Теплозащитный материал
HEAT-SHIELDING MATERIAL

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 C08L23/16, B32B25/10, F16L59/00, F02K9/34, 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 C08L23/16, 27.06.2013), включающий вулканизующую группу (вулканизующие агенты – сера и дитиодиморфолин, ускорители вулканизации - тиурам Д и альтакс, активаторы вулканизации - оксид цинка, стеарин и триэтаноламин), наполнитель (белая сажа БС-120), технологические добавки (смола инден-кумароновая, канифоль сосновая и технический углерод К-354) и 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-40, содержащий вулканизующие агенты серу и тиурам Д, ускоритель вулканизации 2-меркаптобензотиазол, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, технический углерод и модифицирующую добавку фосфорборсодержащий олигомер ФБО, предварительно нанесенную термостатированием при 100°С из предварительно нейтрализованного водным раствором аммиака 0,5 мас. % раствора фосфорборсодержащего олигомера ФБО в воде на смесь алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ (Пат. 2726455 РФ, МПК C08L23/16, C08K13/06, C08K7/26, C08K3/013, C08K3/04, 14.07.2020).
Недостатком теплозащитного материала является высокая плотность материала и недостаточная длительность теплозащитного эффекта.
Задачей предлагаемого изобретения является получение материалов с высокими теплозащитными характеристиками.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение теплозащитных свойств, расширение арсенала теплозащитных материалов.
Технический результат достигается тем, что теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука СКЭПТ-40, содержащий вулканизующие агенты – серу и тиурам Д, ускоритель вулканизации – 2-меркаптобензотиазол, активаторы вулканизации - оксид цинка и стеарин, технический углерод и модифицирующую добавку, предварительно нанесенную термостатированием из раствора на алюмосиликатные полые микросферы, отличающийся тем, что в материал дополнительно содержит дитиодиморфолин, белую сажу БС-120 и канифоль сосновую, а в качестве модифицирующей добавки содержит полифениленоксид, предварительно нанесенный на алюмосиликатные полые микросферы из 5 масс.% раствора в стирольном мономере, при следующем соотношении компонентов, масс.ч.: каучук СКЭПТ-40 – 100,0; сера – 2,0; дитиодиморфолин – 2,0; тиурам Д – 0,75; 2-меркаптобензотиазол – 1,5; оксид цинка – 5,0; стеарин – 1,0; канифоль сосновая – 3,0; белая сажа БС-120 – 30,0; алюмосиликатные полые микросферы с предварительно нанесенным полифениленоксидом – 1,0-5,0.
В предлагаемом теплозащитном материале используют следующие компоненты:
Этиленпропилендиеновый каучук СКЭПТ-40, содержащий в качестве диенового сополимера дициклопентадиен (ТУ 2294-087-05766563-2010).
Вулканизующая группа, включающая:
вулканизующие агенты – сера (ГОСТ 127-76), дитиодиморфолин (ТУ 2478-033-05807983-2002), тиурам Д (ТУ 6-14-943-79);
ускоритель вулканизации –2-меркаптобензотиазол (каптакс) (ТУ 113-00-05761631-23-91);
активаторы вулканизации – оксид цинка (ГОСТ 202-84), стеарин (ГОСТ 6484-96).
Наполнитель – белая сажа БС-120 (ГОСТ 18307-78).
В качестве технологических добавок используются канифоль сосновая (ГОСТ 19113-84) и технический углерод П-324 (ГОСТ 7885-86).
В качестве модифицирующей добавки используется полифениленоксид, предварительно нанесенный посредством термостатирования на алюмосиликатные полые микросферы (ТУ 21-22-37-94) из раствора полифениленоксида в стирольном мономере (стироле и/или α-метилстироле). Термостатирование микросфер осуществляется в 5 масс.% растворе полифениленоксида в стироле и/или α-метилстироле при массовом соотношении алюмосиликатных полых микросфер : раствор полифениленоксида = 1 : 5 при температуре кипения растворителя (стирола и/или α-метилстирола), до его полного упаривания. После этого алюмосиликатные полые микросферы с нанесенным модификатором (полифениленоксидом) сушатся до постоянной массы и вводятся в резиновую смесь в количестве 1-5 масс.ч.
Использование данной модифицирующей добавки придает теплозащитному материалу на основе этиленпропилендиенового каучука повышенную огнетеплостойкость, т.к. наличие на поверхности микросфер слоя полифениленоксида способствует повышению сродства микросфер к полимерной матрице и более равномерному распределению микросфер в материале, а при высокотемпературном воздействии способствует усилению процессов коксообразования и повышению времени прогрева материала.
Заявленное количество модифицирующей добавки в сочетании с используемыми ускорителями вулканизации и остальными компонентами резиновой смеси позволяет получить теплозащитный материал, обладающий повышенными теплозащитными характеристиками.
После смешения компонентов резиновую смесь готовят в резиносмесителе при температуре 40-75°C. Продолжительность смешения 15 минут. Затем проводят вулканизацию резиновой смеси при температуре 165°C в течение 45 минут. Затем полученные образцы подвергают необходимым испытаниям.
В таблице 1 приведены составы приготовленных смесей и прототипа.
Таблица 1
Компоненты смеси
Содержание компонентов смеси в композициях, масс.ч.
Прототип
Предлагаемый состав 1
Предлагаемый состав 2
Предлагаемый состав 3
Каучук СКЭПТ-40
100,0
100,0
100,0
100,0
Сера молотая
1,0
2,0
2,0
2,0
Дитиоморфолин
-
2,0
2,0
2,0
Каптакс
0,5
1,5
1,5
1,5
Тиурам Д
1,5
0,75
0,75
0,75
Оксид цинка
5,0
5,0
5,0
5,0
Стеарин
1,0
1,0
1,0
1,0
Канифоль сосновая
-
3,0
3,0
3,0
Технический углерод
П-324
-
2,0
2,0
2,0
П-234
40,0
-
-
-
Белая сажа БС-120
-
30,0
30,0
30,0
Алюмосиликатные полые микросферы с нанесенной модифицирующей добавкой
по прототипу
5,0
МД-1<sup>*</sup>
-
1,0
-
МД-2<sup>**</sup>
-
-
3,0
-
МД-3<sup>***</sup>
-
-
-
5,0
Микроуглеродные волокна
10,0
-
-
-
Примечание:
<sup>*</sup>МД-1 – алюмосиликатные полые микросферы с полифениленоксидом, нанесенным из раствора в стироле
<sup>**</sup>МД-2 – алюмосиликатные полые микросферы с полифениленоксидом, нанесенным из раствора в α-метилстироле
<sup>***</sup>МД-3 – алюмосиликатные полые микросферы с полифениленоксидом, нанесенным из раствора в смеси 50 масс.% стирола с 50 масс.% α-метилстирол.
Оценка скорости прогрева теплозащитного материала 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 плазмотрона (на поверхности создавалась температура 2000°C). Образец закреплялся в штативе под углом 45° 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.
Теплозащитные свойства предлагаемого теплозащитного материала приведены в табл.2.
Таблица 2
Показатель
Результаты испытаний
Прототип
Предлагаемый состав 1
Предлагаемый состав 2
Предлагаемый состав 3
Время прогрева поверхности образца до 100 <sup>о</sup>С, с
84
270
280
370
Коксовое число, %
15,9
21,1
22,5
23,8
Как видно из представленных данных, предлагаемые теплозащитные материалы в сравнении с прототипом обладают более высокими теплозащитными свойствами.
Таким образом, теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука СКЭПТ-40, содержащий вулканизующие агенты – серу, дитиодиморфолин и тиурам Д, ускоритель вулканизации – 2-меркаптобензотиазол, активаторы вулканизации - оксид цинка и стеарин, наполнитель – белую сажу БС-120, технологические добавки - канифоль сосновую и технический углерод и модифицирующую добавку, предварительно нанесенную термостатированием из 5 масс.% раствора в стирольном мономере на алюмосиликатные полые микросферы, при заявленном соотношении компонентов, обладает повышенными теплозащитными свойствами.