Эпоксидная композиция
Владельцы патента RU 2287003:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт полимерных материалов" (RU)
Изобретение относится к получению эпоксидной клеевой композиции, применяемой в ракетной технике для бронирования зарядов из баллистического и смесевого твердого топлива, используется для подготовки корпусов и заполнения смесевым топливом, для изготовления и склеивания "сухарей". Композиция включает следующее соотношение компонентов, мас.%: 22-26 эпоксидно-диановой смолы с содержанием эпоксидных групп от 13% до 15%, 22-26 эпоксидно-диановой смолы с содержанием эпоксидных групп от 20% до 22,5%, 19-22 олигоэфиракрилата в качестве модификатора, 5-8 1,3-метафенилендиамина в качестве аминного отвердителя, 22-25 двуокиси титана в качестве наполнителя. Изобретение позволяет повысить механические, эластические, адгезионные и эксплуатационные характеристики. 2 табл.
Изобретение относится к области ракетной техники и касается разработки эпоксидной заливочной композиции для бронирования зарядов как из баллиститного, так и из смесевого твердого топлива.
Известно, что для вкладных зарядов из твердого ракетного топлива (ТРТ) наиболее эффективными являются заливочные композиции на основе ненасыщенных полиэфирных смол, поскольку нанесение бронесостава (БС) на их основе на заряды осуществляется известным и доступным способом - методом свободной заливки в зазор между корпусом и зарядом из ТРТ. Однако эти бронепокрытия (БП) нестойки в течение гарантийного срока хранения, поскольку происходит миграция нитроэфиров (НЭ), в частности нитроглицерина из ТРТ в БП.
Для снижения процесса миграции НЭ и повышения огне-эрозионной стойкости и механической прочности БП в практике ракетной техники широко применяют различные наполнители на органической и минеральной основе, путем введения их в БС.
Для бронирования зарядов из баллиститного и смесевого ТРТ необходимо обеспечить высокий уровень адгезионной прочности ввиду разнородности механических и адгезионных свойств ТРТ и БС, участки контакта их являются точками концентрации напряжений. Склеивание нескольких разнородных материалов (корпус РД из различных материалов, в том числе и стеклопластик, и ТРТ), входящих в конструкцию изделий, обычно достигается путем применения различных композиций, которые служат для компенсации возникающих напряжений.
Известна эпоксидная композиция РФ №2247133 на основе эпоксидной диановой смолы, аминного отвердителя, пластификатора - производных фталата и механической смеси окиси цинка и аэросила.
В книге краткий энциклопедический словарь "Энергетические конденсированные системы" под редакцией академика Б.П.Жукова описаны бронирующие составы для вкладных зарядов ТРТ на основе эпоксидно-диановых, эпоксидно-алифатических и эпоксидно-анилиновых смол и различных каучуков низкомолекулярного ПДИ-3А, бутилкаучука и др. Несмотря на пригодность для бронирования и скрепления зарядов с камерой ракетного двигателя известных бронирующих составов, они обладают недостатком - неустойчивостью к НЭ и отсутствием огне-эрозионной стойкости с использованием предусмотренных наполнителей.
Известна композиция (заявка 2576261 от 31.01.78 г., C 08 L 63/02) на основе эпоксидно-диановой смолы, модификаторов - карбоксилатного и дивинилпипериленового каучуков, отвержденных полиэтиленполиамином.
Наиболее близким аналогом является эпоксидная композиция - патент RU №2247133, С2, 27.02.2005 - прототип. Данная композиция обладает высокими механическими характеристиками, но не может быть использована из-за низких деформационных характеристик, которые составляют при 20°С - 1,3-1,9%, при 50°С - 5,4-7,4%, при минус 50°С - 0,5-0,8%.
Для достижения поставленной цели необходим состав с приемлемой текучестью, достаточной живучестью и высоким уровнем механических, эластических и адгезионных характеристик.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка эпоксидной композиции для прочного скрепления корпусов РД с зарядом из ТРТ с повышенным уровнем механических, эластических, адгезионных, миграционных и эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается за счет того, что в качестве эпоксидно-диановой смолы композиция содержит смесь эпоксидной смолы с содержанием эпоксидных групп в пределах от 20% до 22,5% в сочетании с модификатором - олигоэфиракрилатом и эпоксидно-диановой смолой с содержанием эпоксидных групп в пределах от 13% до 15%, в качестве отвердителя 1,3-метафенилендиамин, а в качестве наполнителя двуокись титана, при следующем соотношении компонентов, % мас.:
| - эпоксидно-диановая смола с содержанием эпоксидных групп | |
| от 13% до 15% (ТУ 2225-154-05011907-97) | 22-26 |
| - эпоксидно-диановая смола с содержанием эпоксидных групп | |
| от 20% до 22,5% (ГОСТ 10587-84) | 22-26 |
| - олигоэфиракрилат (ТУ 6-16-2010-82) | 19-22 |
| - 1,3-метафенилендиамин (ТУ 6-36-0204229-260-89) | 5-8 |
| - двуокись титана (ГОСТ 9808-84) | 22-25 |
Использование в эпоксидной композиции сочетания эпоксидно-диановых смол Э-40 с содержанием эпоксидных групп в пределах от 13% до 15% и ЭД-20 с содержанием эпоксидных групп в пределах от 20% до 22,5% с олигоэфиракрилатом ТГМ-3 позволяет улучшить ее технологические, эластические и адгезионные свойства к разнородным материалам. Олигоэфиракрилат ТГМ-3 представляет собой продукт этерификации метакриловой кислоты триэтиленгликолем в среде растворителя - толуола. Молекулярная масса ТГМ-3 - 286 у.е.
Наполнение двуокисью титана придает композиции тиксотропные свойства, приемлемую вязкость и позволяет увеличить живучесть до 9-12 часов при температуре 20°С, 5-7 часов при температуре 30°С и до 1,5-2 часов при температуре 60°С и придать отвержденной эпоксидной композиции антимиграционную устойчивость к нитроэфирам на стадиях изготовления и в течение длительного гарантийного срока хранения зарядов.
Эпоксидную композицию готовят в обычных смесителях следующим образом: эпоксидно-диановые смолы Э-40, ЭД-20 и олигоэфиракрилат ТГМ-3 перемешивают при температуре 60°С при остаточном давлении 20 мм рт.ст. в течение 10-20 минут, затем вводят навеску двуокиси титана, перемешивают при температуре 60°С в течение 5-10 минут без вакуума и 20-30 минут при остаточном давлении 20 мм рт.ст., затем понижают температуру до 45-50°С и вводят метафенилендиамин с последующим перемешиванием в течение 5-10 минут при остаточном давлении 20 мм рт.ст.
В таблице 1 приведена рецептура предлагаемой эпоксидной композиции в сравнении с прототипом
| Таблица 1 Рецептура предлагаемой эпоксидной композиции и прототипа | ||||||
| Наименование компонентов | Содержание компонентов, % мас. | |||||
| Прототип | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | Пример 5 | |
| Эпоксидно-диановая смола Э-40 с содержанием эпоксидных групп 14% мас. | 22,0 | 26,0 | 24,6 | 26,0 | 25,0 | |
| Эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с содержанием эпоксидных групп 21% мас. | 67,14 | 26,0 | 22,0 | 24,6 | 25,0 | 23,0 |
| Алифатическая смола (ДЭГ-1) | 7,46 | |||||
| ПЭПА | 10,4 | - | - | - | - | - |
| 1,3-метафенилендиамин | - | 8,0 | 6,0 | 6,9 | 5,0 | 7,0 |
| Диоктилфталат | 7,5 | - | - | - | - | - |
| Олигоэфиракрилат ТГМ-3 | - | 19,0 | 21,0 | 20,5 | 22,0 | 21,0 |
| Окись цинка | 4,5 | - | - | - | - | - |
| Аэросил | 3,0 | - | - | - | - | - |
| Двуокись титана | - | 25,0 | 25,0 | 23,4 | 22,0 | 24,0 |
Свойства предлагаемой эпоксидной композиции и прототипа приведены в таблице 2.
| Таблица 2 Свойства предлагаемой эпоксидной композиции и прототипа | ||||||
| Наименование | Свойства предлагаемой эпоксидной композиции и прототипа | |||||
| показателя | Прототип | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | Пример 5 |
| 1. Вязкость, Па·с, | ||||||
| при плюс 20°С | - | 19,4 | 19,3 | 18,6 | 18,1 | 18,4 |
| плюс 30°С | - | 9,1 | 9,0 | 8,2 | 8,0 | 8,1 |
| плюс 60°С | 4,5 | 1,5 | 1,3 | 1,0 | 0,9 | 1,1 |
| 2. Живучесть при температуре 20°С, | ||||||
| мин | 60 | 350 | 400 | 420 | 410 | 360 |
| 3. Сорбционная стойкость к нитро-эфирам в % при термостатировании 60°С в течение | ||||||
| 20 суток | 0,69 | 0,61 | 0,64 | 0,65 | 0,63 | 0,61 |
| 60 суток | 0,79 | 0,70 | 0,75 | 0,75 | 0,73 | 0,71 |
| 4. Предел прочности при растяжении, кгс/см2, | ||||||
| при плюс 20°С | 251-287 | 230,7 | 237,0 | 230,0 | 225,7 | 217,1 |
| плюс 50°С | 135-163 | 32,6 | 38,6 | 34,0 | 34,1 | 33,0 |
| минус 50°С | 131-172 | 470,0 | 439,0 | 450,0 | 450,0 | 437,0 |
| 6. Относительное удлинение при растяжении, % | ||||||
| при плюс 20°С | 1,3-1,9 | 8,7 | 8,6 | 9,0 | 9,0 | 8,9 |
| плюс 50°С | 5.4-7,4 | 25,2 | 26,1 | 28,0 | 27,6 | 27,9 |
| минус 50°С | 0,5-0,81 | 3,5 | 3,7 | 4,0 | 3.9 | 3,9 |
| 7. Модуль упругости при растяжении, | ||||||
| кгс/см2, | 14190- | |||||
| при плюс 20°С | 16509 | 4650 | 4980 | 5000 | 4900 | 4760 |
| плюс 50°С | 3915- | |||||
| 4236 | 180 | 186 | 200 | 190 | 196 | |
| минус 50°С | ||||||
| 22700-26710 | 12150 | 13200 | 14000 | 13950 | 12190 |
| Продолжение таблицы 2 | ||||||
| Наименование показателя | Свойства предлагаемой эпоксидной композиции и прототипа | |||||
| Прототип | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | Пример 5 | |
| 8. Прочность адгезии при отрыве, | ||||||
| кгс/см2, плюс 20°С | 9,0-9,9К | 16,6К | 18,5К | 18,7К | 18,1К | 17,9К |
| плюс 50°С | 6,0-7,1К | 9,0К | 10,7К | 10,9К | 9,2К | 9,9К |
| минус 50°С | 16,9- | |||||
| 19,5 К | 117,3К | 121,0К | 122,3К | 119,6К | 115,6К | |
| 9. Прочность адгезии при сдвиге, | ||||||
| кгс/см2, | 18,5- | |||||
| при плюс 20°С | 19,1 К | 115,6К | 116,1К | 117,0К | 115,6К | 115,9К |
| плюс 50°С | 12,0- | |||||
| 12,9 К | 59,0 К | 50,9 К | 61,3К | 61,0К | 60,3К | |
| минус 50°С | 34,1- | |||||
| 35,1К | 261,0К | 267,2К | 270,0К | 269,ЗК | 268,0К | |
| ПРИМЕЧАНИЕ: 1. Прочность адгезии по п.п.8-9 определяли на образцах адгезионного соединения "грибок Ст.3 + эпоксидная композиция + таблетка из материала ТРТ + эпоксидная композиция + грибок Ст.3". 2. Характер разрушения образцов: А - адгезионный; К - когезионный. |
Из данных, представленных в таблице 2, видно, что предлагаемая эпоксидная композиция существенно отличается по своим характеристикам от прототипа. Прототип, обладая высокой механической прочностью при растяжении от 251-287 кгс/см2, имеет низкое относительное удлинение на уровне 1,3-1,9% при температуре 20°С и 0,5-0,8% при температуре минус 50°С, а также характеризуется очень высоким модулем упругости, например, при температуре минус 50°С 227000-26710 кгс/см2, что свидетельствует о хрупкости материала. Естественно, что с такими характеристиками невозможно обеспечить уровень требуемых внутрибаллистических характеристик зарядов.
Компоненты эпоксидной композиции паспортизованы и выпускаются в промышленном масштабе Российского химического комплекса.
Предлагаемая эпоксидная композиция имеет следующие достоинства:
1. Обладает хорошими технологическими свойствами, необходимыми для обеспечения высокого качества бронирования зарядов из баллиститного и смесевого твердого топлива;
- приемлемой вязкостью (˜20 Па·с);
- большой живучестью (не менее 7 часов при температуре 20°С);
- высокими эластическими характеристиками (до 4,0% при температуре минус 50°С, против 0,5-0,8% у прототипа, до 28% при температуре 50°С, против 5,4-7,4%);
- высокой сорбционной стойкостью к нитроэфирам;
- широким диапазоном эксплуатации (от минус 50°С до плюс 50°С).
2. Обеспечивает уровень требуемых внутрибаллистических характеристик заряда в широком диапазоне температур.
3. Данную эпоксидную композицию можно использовать для изготовления и склеивания "сухарей".
Испытания натурных зарядов из баллиститного ТРТ с использованием предлагаемой эпоксидной композиции производились на ФГУП "Пермский завод им. С.М.Кирова" и показали положительную работоспособность их в широком интервале температур (от минус 50°С до плюс 50°С) при заданных эксплуатационных нагрузках.
Эпоксидная клеевая композиция, включающая эпоксидно-диановую смолу, модификатор, аминный отвердитель, наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве эпоксидно-диановой смолы композиция содержит смесь эпоксидно-диановой смолы с содержанием эпоксидных групп в пределах 20 - 22,5% в сочетании с модификатором - олигоэфиракрилатом и эпоксидно-диановой смолой с содержанием эпоксидных групп в пределах 13 - 15%, в качестве отвердителя 1,3-метафенилендиамин, а в качестве наполнителя двуокись титана, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| эпоксидно-диановая смола с содержанием | |
| эпоксидных групп 13 - 15% | 22-26 |
| эпоксидно-диановая смола с содержанием | |
| эпоксидных групп от 20 - 22,5% | 22-26 |
| олигоэфиракрилат | 19-22 |
| 1,3-метафенилендиамин | 5-8 |
| двуокись титана | 22-25 |
