ЛАКОКРАСОЧНАЯ РАДИОПОГЛОЩАЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ
RADAR-ABSORBENT COATING COMPOSITION

Изобретение относится к лакокрасочным композициям, предназначенным для поглощения (и/или уменьшения уровня отражения) СВЧ электромагнитного излучения.
Известен радиопоглощающий материал для нанесения на различные изделия на основе полимерного связующего в количестве 80-20 масс. % и порошкообразного феррита или карбонильного железа в количестве 20-80 масс. % (патент РФ №2107705, МПК C09D 5/32, опубл. 27.03.1998). Материал наносят краскораспылителем в 20 слоев (по 50 мкм) с сушкой каждого слоя 10 мин. Материал прост в приготовлении, но нетехнологичен при нанесении. Кроме того, он характеризуется высоким коэффициентом отражения, обусловленным большой величиной диэлектрической проницаемости композиции, наполненной металлическим (или металлосодержащим) порошком.
Известна композиция для экранирования электромагнитного излучения, содержащая полимерное связующее (выбранное из группы полиолефин, полистирол, фторопласт, ПВХ-пластизоль) и электропроводящий немагнитный наполнитель - графит, модифицированный кислотами и терморасширенный (патент РФ №2243980, МПК C08L 23/00, C08L 23/06, опубл. 10.01.2005). Покрытие из такого материала толщиной 0,1 мм характеризуется уменьшением коэффициента прохождения от -40 до -85 дБ в диапазоне длин волн 2-5 см. Высокая степень наполнения материала ведет не только к росту поглощения проходящего электромагнитного излучения, но и к росту коэффициента отражения от поверхности покрытия, особенно при углах падения излучения меньше 90°.
Наиболее близкой по технической сути и назначению к заявленному изобретению является лакокрасочная композиция, описанная в патенте №2420549 (патент РФ №2420549 C09D 5/32, C08L 63/00, C08K 7/04, опубл. 10.06.2011). Согласно данному патенту перед нанесением покрытия соединяют отвердитель с композицией на основе эпоксидной смолы, пластификатора и термопластичного полиуретана с двумя дисперсными электропроводящими наполнителями с разной формой частиц, при следующем соотношении компонентов (масс. %):
графит
50-70
углеродное волокно
1-5
пластификатор
0,2-1
термопластичный уретан
0,2-1
эпоксидная смола
остальное до 100
В данной композиции используется графит с размером частиц от 3 до 15 мкм и измельченное углеродное волокно с длиной частиц менее 300 мкм, которая превышает толщину в 15-30 раз.
Покрытие на основе этой композиции способно уменьшить уровень мощности прошедшего через него электромагнитного излучения на 20-30 дБ в частотном диапазоне 1,5-30 ГГц. Недостатком данного покрытия является высокий коэффициент отражения и, соответственно, малый коэффициент поглощения при углах падения излучения меньше 90° и в диапазоне частот выше 30 ГГц.
Техническим результатом изобретения является создание лакокрасочной радиопоглощающей композиции для формирования покрытий с повышенными поглощающими электромагнитное излучение с частотой 30-70 ГГц свойствами, характеризующейся большим коэффициентом поглощения, в частности при углах падения излучения менее 90°.
Технический результат достигается тем, что лакокрасочная радиопоглощающая композиция, представляющая собой полимерное связующее на основе эпоксидной смолы с электропроводящим радиопоглощающим наполнителем, выполнена из двух жидких компонентов, один из которых является отвердителем эпоксидной смолы, а второй является композицией, содержащей эпоксидную смолу, полые зольные микросферы, электропроводящий радиопоглощающий наполнитель - углеродные нанотрубки, растворитель и поверхностно-активное вещество (ПАВ), при следующем соотношении компонентов, масс. %:
эпоксидная смола
30-55
полые зольные микросферы
15-20
углеродные нанотрубки
0,5-2
ПАВ
0,02-0,2
растворигель
остальное до 100
В качестве электропроводящего радиопоглощающего наполнителя используются углеродные нанотрубки, диспергированные в растворителе, содержащем поверхностно-активное вещество, и обработанные ультразвуком.
На фигуре 1 изображена структура лакокрасочной радиопоглощающей композиции (покрытия), где
1 - слой полимерного связующего на основе эпоксидной смолы с электропроводящим радиопоглощающим наполнителем до высыхания;
2 - слой полимерного связующего на основе эпоксидной смолы с электропроводящим радиопоглощающим наполнителем после высыхания;
3 - полые зольные микросферы.
На фигуре 2 представлена зависимость коэффициента поглощения от угла падения электромагнитного излучения.
Композиция состоит из двух жидких компонентов (основа и отвердитель, составляющие полимерное связующее), соединяемых перед нанесением композиции на поверхность изделия. Первый компонент - основа - представляет собой композицию на основе эпоксидной смолы, содержащую два дисперсных наполнителя - электропроводящий радиопоглощающий наполнитель - углеродные нанотрубки (УНТ) и полые зольные микросферы, а также растворитель, совместимый с эпоксидной смолой, и поверхностно-активное вещество в соотношении, масс. %:
эпоксидная смола
30-55
полые зольные микросферы
15-20
углеродные нанотрубки (УНТ)
0,5-2
ПАВ
0,02-0,2
растворитель
остальное до 100
Второй компонент - отвердитель эпоксидной смолы (используется в соответствии с известными рекомендациями, например, «Сырье и полупродукты для лакокрасочных материалов». Справочное пособие / Под ред. М.М. Гольдберга. Москва, изд. «Химия», 1978. - 512 с.).
Использование углеродных нанотрубок в качестве радиопоглощающего наполнителя приводит к возникновению специфических атомно-молекулярных структур, в которых под воздействием падающей электромагнитной волны возникают флуктуации электронной плотности, значительно снижающие уровень отражаемой в окружающее пространство волны. Наличие случайно ориентированных и равномерно расположенных в объеме полимерного связующего частиц наполнителя в виде нитей диаметром 20-50 им и длиной до 1000 нм из углерода приводит к образованию множества релеевских рассеивающих структур различных размеров, что приводит к расширению рабочего частотного диапазона материала и росту эффективности поглощения им СВЧ-излучения частот выше 30 ГГц.
Наилучшему диспергированию УНТ в полимерном связующем способствует способ введения их в связующие в виде суспензии в растворителе (совместимом с эпоксидным связующим) с добавкой ПАВ и подвергнутой воздействию ультразвука (30 мин, 30-60 кГц).
Особенностью предлагаемой композиции является то, что при предложенном соотношении компонентов полимерное связующее, содержащее углеродные нанотрубки, обладая усадкой в пределах 30-70% по объему (при испарении растворителя), формирует неровную поверхность благодаря содержанию в нем крупных (диаметр до 500 мкм) полых зольных микросфер (фиг. 1).
Неровная поверхность, образованная микросферами, покрытыми связующим с УНТ, способствует лучшему рассеиванию и поглощению СВЧ-излучения, существенно увеличивая коэффициент поглощения и снижая коэффициент отражения, особенно при углах падения излучения менее 90° к поверхности (фиг. 2).
Предлагаемая композиция изготавливается следующим образом: смешивают растворитель (использовался ацетон), ПАВ (использовалась олеиновая кислота), УНТ (использовался материал углеродный наноструктурный «Таунит» ТУ 2166-001-77074291-2012). Смесь после механического перемешивания подвергалась воздействию ультразвука в течение 30 мин (использовался диспергатор УЗД 1-0,063/22). Затем последовательно в полученную смесь вводились расчетные количества эпоксидной смолы, зольных микросфер (марки АСПМ ТУ 5717-001-11843486-2004), предварительно рассеянных на сетке с ячейками 100 мкм для удаления микросфер менее 100 мкм, затем отвердитель (полиэтиленполиамин или другой согласно рекомендациям).
Вязкость композиции и толщина формируемого слоя покрытия в зависимости от используемого способа его нанесения может изменяться путем варьирования содержания растворителя в пределах, указанных в рецептуре композиции.
Толщина одного слоя покрытия 100-500 мкм. Композиция может наноситься в несколько слоев. Режим отверждения нанесенного слоя определяется типом используемого отвердителя. В данном случае, при использовании полиэтиленполиамина (15 в. ч. на 100 в. ч. смолы ЭД-20) отверждение осуществляется сутки при комнатной температуре.
Коэффициент поглощения композиции определялся по методике, изложенной в патенте РФ №2107705, на частоте 37,5-42,5 ГГц. Измерение коэффициента поглощения электромагнитного излучения производилось под углами 90, 60, 45 и 30° к плоскости образцов. Образцы для измерений готовились путем нанесения кистью композиции (использовались два состава) на металлические пластины. Толщина слоя композиции составляла 0,7-1 мм. Образец сравнения (прототип) готовился по технологии, изложенной в патенте РФ №2420549, путем окунания картона (толщиной 0,7 мм) в заявленную лакокрасочную композицию с последующей сушкой при температуре 80°С в течение 30 минут. Изготовленная таким образом заготовка радиопоглощающего картона клеем БФ-4 приклеивалась к металлической пластине для измерения коэффициента поглощения под разными углами падения электромагнитного излучения.
В таблице 2 и на фигуре 2 представлены результаты измерения коэффициента поглощения электромагнитного излучения под углами падения 90, 60, 45 и 30 градусов.
Результаты измерения коэффициента поглощения исследуемых рецептур, представленные в таблице 2 и фигуре 2, указывают на высокую эффективность поглощения электромагнитного излучения заявляемой лакокрасочной композиции, особенно при углах падения электромагнитного излучения менее 60 градусов к поверхности покрытия.
Менее интенсивное снижение коэффициента поглощения радиопоглощающего покрытия заявляемого состава по сравнению с традиционными радиопоглощающими покрытиями, получаемыми по лакокрасочной технологии, при углах падения электромагнитного излучения менее 60 градусов обусловлено неровной поверхностью покрытия, обеспечиваемой определенными видами и соотношением компонентов.
Изобретение позволяет существенно уменьшить уровень отражения СВЧ электромагнитного излучения, падающего (нормально и под углом) на металлическую (или иную отражающую) поверхность.