СВЯЗУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОЛЯЦИОННОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА И ИЗОЛЯЦИОННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
BINDING COMPOSITION FOR PRODUCING INSULATING COMPOSITE MATERIAL AND INSULATING COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к созданию изоляционных материалов, которые могут быть использованы для изоляции труб, стен и каналов теплотрасс или вентиляционных каналов и различных деталей, используемых в условиях повышенных температур и высокого давления, с обеспечением термостойкости, механической прочности и/или гибкости.
Предпосылки изобретения
Из уровня техники известен ЖАРОСТОЙКИЙ ИЗОЛЯЦИОННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ. (Патент ИЗ. № 2303744 от 27.07.2007).
Жаростойкий изоляционный композитный материал представляет собой:
(a) изоляционный основной слой, содержащий полые непористые частицы и связующую матрицу, и
2
(b) теплоотражающий слой, содержащий агент, отражающий инфракрасное излучение, и защитное связующее, причем жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность примерно 0,050 Вт/(м·К) или меньше.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «СВЯЗУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ АЭРОГЕЛЬ И ПОЛЫЕ ЧАСТИЦЫ, ИЗОЛЯЦИОННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ИХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ» (Патент ИЗ № 2315071 от 20.01.2008).
Изоляционный композитный материал и связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами могут использоваться для изоляции, например, деталей моторизованных транспортных средств или приборов, с обеспечением термостойкости, механической прочности и/или гибкости.
Связующая композиция по прототипу содержит аэрогели из диоксида кремния, диоксида титана и оксида алюминия. Гидрофобные частицы аэрогеля могут содержать глушители, которые понижают теплопроводность гидрофобных частиц аэрогеля. Могут применяться любые подходящие глушители: воск, парафины, сажу, углеродное волокно, диоксид титана и модифицированные углеродсодержащие компоненты.
Согласно изобретению по прототипу используют любой тип полых, непористых частиц, в том числе материалы, называемые микросферами, микропузырьками, микроскопическими полыми шариками, ценосферами.
Полые непористые частицы могут быть изготовлены из любого подходящего материала, включая органические и неорганические материалы, предпочтительно, они изготовлены из материала с относительно низкой теплопроводностью. Органические материалы включают, например, материалы из сополимеров винилиденхлорида/акрилонитрила, фенольные.
2
2
2
Они изготовлены из материала с относительно низкой теплопроводностью (алюмосиликатные микросферы – 0,1 Вт/мК, керамические микросферы – 0,034 Вт/мК, пенопласты (поропласты) – 0,043 Вт/мК.
Защитный слой придает более высокую степень механической прочности изоляционному композитному материалу и защищает нижний изоляционный слой от разрушения из-за одного или нескольких факторов окружающей среды (например, тепло, влажность, трение, удары и т.д.). Защитным связующим может быть любое подходящее связующее, которое резистентно к конкретным условиям (например, теплу, нагрузке, влажности и т.д.), которым будет подвержен изоляционный композитный материал. Таким образом, выбор связующего будет зависеть частично от конкретных свойств, желательных в изоляционном композитном материале. Защитное связующее может быть тем же, что и связующее нижнего изоляционного слоя, или другим. Подходящие связующие включают водные и неводные натуральные и синтетические связующие. Особенно предпочтительны самосшивающиеся связующие, такие как самосшивающиеся акриловые связующие. Защитный слой может почти не содержать или совсем не содержать полых непористых частиц. в количестве примерно 20 об.% или меньше, как, например, примерно 10 об.% или меньше, или даже примерно 5 об.% или меньше (например, примерно 1 об.% или меньше).
Агент, отражающий инфракрасный свет, может быть любым соединением или составом, который отражает или другим образом блокирует инфракрасное излучение, в том числе глушителем, таким как углеродистые материалы (например, сажа), углеродные волокна, диоксид титана (рутил) и металлические, и неметаллические частицы, пигменты и волокна и их смеси. Предпочтительные отражающие инфракрасный свет агенты включают металлические частицы, пигменты и пасты, такие как алюминий, нержавеющая сталь, медно-цинковые сплавы и сплавы меди и хрома. Особенно предпочтительны частицы алюминия, пигменты и пасты. Чтобы предотвратить осаждение отражающего инфракрасный свет агента в защитном связующем, защитный слой преимущественно содержит антиосадитель, например, коллоидальные оксиды металлов, глины и органические суспендирующие агенты. Предпочтительными антиосадителями являются коллоидальные оксиды металлов, такие, как коллоидальный диоксид кремния, и глины, такие как гекториты. Защитный слой может также содержать смачиватель, такой как не вспенивающееся поверхностно-активное вещество.
Предпочтительные рецептуры защитного слоя содержат армирующие волокна.
Технической проблемой, на которую направлено изобретение является получение изоляционного композитного материала, который обеспечивает многие из преимуществ изоляционных материалов, содержащих аэрогель (например, хорошие тепло- и/или звукоизоляцию), и с улучшенной износостойкостью и термостойкостью.
Технический результат по сравнению с прототипом, обеспечиваемый разработанным изобретением является улучшение показателей теплопроводности, термостойкости и гидрофобности материала.
Техническая проблема решается и технический результат достигается за счет разработки связующей композиции, для получения изоляционного композитного материала, которая содержит связующее,   гидрофобные частицы аэрогеля и полые непористые частицы, и дополнительно включает полифосфат аммония и катионно поверхностно-активное вещество (КПАВ) представляющее собой четвертичную аммониевую соль - смесь алкилдиметилбензиламмоний хлоридов, где алкил - смесь нормальных алкильных радикалов, при этом КПАВ взято в количестве 0,1-2 мас. % от массы связующего при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
гидрофобные частицы аэрогеля и полые непористые частицы 45 - 55
полифосфат аммония                                  20 -30
катионно поверхностно-активное вещество (КПАВ)      8-10
связующее                                           остальное.
3
Катионно поверхностно-активное вещество (КПАВ) представляет собой Диметилкокобензиламмоний хлорид (MCB-80), молекулярная масса – 350, плотность– 0,98 г/м, вязкость - 75 мПа⋅с.
3
2
2
Технический результат также достигается тем, что изоляционный композитный материал содержит основной изоляционный слой на основе связующей композиции, включающей частицы аэрогеля и полые непористые частицы, связующее и дополнительно полифосфата аммония и катионно поверхностно-активное вещество (КПАВ).  При этом изоляционный слой характеризуется плотностью не менее 157 кг/м и теплопроводностью слоя не менее 0,035 Вт/мК и внешний теплоотражающий слой, содержащий водное акриловое связующее, полые непористые частицы в количестве не более 20 об. %, полифосфат аммония и алюминиевую пудру в качестве агента, отражающего инфракрасный свет, при этом теплопроводность изоляционного композитного материала после сушки составляет не более 0.060 Вт/мК.
Использование в композиции полифосфата аммония и КПАВ в совокупности с заявленными остальными ингредиентами связующей композиции для получения основного изоляционного слоя приводит к достижению технического результата - улучшение показателей теплопроводности, термостойкости и гидрофобности изоляционного композитного материала.
Известно, что аэрогели обеспечивают превосходные тепло- и звукоизолирующие свойства. Изоляционные материалы, содержащие аэрогель, готовят, смешивая сухие композиции частиц аэрогеля со связующими, для получения связанной массы частиц. Также, связующие композиции с аэрогелем, обеспечивая хорошую тепло- и звукоизоляцию, могут проявлять низкую износостойкость и термодеструкцию в условиях высокой температуры.
Изобретение предлагает связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами, в основном состоящую из водного связующего, гидрофобных частиц аэрогеля, полых непористых частиц, полифосфата аммония   и катионно поверхностно-активного вещества (КПАВ).
Изобретение также обеспечивает изоляционный композитный материал, в основном состоящий из основного изоляционного слоя, и защитного слоя, состоящего из связующего, гидрофобных частиц аэрогеля, полых непористых частиц, полифосфата аммония и отражающий инфракрасный свет агента. Полученный изоляционный композитный материал обладает дополнительными гидроизоляционными, теплоизоляционными и теплоотражающими эффектами, а также противопожарными свойствами.
Способ приготовления связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, в основном состоящей из водного связующего, полифосфата аммония и КПАВ, взбалтывания связующей композицию и соединения вспененной связующей композиции с гидрофобными частицами аэрогеля и полыми непористыми частицами, для получения связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами.
Подробное описание изобретения
Связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами содержит водное связующее, гидрофобные частицы аэрогеля, полые непористые частиц, полифосфат аммония и катионно поверхностно-активные вещества (КПАВ).
Все ПАВ можно разделить на две большие группы – неионогенные и ионогенные.
Ионогенные вещества в растворах воды диссоциируют в ионы. По зарядам ионов их можно разделить на: анионные, катионные и амфотерные. Катионные (кислотные) - это такие соединения, в водных растворах которых поверхностную активность определяют катионы (ионы с положительным зарядом).
Поверхностно-активное вещество (КПАВ), используемое в данной композиции, относится к катионным поверхностно-активным веществам и представляет собой четвертичную аммониевую соль - смесь алкилдиметилбензиламмоний хлоридов, где алкил - смесь нормальных алкильных радикалов. Соотносится с группой катионных ПАВ. В концентрированном виде имеет вид вязкой жидкости со слабым специфическим запахом, с неограниченной растворимостью в воде.
3
Диметилкокобензиламмоний хлорид (MCB-80), молекулярная масса – 350, плотность - 0,98 г/м, вязкость - 75 мПа⋅с.
Совокупность заявленных ингредиентов связующей композиции приводит к достижению технического результата - улучшение показателей теплопроводности, термостойкости и гидрофобности изоляционного композитного материала.
КПАВ улучшает адгезию между гидрофобными частицами аэрогеля и водным связующим. Также КПАВ улучшает реологию водного связующего (например, в применениях с напылением) и, в частности, позволяет связующему вспениваться при взбалтывании или перемешивании (например, пенообразовании) объединенных связующего и КПАВ до или после введения гидрофобных частиц аэрогеля и/или полых непористых частиц. Кроме того, КПАВ используется, для получения вспененной связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, имеющей более низкую плотность, чем не вспененная композиция.
Предпочтительно применяется примерно 0,1-2 мас. %, КПАВ от массы связующего.
3
2
2
Теплопроводность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами будет частично зависеть от конкретной рецептуры, используемой для получения нижнего изоляционного слоя. Предпочтительно, нижний основной изоляционный слой составляется так, чтобы после сушки иметь плотность менее 157 кг/м, тепловое сопротивление менее 0,20 мК/Вт и теплопроводность слоя менее 0,037 Вт/(м*К).
Изоляционный композитный материал
Нижний изоляционный слой может иметь любую желаемую толщину. Изоляционные композитные материалы, содержащие более толстые нижние изоляционные слои, имеют лучшие тепло- и/или звукоизолирующие свойства; однако изоляционный композитный материал в соответствии с изобретением позволяет использовать относительно тонкий нижний изоляционный слой, тем не менее обеспечивая превосходные тепло- и/или звукоизолирующие свойства. Для большинства применений нижний изоляционный слой толщиной примерно 1-15 мм, как, например, примерно 2-6 мм, обеспечивает достаточную изоляцию.
Защитный слой придает более высокую степень механической прочности изоляционному композитному материалу и/или защищает нижний основной изоляционный слой от разрушения из-за одного или нескольких факторов окружающей среды (например, тепло, влажность, трение, удары и т.д.). Защитным связующим может быть любое подходящее связующее, которое резистентно к конкретным условиям (например, теплу, нагрузке, влажности и т.д.), которым будет подвержен изоляционный композитный материал. Таким образом, выбор связующего будет зависеть частично от конкретных свойств, желательных в изоляционном композитном материале. Связующим являются водные связующие, такие как водные акриловые связующие. Особенно предпочтительны самосшивающиеся связующие, такие как самосшивающиеся акриловые связующие.
Агент, отражающий инфракрасный свет, может быть любым соединением или составом, который отражает или другим образом блокирует инфракрасное излучение, в том числе глушителем, таким как углеродистые материалы (например, сажа), диоксид титана (рутил) и металлические, и неметаллические частицы, пигменты и их смеси. Предпочтительные отражающие инфракрасный свет агенты включают металлические частицы, пигменты и пасты, такие как алюминий, нержавеющая сталь, медно-цинковые сплавы и сплавы меди и хрома. Особенно предпочтительны частицы алюминия, пигменты и пасты.
Толщина защитного слоя будет зависеть частично от степени защиты и желательной прочности. Хотя защитный слой может быть любой толщины, часто желательно поддерживать толщину защитного изоляционного композитного материала на минимуме и, таким образом, снизить толщину защитного слоя до минимального значения, необходимого для обеспечения достаточной степени защиты для конкретного применения. Обычно достаточная защита может быть обеспечена защитным слоем толщиной примерно 1 мм или меньше.
2
Теплопроводность изоляционного композитного материала будет зависеть в первую очередь от конкретной рецептуры нижнего основного изоляционного слоя, хотя некоторый эффект может иметь и рецептура защитного слоя. Предпочтительно, изоляционный композитный материал составлен так, чтобы после сушки иметь теплопроводность менее 0.060 Вт/(мК).
Изоляционный композитный материал является жаростойким. Термин "жаростойкий", как он используется, для описания изоляционного композитного материала изобретения, означает, что изоляционный композитный материал не будет заметно разлагаться в условиях сильного нагрева. В частности, условия сильного нагрева обеспечиваются применением нагревательного элемента мощностью 250 Вт, соединенного с горячей воздуходувкой с тонкими алюминиевыми панелями, установленными вокруг прибора для образования трубы. Изоляционный композитный материал подвергается условиям сильного нагрева (защитный слой лицом к нагревательному элементу) на расстоянии примерно 20 мм от нагревательного элемента, в котором горячая воздуходувка (при полной установке на обдув и низшей установке на нагрев) обеспечивает непрерывный поток воздуха между нагревательным элементом и изоляционным композитным материалом. Желательно, чтобы изоляционный композитный материал не разрушался заметно в таких условиях.
Если изоляционный композитный материал должен использоваться в условиях определенного класса воспламеняемости, например, там, где он может подвергаться открытому огню или условиям чрезвычайно высокой температуры, желательно, чтобы изоляционный композитный материал включал подходящее огнезащитное вещество. Огнезащитное вещество может быть включено в защитный слой изоляционного композитного материала. Подходящие огнезащитные вещества включают гидроксиды алюминия, гидроксиды магния, полифосфаты аммония и различные фосфорсодержащие вещества, и другие коммерчески доступные антипирены, и вспучивающиеся огнестойкие вещества.
Способ приготовления связующей композиции изоляционного композитного материала заключается в следующем: связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами может быть получена любым подходящим способом. Например, гидрофобные частицы аэрогеля, полые непористые частицы и водное связующее могут быть объединены любым подходящим способом, чтобы образовать связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами, которая может быть нанесена на основу, например, намазыванием, экструзией или напылением связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами на основу.
В соответствии с изобретением обеспечивается способ приготовления связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами и другими ингредиентами, которая может применяться для получения нижнего основного изоляционного слоя для получения изоляционного композитного материала. В частности, связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами, полученная согласно изобретению, имеет сниженную тенденцию к "смачиванию" частиц аэрогеля и/или полых непористых частиц, тем самым уменьшая тенденцию частиц аэрогеля и/или полых непористых частиц к отделению от композиции. Кроме того, способ в соответствии с изобретением обеспечивает получение связующей композиции, которая может быть напылена.
Изобретение поясняется примерами с различным содержанием КПАВ от массы связующего.
Пример 1
Этот пример иллюстрирует приготовление и характеристики связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами согласно изобретению.
3
3
Связующая композиция была приготовлена путем объединения 200г. (15 мас. %) водного акрилового связующего (Акриловая дисперсия CHP 536 (Финляндия)), 133 г (10 мас. %) КПАВ (Алкилдиметилбензиламмонийхлорид «Катамин АБ»), в высоко скоростном смесителе. Связующую композиция перемешивали до тех пор, пока не получили 4 дмвспененной связующей композиции. Гидрофобные частицы аэрогеля и полые непористые частицы, содержащие 300 г глушенных гидрофобных шариков аэрогеля, 300 г стеклянных микросфер (45 мас. %) и 400 г (30 мас. %)полифосфата аммония, медленно добавляли при перемешивании, для сохранения объема на значении 4 дм, тем самым получая связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами.
Образец был нанесен на рамку размером 25 см × 25 см, имеющую толщину 1,5 см с помощью шпателя. Рамки были облицованы алюминиевой фольгой. Композиции сушили в течение 18 часов при 74°C. После того как композиции остыли, из рамок были вырезаны образцы размером 15 см × 15 см, и была измерена теплопроводность каждого образца на приборе для определения теплопроводности с верхней температурой плато 36°C и нижней температурой плато 10°C. Плотности образцов были определены посредством деления веса каждого образца на его размеры.
Результаты приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Образец
Тип
Плотность (кг/м³)
Тепловое сопротивление (м²К/Вт)
Теплопроводность (Вт/м²К)
1
Аэрогель/Микросферы/Акрил/Полифосфат/КПАВ (10%)
244
0,24
0,043
Эти результаты показывают, что согласно изобретению может быть приготовлена связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами, которая имеет хорошую теплопроводность, тепловое сопротивление и низкую плотность.
Пример 2
Связующая композиция была приготовлена путем объединения 200 г. (16 мас. %) водного акрилового связующего (Акриловая дисперсия CHP 536 (Финляндия), 113 г  (9 мас. %) КПАВ (Алкилдиметилбензиламмонийхлорид «Катамин АБ»), 325 г глушенных гидрофобных шариков аэрогеля и 300 г стеклянных микросфер (50 мас. %), 313 г полифосфата аммония (25 мас. %), медленно добавляли при перемешивании, тем самым получая связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами.
Результаты приведены в Таблице 2.
Таблица 2
Образец
Тип
Плотность (кг/м³)
Тепловое сопротивление (м²К/Вт)
Теплопроводность (Вт/м²К)
2
Аэрогель/Микросферы/Акрил/КПАВ (9%)
157
0,20
0,035
Пример 3
Связующая композиция была приготовлена путем объединения 200 г. (17 мас. %) водного акрилового связующего (Акриловая дисперсия CHP 536 (Финляндия), 94 г. (8 мас. %) КПАВ (Алкилдиметилбензиламмонийхлорид «Катамин АБ»). Затем 347 г глушенных гидрофобных шариков аэрогеля, 300 г стеклянных микросфер (55 мас. %), 235 г (20 мас. %) полифосфата аммония, тем самым получая связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами.
Результаты приведены в Таблице 3.
Таблица 3
Образец
Тип
Плотность (кг/м³)
Тепловое сопротивление (м²К/Вт)
Теплопроводность (Вт/м²К)
3
Аэрогель/Микросферы/Акрил/Полифосфат/КПАВ (8%)
357
0,26
0,054
Процесс получения изоляционного композитного материала в целом состоит из двух этапов:
1. Напыление нижнего основного изоляционного слоя на поверхность изделия с теплоносителем. Толщина слоя 5-20 мм.
2. Нанесение внешнего теплоотражающего слоя на поверхность изоляционного слоя, напылением или кистью. Толщина слоя 1-10 мм.
3
2
Связующая композиция внешнего теплоотражающего слоя была приготовлена путем объединения 200 г водного акрилового связующего (Акриловая дисперсия CHP 557 (твердые вещества 60%, MFFT, 0°C, Размер частиц, 500 Нм), 4г алюминиевая пудра (AVL Metal Powders, плотность 0,22-0,32 г/см, Средний размер частиц 21-175 мкм, Кроющая способность на воде 4500-6500 см/г), в смесителе. Затем вводится 50 г. стеклянных микросфер и 100 г. полифосфата аммония. Связующую композицию перемешивали до тех пор, пока не получили однородную массу.
Теплопроводность изоляционного композитного материала составляет 0.060 Вт/м²К
Каждый из изоляционных композитных материалов был помещен в аппарат, предназначенный для определения термостойкости изоляционного композитного материала. В частности, прибор включал нагревательный элемент мощностью 250 Вт, соединенный с горячей воздуходувкой с тонкими алюминиевыми панелями, установленными вокруг прибора, чтобы образовать трубу. Изоляционный композитный материал подвергался условиям сильного нагрева примерно 30 минут на расстоянии примерно 20 мм от нагревательного элемента (защитный слой лицом к нагревательному элементу), и горячая воздуходувка (при установке на полное обдувание и низшей установке на нагрев) обеспечивала непрерывный поток воздуха между нагревательным элементом и изоляционным композитным материалом. Температура обратной стороны изоляционного композитного материала (т.е., стороны, противоположной защитному слою и нагревательному элементу) отслеживалась в течение всего испытания, чтобы определить максимальную поддерживаемую температуру.
Результаты этих измерений приведены в таблице 4.
Таблица 4
№ п/п
Наименование образца
Время испытаний (мин.)
Температура на поверхности (°С)
1
композитный материала (0,1% КПАВ)
30
42
2
композитный материала (1 % КПАВ)
30
26
3
композитный материала (2% КПАВ)
30
33
Показатели гидрофобности изоляционного композитного материала.
Таблица 5
Образец
Тип
Плотность (кг/м³)
α - гидрофобности
1
композитный материала (1 % КПАВ)Образец 37
157
≥110°
2
композитный материала (2% КПАВ) Образец 56
257
≥ 90°
По вышеперечисленным результатам, приведенным в таблицах, можно сделать следующие выводы, что изоляционный композитный материал состоящий из двух слоев (основного изоляционного и защитного), благодаря сочетанию входящих в его состав компонентов и использование в составе материала, полифосфата аммония и КПАВ, обеспечивает технический результат. Улучшаются показатели теплопроводности, термостойкости и гидрофобности материала.
График влагопоглощения материала приведен на фиг. 1.
Где, дни проведения испытания, по оси абсцесс: Вес образца материала (в г) погруженного в воду. Верхняя кривая показывает величину поглощения материалом влаги (образец 56). Нижняя кривая показывает величину поглощения материалом влаги (образец 37).