Теплозащитный материал
HEAT-SHIELDING MATERIAL

Изобретение относится к теплозащитному материалу на основе этиленпропилендиенового каучука, который может использоваться в авиа- и ракетостроении.
Известен 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, наполнители белую сажу и фосфорборсодержащий олигомер ФБО, предварительно нанесенный на каолиновые волокна, посредством их термостатирования при 100°С в 5 масс. % водном растворе ФБО (Пат. 2656860 РФ, МПК C08L23/16, C08К13/06, C08К3/34, 07.06.2018) и теплозащитный материал дополнительно содержащий промоутер адгезии между волокном и полимерной матрицей - гексахлорпараксилол (Пат. 2656862 РФ, МПК C08L23/16, C08К13/06, C08К3/34, 07.06.2018).
Недостатком данного теплозащитного материала является то, что он не обеспечивает длительного теплозащитного эффекта.
Известен теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука СКЭПТ-40, содержащий серу, оксид цинка, стеарин, технический углерод, тетраметилтиурамдисульфид, 2-меркаптобензтиазол, канифоль сосновую, белую сажу и алюмосиликатные полые микросферы, предварительно обработанные фосфорборазотсодержащим олигомером при 80°C (Пат. 2612304 РФ, МПК C08L23/16, C08L63/00, C08К3/04, C08К3/06, C08К3/22, C08К3/36, C08К5/40, C08К7/26, C08К13/06, 06.03.2017).
Недостатком данного теплозащитного материала является то, что он имеет низкие физико-механические показатели и не обеспечивает длительного теплозащитного эффекта.
Известен теплозащитный материал на основе этиленпропилендиенового каучука СКЭПТ-50, содержащий вулканизующие агенты - серу, дитиодиморфолин, тиурам Д, ускоритель вулканизации 2-меркаптобензотиазол, включая производное бензотиазола, активаторы вулканизации - оксид цинка и стеарин, наполнитель - белую сажу БС-120, технологическую добавку технический углерод П-324 и модифицирующую добавку фосфорборазотсодежащий олигомер, полученный путем взаимодействия бората метилфосфита, эпоксидной смолы ЭД-20 и анилина (Пат. 2600063 РФ, МПК C08L23/16, C08L63/00, С08К3/38, 20.10.2016).
Недостатком данного теплозащитного материала является то, что он не обеспечивает длительного теплозащитного эффекта и имеет невысокие прочностные характеристики.
Наиболее близким к заявляемому 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 фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА, предварительно нанесенный на смесь алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ, посредством их термостатирования при 80°C в 5 масс. % растворе фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА в ацетоне (Пат. 2637519 РФ, МПК C08L23/16, C08K3/04, C08K7/02, CO8K7/22, CO8K13/06, 07.02.2017).
Недостатком данного материала является низкая длительность теплозащитного эффекта.
Задачей предлагаемого изобретения является получение материалов с удовлетворительными физико-механическими свойствами и повышенной теплозащитной эффективностью.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение длительности теплозащитной эффективности.
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 на смесь алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ посредством их термостатирования в растворе модифицирующей добавки, при этом в качестве модифицирующей добавки содержит фосфорборсодержащий олигомер ФБО, нанесенный термостатированием при 100 °C из предварительно нейтрализованного водным раствором аммиака 0,5 масс.% раствора фосфорборсодержащего олигомера ФБО в воде, при следующем соотношении компонентов, масс.ч.: каучук СКЭПТ-40 100,0; сера молотая 1,0; тиурам Д 1,5; 2-меркаптобензтиазол (каптакс) 0,5; оксид цинка 5,0; стеарин 1,0; технический углерод П-234 40,0; алюмосиликатные полые микросферы МСФ 2,0 – 5,0; микроуглеродные волокна МУВ 10,0; фосфорборсодержащий олигомер ФБО 1,0.
В предлагаемом теплозащитном материале используют следующие компоненты:
Этиленпропилендиеновый каучук СКЭПТ-40, содержащий в качестве диенового сомономера дициклопентадиен (ТУ 2294-022-05766801-2002).
Вулканизующая группа, включающая:
вулканизующие агенты - сера (ГОСТ 127-76), тиурам Д (ТУ 6-14-943-79);
ускоритель вулканизации - каптакс (2-меркаптобензотиазол) (ТУ 113-00-05761631- 23-91);
активаторы вулканизации - оксид цинка (ГОСТ 202-84), стеарин (ГОСТ 6484-96).
Технический углерод П-234 (ГОСТ 7885-86) используется в составе теплозащитного материала в качестве наполнителя.
В качестве модифицирующей добавки используется фосфорборсодержащий олигомер ФБО (ТУ 40-461-806-66-07), предварительно нанесенный на поверхность алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ.
Нанесение фосфорборсодержащего олигомера ФБО осуществляют из 0,5 масс. % раствора фосфорборсодержащего олигомера ФБО в воде, путем термостатирования смеси алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ в данном растворе при 100°C до постоянной массы. Перед термостатированием раствор фосфорборсодержащего олигомера в воде нейтрализуют водным раствором аммиака.
Использование в качестве модифицирующей добавки фосфорборсодержащего олигомера ФБО, предварительно нанесенного на поверхность алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ, придает теплозащитному материалу на основе этиленпропилендиенового каучука повышенную теплостойкость. Образование на поверхности микросфер и микроуглеродных волокон пленки из ФБО препятствует деструкции теплозащитного материала при воздействии высокой температуры за счет образования на поверхности более прочного защитного коксового слоя. Кроме того, происходит непосредственная доставка фосфорборсодержащего олигомера в зону термического воздействия и коксообразования, где происходит ингибирование радикально-цепных процессов окисления. При этом пенококс выполняет теплозащитную функцию, препятствует прогреву и деструкции материала.
Кроме этого армирование эластомерной матрицы микроуглеродными волокнами приводит к повышению прочности теплозащитного материала.
Заявленные количества фосфорборсодержащего олигомера ФБО, алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ в сочетании с используемыми ускорителями вулканизации и остальными компонентами резиновой смеси позволяют получить теплозащитный материал, обладающий повышенными теплозащитными характеристиками.
В таблице 1 приведены составы приготовленных смесей и прототипа.
Оценка условной прочности образцов при разрыве проводилась на разрывной машине РМИ-50 в соответствии с ГОСТ 270-75 «Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении».
Таблица 1
Ингредиент
Прототип
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Каучук СКЭПТ-40, масс.ч.
100,0
100,0
100,0
100,0
Сера молотая, масс.ч.
2,0
1,0
1,0
1,0
Тиурам Д, масс.ч.
0,5
1,5
1,5
1,5
2-Меркаптобензтиазол (каптакс), масс.ч.
1,5
0,5
0,5
0,5
Оксид цинка, масс.ч.
3,0
5,0
5,0
5,0
Стеарин, масс.ч.
2,0
1,0
1,0
1,0
Технический углерод П-234, масс.ч.
40,0
40,0
40,0
40,0
Алюмосиликатные полые микросферы, масс.ч.
5,0
2,0
3,0
5,0
Микроуглеродные волокна, масс.ч.
10,0
10,0
10,0
10,0
Фосфорборазотсодержащий олигомер ФЭДА, масс.ч.
1,0
-
-
-
Фосфорборсодержащий олигомер ФБО, масс.ч.
-
1,0
1,0
1,0
Оценка длительности теплозащитной эффективности образцов теплозащитного материала на основе этиленпропилендиенового каучука при высокотемпературном нагреве проводилась на образцах, изготовленных в виде шайбы диаметром 30 мм и толщиной 6 мм.
Оценка скорости прогрева образцов теплозащитного материала на основе этиленпропилендиенового каучука 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 плазматрона Multiplaz-3500 (ГОСТ 12.2.007.8-75 «Устройства электросварочные и для плазменной обработки»), на поверхности создавалась температура 2000 °C. Образец закреплялся в штативе под углом 90° к пламени плазматрона. 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.
Для определения коксового числа предварительно взвешенный образец помещался в муфельную печь на 30 минут при 600 °C. Затем образец извлекался, охлаждался при температуре 25 °C и снова взвешивался. Коксовое число вычислялось по остаточной массе относительно исходного веса образца.
Физико-механические и огне-, теплозащитные свойства вулканизатов предлагаемого материала приведены в таблице 2.
Таблица 2
Показатель
Прототип
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Условная прочность при растяжении, МПа
14,1
14,3
12,7
11,8
Время прогрева образца до 100 <sup>о</sup>С, с
185
55
66
84
Время сгорания образца, с
211
290
530
780
Коксовое число, %
33,4
9,3
9,4
15,9
Пример.
Обработка волокон проводилось следующим образом.
Навеску фосфорборсодержащего олигомера ФБО в количестве 1,0 масс. % от массы каучука растворяли при периодическом перемешивании в соответствующем количестве воды для образования 0,5 масс. % раствора. Полученный раствор нейтрализовывали водным раствором аммиака.
В приготовленный нейтрализованный 0,5 масс. % раствор фосфорборсодержащего олигомера в воде добавляли навеску алюмосиликатных полых микросфер МСФ (в соответствии с рецептурой) и микроуглеродных волокон МУВ в количестве 10,0 масс. % от массы каучука и перемешивали в течение 5 минут. Затем смесь помещали в термостат при 100 °C и сушили до постоянной массы.
Резиновую смесь готовили на лабораторном резиносмесителе «Брабендер» при температуре камеры 40–70 °C. Продолжительность смешения 15 минут. Затем проводили вулканизацию резиновой смеси при температуре 165 °C в течение 60 минут. Полученные образцы подвергли необходимым испытаниям.
Таким образом, 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 нанесенный на смесь алюмосиликатных полых микросфер МСФ и микроуглеродных волокон МУВ посредством их термостатирования при 100 °C в растворе предварительно нейтрализованного водным раствором аммиака 0,5 масс.% раствора фосфорборсодержащего олигомера ФБО в воде, при заявленном соотношении компонентов, обладает большей длительностью теплозащитной эффективности.