Состав инертного наполнителя
INERT FILLER COMPOSITION

Изобретение относится к ракетостроению, а именно к разработке имитаторов наполнителей камер сгорания топлива (НКСТ).
Известны составы для получения инертных наполнителей, в которых в качестве компонент-наполнителей используются окислы и соли кальция, материалы горных пород, карбонаты металлов, алюминий, а в качестве полимерной основы - полиолефины, парафины, поливинилхлорид, синтетические каучуки (патенты: США №3936403, №4119606, СССР №1779684 и др.).
Назначением этих составов является имитация свойств НКСТ, имеющих прочное скрепление с силовым корпусом.
Известен состав для получения инертного наполнителя, принятый за прототип (патент РФ №2475466), который содержит следующее массовое соотношение компонентов:
алюминий сферический дисперсный (наполнитель)
5,00-17,00
дивинилнитрильный каучук
с концевыми карбоксильными группами
15,64-16,70
(связующее)
эпоксидная смола (связующее)
3,80-5,60
трансформаторное масло
2,20-2,80
тетраметилтиурамдисульфид (тиурам Д)
0,10-0,20
(вулканизирующий реагент (отвердитель))
окись цинка
0,10-0,40
лецитин или катионат-7
0,19-0,21
калий хлористый (наполнитель)
остальное
Следует отметить, что вышеуказанный состав не позволяет регулировать конечную плотность инертного наполнителя в достаточно широком диапазоне, что является существенным недостатком, т.к. требуется имитация различных видов НКСТ с плотностью в более широком диапазоне. Одной из причин этого является низкая плотность наполнителя (сферического алюминия и калия хлористого).
3
Плотность представленного в патенте-прототипе инертного наполнителя находится в диапазоне от 1,601 до 1,607 г/см. Данный диапазон получен по формуле:
,
где i - компонент состава прототипа (от 1 до 8),
i
m% - массовая часть i-го компонента, мас. %,
i
3
ρ - плотность i-го компонента, г/см.
Расширение диапазона плотностей без существенного изменения массовых частей компонентов не представляется возможным. При этом выход за диапазоны массовых частей, указанные в патенте-прототипе, приводит к недопустимым изменениям физико-механических свойств инертного наполнителя.
Помимо этого, состав-прототип обладает и другими недостатками:
• не технологичен в изготовлении в связи с большим количеством компонентов;
• содержит в большом количестве трансформаторное масло, которое способно диффундировать на границы раздела, тем самым нарушая термодинамическую устойчивость системы рецептурного состава.
Диффундирующее на границу «наполнитель-корпус» трансформаторное масло ухудшает адгезию инертного наполнителя к стенкам силового корпуса.
Задачей изобретения является создание универсального состава инертного наполнителя с широким диапазоном регулирования плотности для получения макетов массового производства с соответствующими массоцентровочными и адгезионными свойствами.
Технический результат заключается в возможности моделирования плотности всех существующих наполнителей камер сгорания за счет заполнения колотой дробью воздушных пор, образованных соединением частиц резиновой крошки различной формы и размеров.
Технический результат достигается тем, что состав инертного наполнителя содержит компоненты-наполнители и связующее, состоящее из эпоксидной смолы и аминного отвердителя, в качестве компонентов-наполнителей используется смесь резиновой крошки с дробью колотой из черных металлов, при следующем соотношении компонентов, массовых частей:
Использование дроби колотой на основе черных металлов (ДЧК 03, ДЧК 05, ДСК 03, ДСК 05) в количестве от 48,7 до 57,2 массовых частей позволяет с высокой точностью и в достаточно широком диапазоне регулировать плотность инертного наполнителя. Кроме того, используемая колотая дробь может быть отходом других производств, что в итоге значительно снижает стоимость инертного наполнителя. Использование именно колотой дроби обеспечивает прочное скрепление частиц дроби с резиновой крошкой за счет наличия плоскостей на зернах дроби, по которым формируется прочная адгезионная граница через связующее.
3
Необходимость использования дроби именно из черных металлов обусловлена плотностью черных металлов в диапазоне от 7,80 до 7,85 г/см.
Использование металлов с меньшей плотностью сужает диапазон регулирования плотности инертного наполнителя. Использование металлов с более высокой плотностью приводит к их оседанию на дне перемешивающего устройства и, как следствие, к неравномерности плотности инертного наполнителя.
3
В ходе опытных работ выявлены технологические ограничения диапазона имитируемой инертным наполнителем плотности, связанные с неравномерностью распределения колотой дроби из черных металлов при ее содержании менее 48,7 массовых частей и существенному увеличению вязкости готовящегося инертного наполнителя при содержании колотой дроби более 57,2 массовых частей, что эквивалентно диапазону плотностей инертного наполнителя от 1,5 до 1,8 г/см.
Резиновая крошка обеспечивает фиксированный объем инертного наполнителя (резины на основе бутадиенового, бутадиенстирольного и бутилкаучука, марок: СКД, СКД-2, БК-1675Н, БК-1570, СКДЛР-1,2 и др. - материал как отход производства), массовая часть которой в рецептуре составляет от 25,6 до 30,7%. Резиновая крошка обеспечивает большую пористость инертного наполнителя за счет соединения через связующее частиц резиновой крошки различной формы и размеров. Образующиеся воздушные поры (от 53 до 55% объема) равномерно заполняются дробью колотой из черных металлов до нужной плотности инертного наполнителя.
Объемная доля резиновой крошки внутри имитируемого диапазона плотностей составляет 46% с учетом погрешности, равной ±1%, обусловленной непостоянством геометрии частиц крошки. При пересчете постоянной объемной доли резиновой крошки в массовые доли по формуле:
рез.крошки
имитируемая
m% =46,0/ρ,
рез.крошки
где m% - массовая часть резиновой крошки, мас. %,
имитируемая
3
3
ρ - плотность имитируемого НКСТ, г/см, и при учете диапазона плотностей инертного наполнителя от 1,5 до 1,8 г/см, обусловленного содержанием дроби колотой из черных металлов, диапазон массовых частей резиновой крошки в инертном наполнителе составит от 25,6 до 30,7%. Увеличение массовой части резиновой крошки более 30,7% приводит к увеличению занимаемого смесью объема и, как следствие, неравномерности распределения массы инертного наполнителя и неполному смачиванию резиновой крошки связующим. Уменьшение содержания резиновой крошки менее 25,6 массовых частей приводит к уменьшению занимаемого смесью объема, что приводит к неравномерности распределения массы инертного наполнителя.
В качестве связующего используется эпоксидная смола (К-153, ЭД-20, Э-40) в сочетании с аминным отвердителем (полиэтиленполиамин, триэтаноламинтитанат, гексаметилендиамин). Эпоксидное связующее позволяет прочно скрепить компоненты инертного наполнителя. Высокая жесткость эпоксидного связующего компенсируется большим объемным содержанием резиновой крошки, придающей инертному наполнителю упругие свойства.
3
Объемное содержание связующего при имитации плотности в диапазоне от 1,5 до 1,8 г/см является постоянным, определено экспериментально, составляет от 30 до 32 объемных частей и обеспечивает полное смачивание резиновой крошки. При пересчете с объемных частей на массовые части по формуле:
связующего
связующего
имитируемая
m% =V%/ρ,
связующего
где m% - массовая часть связующего, мас. %,
связующего
V% - объемная часть связующего, об. %,
имитируемая
3
ρ - плотность имитируемого НКСТ, г/см.
связующего
Исходя из этого, m% находится в диапазоне от 17,1 до 21,5. Рецептурное соотношение смолы и отвердителя: 100 массовых частей смолы к 15 массовым частям отвердителя, соотношение обеспечивает полную полимеризацию смолы. Исходя из этого получен диапазон массовых частей смолы от 14,9 до 17,9 и отвердителя от 2,2 до 2,6.
Достоинствами полученного инертного наполнителя являются:
• широкий диапазон регулируемой плотности;
• технологичность (ввиду малого количества компонентов);
• простота регулирования плотности в процессе приготовления состава;
• удовлетворительная адгезия инертного наполнителя к стенкам заполняемого корпуса (отсутствие отслоения от стенок корпуса).
В таблице приведены примеры рецептур, инертных наполнителей моделирующих различные плотности.
3
3
3
Пример состава и технология приготовления инертного наполнителя для заполнения объема 100 дм инертным наполнителем с плотностью 1,54 г/см (1,54 кг/дм):
1. Отвесить компоненты состава в требуемом массовом соотношении для объема, который необходимо заполнить:
Эпоксидная смола (К-153)
26,95 кг
Полиэтиленполиамин
4,00 кг
Колотая дробь на основе черных металлов (ДЧК 03)
77,00 кг
Резиновая крошка (смесь СКД, СКД-2, БК-1675Н и др.)
46,05 кг
2. Произвести смешивание компонентов состава в следующей последовательности:
- перемешать резиновую крошку до удаления комков;
- продолжая перемешивание, влить смолу, перемешать до полного смачивания крошки;
- продолжая перемешивание, влить полиэтиленполиамин, с обеспечением равномерного распределения;
- продолжая перемешивание, всыпать струей дробь, перемешать до равномерности.
3. Выгрузить состав в корпус макета в течение жизнеспособности состава.
4. Произвести полимеризацию в течение 24 ч при температуре от 15 до 35 °С.
3
3
3
Диапазон плотностей от 1,5 до 1,8 г/см опробован на модельных корпусах и по вышеописанной технологии, с подтверждением указанных преимуществ, составом с плотностью 1,54 г/см заполнены 2 корпуса объемом порядка 100 дм. В корпусах, заполненных инертным наполнителем, обеспечены требуемые посадочные размеры, масса, координаты центра масс и удовлетворительная адгезия (скрепление) инертного наполнителя с силовой оболочкой, проверенная методами неразрушающего контроля.
Таким образом, описанный состав инертного наполнителя является универсальным, с широким диапазоном регулирования плотности и соответствующими массо-центровочными и адгезионными свойствами.