості до 6 %. Використання приведеного пігменту дозволяє отримати терморегулююче покриття з пониженим значенням коефіцієнта поглинання сонячної радіації (As3,0). Диспергатор Оротан 4045 - це хімічна речовина, яка допомагає поєднати компоненти, які практично не змішуються. За хімічною будовою диспергатор являє собою аміачну сіль карбоксилатного поліелектроліту, що забезпечує різні переваги завдяки відмінній водній стійкості та забезпечує утворення стійких дисперсій часток пігменту у лакофарбовому середовищі, а також стабілізує її при зберіганні. Диспергатор Оротан 4045 може використовуватися у широкому діапазоні рецептур латексних фарб. Даний продукт радять використовувати у широкому асортименті фарб від матових до напів- та глянцевих акрилових, стирол-акрилових та вініл-акрилових рецептурах. Він ефективно діє у діапазоні рН від 6,5 до 10. Наведений диспергатор використовується при 0,31,0 % вмісту активного інгредієнта від загальної маси пігменту та наповнювачів. Використання при виготовленні композицій (лакофарбових матеріалів) високих швидкостей перемішування призводить до утворення піни, що не лише заважає максимальному 2 UA 107861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 заповнюванню виробничої тари, але і при нанесенні композиції (лакофарбового матеріалу) на поверхню пофарбованого виробу сприяє утворенню дефектів покриття, що погіршує його декоративні та захисні функції. Уникнути присутності піностабільних речовин у композиції практично неможливо, тому для запобігання появі та руйнування піни, що утворюється, використовують піногасник. Піногасник являє собою світло-янтарну воскову рідину з низьким поверхневим натягом, яка повинна не розчинятися у середовищі, де утворюється піна, мати позитивний коефіцієнт входження (легко проникати в оболонку бульбашок піни), розподілення (добре розподілятися по поверхні розділу), та рН (при 25 °C) повинно дорівнювати 6,5-7,5. Піногасник DAPRO DF 7010 - це багатокомпонентний піногасник, що містить у своєму складі такі речовини: парафіновий дистилят 90-95 %; вторинний жирний кислотний амід 4-7 %; силіконові компоненти 0,5-2 %; ефіри 6-10 %. Коалесцент - це органічний розчинник, який використовується у водно-дисперсійних фарбах та лаках як тимчасовий пластифікатор та приймає участь у формуванні плівки покриття. Основна задача коалесценту Тексанол - забезпечення після випаровування води об'єднання часток дисперсії у однорідний шар полімерної плівки. Посилення властивостей коалесцентів лакофарбових матеріалів дозволяє значно покращити якісні характеристики композиції фарби у процесі її використання, зберігання, зменшуючи при цьому пористість та збільшуючи стійкість до стирання. Коалесцент Тексанол - це ефірний спирт, який не розчиняється у воді, а розчинний у етанолі, ацетоні та інших органічних розчинниках, основною сполукою є 2,2,4-триметил-1,3пентадіол моноізобутират. Коалесцент пластифікує частки емульсійного полімеру, дозволяє їм сплавлятися один з одним, та забезпечує краще утворення плівки, ніж тієї, що була б утворена без коалесценту. Окрім зниження мінімальної температури утворення плівки латексної фарби, добавка коалесцента покращує атмосферну стійкість композиції (фарби), стійкість до дряпання та очищення, і рівномірне формування кольору. Важливу роль у процесі утворення плівки грає сумісність коалесцентів з частками дисперсії та їх розчинююча властивість. Гідрофобні коалесценти, наприклад такі як Тексанол, добре поєднуються з полімерами, тому розм'якшує та пластифікує їх у більшому ступені, ніж гідрофільні розчинники, що спочатку присутні у водної фазі. Гідрофільні розчинники такі як етилен-та пропіленгліколь, не надають пластифікуючої дії, але сповільнюють процес випарування води, що призводить до зниження швидкості утворення плівки. Загусник Rheolate 420 - це акрилова емульсія у воді, що належить до емульсії, яка містить гідрофобні групи та розбухає у лужному середовищі. В основному він є загусником типу HASE, що містить гідрофобні групи, які прикріпленні до полімерного ланцюга. Як усі емульсії, що розбухають під дією лугів, аніонні загусники HASE, здатні до загущення при рН>7. До того ж молекули HASE вступають у взаємодію з частками емульсії, сприяючи формуванню структури, що запобігає флокуляції. Rheolate 420 забезпечує високу ефективність використання у середньому діапазоні швидкості зсуву. Композицію (лакофарбовий матеріал) готують нижченаведеним способом, з використанням наступного промислового обладнання: бісерний млин та електромішалка (тип мішалки фрезерна). Готують водний розчин диспергатора з додаванням піногасника. Потім готують пігментну пасту шляхом диспергування пігменту в отриманому водному розчині. Змішують пігментну пасту з плівкоутворювачем (стирол-акрилова дисперсія), коалесцентом та загусником. Після чого отриману композицію необхідно процідити через сітчастий фільтр. Формування покриття композиції може бути здійснене за допомогою кисті, валиком, розпилюванням або наливом. Для забезпечення рівномірної товщини покриття рекомендовано використовувати методи пневматичного або безповітряного розпилювання. Нанесення композиції за допомогою кисті, валика або методом наливу необхідно використовувати при ремонті покриття, у випадку його руйнування. Висихання покриття відбувається при температурі 20±5 °C та час висихання кожного шару до ступеня 3 не більш 5 годин. Наводимо конкретні приклади виготовлення запропонованої композиції. Приклад 1. У пластмасову ємність добавляють демінералізовану воду у кількості 20 мас.ч. Ємність підключають до мішалки та починають перемішувати зі швидкістю обертання 200 об/хв. 3 UA 107861 C2 5 10 15 20 25 Після додають диспергатор Оротан 4045 у кількості 2 мас. ч. та піногасник Dapro DF 7010 у кількості 0,5 мас. ч., 5 хвилин перемішують. До отриманого розчину поступово, невеликими порціями додають пігмент у кількості 25 мас. ч., отриману суміш перемішують протягом 10 хвилин. Отриманий пастоподібний матеріал переносять до емальованого стакану бісерного млина та диспергують пігментну пасту протягом 25 хвилин. Після диспергування пігментна паста повинна бути однорідною, без грудочок та сторонніх включень, ступень перетирання пігменту повинна складати не більш 20 мкм. Змішування пігментної пасти з водною дисперсією плівкоутворювача проводять за допомогою мішалки, протягом 15 хв. Пасту, що була отримана за допомогою бісерного млина переносять до пластикової ємності мішалки та починають перемішувати, після чого послідовно додають коалесцент (Тексанол) у кількості 1 мас. ч. та стирол-акрилову дисперсію у кількості 55 мас. ч. При цьому швидкість обертання мішалки не повинна перевищувати 200 об./хв. Після змішування пігментної пасти з водною дисперсією додають загусник (Rheolate 420) у кількості 1 мас.ч., отриману суміш необхідно перемішувати впродовж 10 хв., для кращої активації дії загусника. Після отримання лакофарбовий продукт фільтрують та переносять у герметичну полімерну тару для подальшого дослідження. Приклад 2. Для отримання якісного лакофарбового матеріалу під час його виготовлення необхідно дотримуватися послідовності, що наведена у прикладі 1, при наступному співвідношенні компонентів, мас. ч.: вода 23,0 диспергатор Оротан 4045 2,5 пігмент (ТіО2) 28,0 піногасник DAPRO DF 7010 0,75 коалесцент Тексанол 1,5 стирол-акрилова водна 53,0 дисперсія загусник Rheolate 420 1,5. Приклад 3. Для отримання якісного лакофарбового матеріалу під час його виготовлення необхідно дотримуватися послідовності, що наведена у прикладі 1, при наступному співвідношенні компонентів, мас. ч.: вода 25,0 диспергатор Оротан 4045 3,0 пігмент (ТіО2) 30,0 піногасник DAPRO DF 7010 1,0 коалесцент Тексанол 2,0 стирол-акрилова водна 51,0 дисперсія загусник Rheolate 420 2,0. Приклад 4. Для отримання якісного лакофарбового матеріалу під час його виготовлення необхідно дотримуватися послідовності, що наведена у прикладі 1, при наступному співвідношенні компонентів, мас. ч.: вода 30,0 диспергатор Оротан 4045 4,0 пігмент (ТіО2) 33,0 піногасник DAPRO DF 7010 1,5 коалесцент Тексанол 3,0 стирол-акрилова водна 49,0 дисперсія загусник Rheolate 420 2,5. У таблиці 1 наведено порівняння функціональних властивостей виготовлених композицій з прототипом. 4 UA 107861 C2 Таблиця 1 Порівняння функціональних властивостей виготовлених композицій з прототипом. № п/п Прототип Приклад 1 Приклад 2 Приклад 3 Приклад 4 5 10 15 20 Товщина покриття, Адгезія до АМг6, бали Показник 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Блиск, % Білизна, % Коефіцієнт (As) Коефіцієнт (ε) Блиск, % Білизна, % Коефіцієнт (As) Коефіцієнт (ε) Блиск, % Білизна, % Коефіцієнт (As) Коефіцієнт (ε) Блиск, % Білизна, % Коефіцієнт (As) Коефіцієнт (ε) Блиск, % Білизна, % Коефіцієнт (As) Коефіцієнт (ε) 55 32 64 0,24 0,82 58 80 0,21 0,87 53 75 0,175 0,89 58 80 0,195 0,85 47 65 0,170 0,86 75 34 67 0,24 0,84 62 87 0,21 0,86 62 87 0,175 0,87 62 87 0,185 0,84 48 64 0,165 0,88 90 32 66 0,23 0,82 61 85 0,19 0,86 59 86 0,175 0,87 61 85 0,185 0,87 57 81 0,195 0,84 мкм 120 51 65 0,24 0,82 58 82 0,2 0,86 59 85 0,175 0,86 58 82 0,180 0,86 56 77 0,205 0,84 Проаналізувавши дані прототипу та отримані результати, можливо стверджувати, що найбільш оптимальних результатів можливо досягнути при виготовленні композиції за прикладом 2. За даним співвідношенням компонентів, отримана композиція характеризується відмінними показниками адгезії до алюмінієвого сплаву АмГ6, блиску, білизни та гарним комплексом фізико-механічних властивостей. Відповідно до прикладу коефіцієнт поглинання сонячної радіації складає As=0,175, а ступінь чорноти ε=0,86-0,89. Також можливо відмітити, що за прикладом 4, спостерігається отримання найбільш низького значення коефіцієнта поглинання (0,165), але дана композиція має низьку стабільність в умовах довготривалого зберігання. Отримане покриття на основі розробленої композиції може бути використано, як терморегулююче покриття для обтічника електрозаправного макета РКН "Циклон-4", завдяки тому, що воно характеризується необхідним рівнем термооптичних та експлуатаційних характеристик. На основі приведеної композиції була розроблена акрилова емаль на водній основі ВД-АК51 біла. Акрилова емаль ВД-АК-51 біла призначена для створення терморегулюючих покриттів на поверхнях із сплаву АМг6 (без підшару), склопластику та теплозахисних покриттів на основі каучуків. У таблиці 2 приведені властивості акрилової емалі ВД-АК-51 біла та покриття на її основі. 5 UA 107861 C2 Таблиця 2 Властивості акрилової емалі ВД-АК-51 біла та покриття на її основі Найменування показника Значення Плівка покриття однорідна, гладка без зморщування та оспін. 1. Зовнішній вигляд плівки покриття Державний стандарт 70-85 ГОСТ 8420-74 59 ГОСТ 17537-72 4 ГОСТ 19007-73 10 ГОСТ 6806-73 0,12-0,16 ГОСТ 5233-89 130-150 ГОСТ 8764-75 4 ГОСТ Р 53651-2009 20 1 ГОСТ 6589-74 ГОСТ 15140-79 0,175-0,2 ГОСТ 15160-69 0,86-0,88 2-3 ГОСТ 15160-69 ГОСТ 28196-89 2. Умовна в'язкість за віскозиметром ВЗ246 з діаметром сопла 4 мм (ВЗ-4), при температурі (20,0±0,5)°С, с 3. Масова частка нелетких речовин, % 4. Час висихання до ступеня 3 при температурі (20±5)°С, г 5. Еластичність плівки при вигині, мм 6. Твердість за маятниковим приладом М3, умовні одиниці 7. Покривність висушеної плівки покриття, 2 г/м 8. Теплостійкість плівки покриття при 60 °C, бали 9. Ступінь перетирання, мкм 10. Адгезія плівки, бали 11. Коефіцієнт поглинання сонячної радіації покриття 12.Коефіцієнт випромінювання є 13. Кількість шарів 5 ГОСТ 28196-89 Акрилова емаль ВД-АК-51 та покриття на її основі повинні задовольняє усім вимогам, що висуваються до всіх типів лакофарбових матеріалів на основі водних дисперсій, як побутового так і спеціального використання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Композиція для отримання терморегулюючого покриття класу "сонячні відбивачі", що містить розчинник, плівкоутворюючу речовину та пігмент, яка відрізняється тим, що композиція як плівкоутворюючу речовину містить водну стирол-акрилову дисперсію з масовою часткою твердих речовин 49,5-50,5 %, питомою густиною 1,03 та рН=8,2-9,2, як пігмент - ТіO2, попередньо оброблений оксидами алюмінію та цирконію у загальній кількості до 6 %, як розчинник - воду, а також додатково містить диспергатор Оротан 4045, піногасник DAPRO DF 7010, коалесцент Тексанол та загусник Rheolate 420 при такому співвідношенні компонентів композиції, мас. ч.: стирол-акрилова водна 49,0-55,0 дисперсія пігмент (ТіO2) 25,0-35,0 вода 20,0-30,0 диспергатор Оротан 4045 2,0-4,0 піногасник DAPRO DF 7010 0,5-1,5 коалесцент Тексанол 1,0-3,0 загусник Rheolate 420 1,0-2,5. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6