Композиционный материал для герметизации

Изобретение относится к области материалов для герметизации технических изделий и технологических приспособлений производственного назначения, в том числе для герметизации формообразующей технологической оснастки. Композиционный материал для герметизации включает низкомолекулярный диметилсилоксановый каучук СКТН, силиконовый каучук СКТ, отвердитель в виде смеси тетраэтоксисилана или его производных с оловоорганическим катализатором. Изобретение обеспечивает надежность герметизации технологической оснастки в течение всего технологического цикла, оптимальное сочетание исходных вязкотекучих свойств и физико-механических характеристик вулканизата, а также легкую и бездефектную разгерметизацию технологической оснастки, например, формоостнастки. 3 табл., 9 пр.

 

Изобретение относится к области материалов для герметизации технических изделий и технологических приспособлений производственного назначения, в том числе для герметизации формообразующей технологической оснастки. Оно может, в частности, найти применение в производстве изделий из термореактивных полимерных материалов (ТПМ).

К материалам герметизации предъявляется комплекс специальных требований, включающих как требования по составу, так и требования технологического характера. Например, в ряде случаев исходная вязкость материалов должна быть минимальна для заполнения узких и глубоких отверстий, а достигаемая твердость должна быть достаточно велика, для того, чтобы механические воздействия, сопровождающие химические превращения, не могли бы привести к разгерметизации системы. С другой стороны, физические свойства материалов должны предусматривать бездефектную разборку технологической оснастки по завершении необходимого цикла получения изделий.

Наиболее целесообразен поиск материалов с отмеченным комплексом свойств среди силиконовых эластомеров. Их применение дает возможность производить операции бездефектной разгерметизации при разборке оснастки.

Известен отечественный заливочный материал на основе диметилсилоксанового каучука, наполненный неорганическим наполнителем и содержащий в качестве структурирующего агента тетроэтоксисилан. Материал отверждают дибутилдистеаратом или дифенилдистеаратум олова (а.с. СССР №128461). Известна отечественная заливочная композиция на той же основе силиконов, наполненная каолином или белой сажей и отверждаемая смесью этилсиликата и октоата олова (а.с. СССР №496293). Однако, упомянутые материалы при удовлетворительной конечной прочности вулканизата ни по своей исходной рабочей вязкости, ни по скорости набора необходимых свойств не соответствуют технологическим требованиям. Свойства их вулканизатов не гарантируют необходимых условий разгерметизации оснастки.

Несколько лучшими свойствами обладает заливочная композиция, сочетающая свободную текучесть с регулируемым периодом тексотропности (а.с. СССР №730762). Это достигается за счет подбора состава наполнителей. При этом, возможна заливка сложных рельефов композицией с дальнейшим наращиванием слоя по толщине. Однако, как эта композиция, так и ее зарубежный аналог (заявка Японии №58-157860, МКИ C08L 83/04) имеют высокую исходную вязкость, которая препятствует бездефектному заполнению геометрически сложных каналов. Кроме того, значительная твердость вулканизата может не обеспечить сохранения целостности конструкции изделия при разборке пресс-формы. По этой же причине технологические возможности наполненных отечественных герметиков на основе силоксановых каучуков, описанные в а.с. СССР №126175 и 950740 также не полностью удовлетворяет комплексу предъявляемых требований.

Разработан состав для герметизации элементов пресс-форм, принятый за прототип настоящего изобретения (патент РФ 2303620). Он имеет низкую вязкость до отверждения, хорошую заполняемость геометрически сложных каналов, а также необходимую твердость к концу полимеризации изделия из ПТМ. Поломка конструктива отвержденного изделия исключается. Результат достигается тем, что состав на основе низкомолекулярного силоксанового каучука не содержит наполнителя, а компоненты взяты в соотношении масс.ч: тетраэтоксисилан 1,0-2,5; диэтилдикаприлат олова 1,0-5,0; диметилсилоксановый каучук - остальное. Согласно описанию изобретения прототипа, именно отсутствие наполнителя в составе позволяет обеспечить переход из состояния твердого вулканизата в желеобразное состояние под воздействием температуры и давления, а именно: в диапазоне температуры 50-90°C и давлении 40-60 кгс/см². При этом жизнеспособность состава после смешения компонентов достаточна для бездефектного заполнения герметизирующей полости. Однако очевиден ряд недостатков композиции прототипа:

При хорошей исходной текучести заполнение происходит слишком долго и жизнеспособность материала достигает 2,5 часов. При низкой исходной вязкости за такой период вероятно не только заполнение всего профиля, но и частичное протекание из заливаемого канала в любые неплотности пресс-формы (см. чертеж в описании прототипа) с попаданием на иные рабочие поверхности, например, на поверхность деталей 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, и в камеру отверждения ТПМ. Это, с одной стороны, чревато нарушением состава целевого изделия, а, с другой стороны, может по окончании процесса возникнуть необходимость непредусмотренного разъема по иным плоскостям формы.

Термические воздействия при 50-90°C и давлении в пресс-форме 40-60 кгс/см² могут вызвать самопроизвольное подтекание практически полностью утратившего твердость материала (см. табл.1). Твердость материала после 20 часов термовоздействий может быть настолько низка, что произойдет саморазгерметизация. Материал приведенного состава не может обладать сколько-нибудь существенной прочностью на разрыв и на раздир (максимальное значение достигает только 0,4 МПа, тем более при нагреве и давлении). При такой прочности в случаях образования воздушных включений в камере герметизации возможно возникновение деформаций и растрескивание по материалу с нарушением герметичности.

Остается неясным, почему в составе композиции прототипа количество ускорителя вулканизации (диэтилдикаприлата олова) превосходит количество сшивателя (тетроэтоксисилана), непосредственно ответственного за структурообразование полимера. При проведении процесса отверждения сшивателя может не хватить. И диэтилдикприлат олова окажется в свободном неизрасходованном избытке при повышенной температуре. При этом вероятно негативное влияние, как на общую скорость отверждения, так и на динамику набора вулканизатом необходимой прочности и твердости. Данные таблицы, помещенной в описании прототипа, указывают, что содержание диэтиладикаприлата не позволяет гарантировать отсутствие свободной жидкости в составе герметизирующего шва при указанных температуре и давлении.

Технической задачей изобретения является создание композиционного материал для герметизации технологической оснастки с целью обеспечения надежности герметизации в течение всего технологического цикла. Должен быть разработан композиционный материал, в том числе и для герметизации технологической формообразующей оснастки с оптимальным сочетанием исходных вязкотекучих свойств и физико-механических характеристик вулканизата материала. Другой технической задачей является обеспечение за счет разработанного материала легкой и бездефектной разгерметизации систем, например, формоостнастки, содержащей разработанный материал. Решение технической задачи достигается тем, что композиционный материал, содержащий в качестве основы низкомолекулярный силиконовый каучук СКТН, в качестве отвердителя смесь тетроэтоксисилана или его производных с оловоорганическим катализатором дополнительно содержит силиконовый каучук СКТ, причем компоненты взяты в следующем соотношении, масс.ч.:

Силиконовый каучук СКТ	10-20
Тетроэтоксисилан или его производные	10-20
Оловоорганический катализатор	0,8-3,0
Силиконовый каучук СКТН -	58,8-79,2

При введении силиконового каучука СКТ в количествах менее 10 масс.ч., не достигается заметного эффекта улучшения эластичности и повышения прочности вулканизата. При введении силиконового каучука СКТ в количествах больше 20 масс.ч., исходная вязкость материала не обеспечивает быстрого канала герметизации и выхода воздушных включений из объема материала, кроме того, при данном количестве отверждающей системы, набор вязкости происходит слишком быстро.

При введении оловоорганического катализатора в количествах менее 0,8 масс.ч. не достигается необходимая скорость отверждения. При содержании катализатора более 3 масс.ч. вязкость нарастает слишком быстро, препятствуя заполнению каналов герметизации без воздушных включений.

Введение тетраэтоксисилана и его аналогов в количествах до 10 масс.ч. не позволяет достигнуть нужной текучести материала, содержащего вязкий каучук СКТ, а также необходимой скорости сшивания силиконовой матрицы. При содержании более 20 масс.ч. возникают предпосылки образования значительного избытка свободной жидкости в объеме и, как следствие, преждевременной потери прочности вулканизата под действием температуры и давления.

Применение материала указанного состава в пределах приведенных соотношений компонентов позволяет достигнуть рабочей вязкости, необходимой для заполнения узких профилей и каналов с переходящей площадью сечения. Одновременно достигаются степень жизнеспособности, не превышающая 0,5 ч и динамика нарастания вязкости, допускающая всплытие воздушных включений и вытеснение их жидким составом материалов, необходимые прочностные характеристики вулканизата и эластичность (способность к неразрушающим обратимым деформациям). Избыток распределенного тетроэтоксисилана или его производных в составе заявляемого материала позволяет обеспечить частичную деструкцию герметичных швов под действием температуры и последующего нагрева даже до 90°C с бездефектным разъемом формы и отделением материала от поверхности формы при очистке и повторной сборке.

В табл.1 приведены рецептуры заявляемого материала, различные варианты.

В табл.2 приведены свойства заявляемого материала с различными рецептурами.

В табл.3 приведены сравнительные характеристики заявляемого материала и материала прототипа.

ТАБЛИЦА 1
Рецептура композиционного материала
Наименование компонентов	Содержание компонентов, масс.ч.
1	2	3	4	5	6	7	8
Диметилсилоксановый каучук СКТН; М. масса 20 тыс. - 40 тыс.	79,2	58,8	65,4	62,0	72,9	67,0	63,2	68,3
Тетроэтоксисилан	10	20	15	18
Этилсиликат-40					10	16
Этилсиликат-32							15	20
Диэтилдикаприлат олова	0,8	1,2	1,6	3,0
Октоат олова					1,1	2,0	1,8	1,7
Каучук СКТ	10	20	18	17	16	15	20	10

Следует отметить, что тетроэтоксисилан и его производные выполняют несколько функций, связанных с физико-технологическим поведением композиционного материала по существу его целевого применения.

Разведение материала, содержащего вязкий каучук СКТ до необходимой степени текучести.

Сшивка каучуков СКТ и СКТН в единую пространственную макромолекулярную сетку повышенной прочности.

Заполнение пространства между макромолекулами системы, приводящее к частичной деструкции под воздействием температуры и давления.

Физические свойства каучука СКТ в указанных пределах определяют изменения физико-механических характеристик композиций в вулканизованном состоянии в сравнении с прототипом, регулирование условий заполнения и вулканизации за счет оптимального подбора вязкотекучих свойств.

Указанные пределы содержания оловоорганического катализатора обеспечивают необходимые условия для бездефектного заполнения герметизируемой полости пресс-формы и своевременного набора вязкости для предотвращения бесконтрольного дальнейшего протекания материала в неплотностях формы.

ТАБЛИЦА 2
Свойства композиционного материала
Параметр материала	1	2	3	4	5	6	7	8
Жизнеспособность при 20°C, ч.	3,0	2,0	0,8	0,4	1,0	0,7	0,6	0,5
Твердость вулканизата, усл. ед. по истечении 24 час	15	16	20	19	16	15,5	14	14
Время полного отверждения, час	24	24	24	24	24	24	24	24
Исходная вязкость при 20°C, Па/с	120	160	150	155	160	150	140	ПО
Относительное удлинение при разрыве, %	70	90	120	100	115	ПО	140	ПО
Прочность на разрыв, МПа	0,6	1,3	1,8	1,5	1,2	1,0	1,7	0,9

Параметры получены для композиций с содержанием диэтилдикаприлата олова 0,5 м.ч.

Из данных табл.2 следует, что для материала с рецептурой 1 и материала с рецептурой 2 время жизни слишком велико. Эффект применения заявляемой композиции минимален. Рецептура 3-8 требованиям технической задачи соответствует.

ТАБЛИЦА 3
Сравнительные характеристики заявляемого композиционного материала в сравнении с материалом прототипа
Параметр материала	3	4	5	6	7	8	Прототип
I	II	III
Жизнеспособность при 20°C, ч.	0,8	0,4	0,9	0,7	0,6	0,5	0,8	1,0	2,5
Твердость вулканизата, усл.ед. по истечении 24 ч.	20	19	16	15,5	14	14	-	-	-
Твердость вулканизата после 20 часов термостатирования	14	12	22	18	20	22	20	16	10
Время полного отверждения, час	24	24	24	24	24	24	40	48	60
Вязкость при 20°C, Па/с	200	190	160	155	140	140	150	140	120
Относительное удлинение при разрыве, %	120	100	115	ПО	140	100	50	45	45
Прочность на разрыв, МПа	1,8	1,5	1,2	1,0	1,7	0,9	0,4	0,3	0,4

Как следует из данных табл.1, табл.2, табл.3 заявляемый композиционный материал для герметизации имеет существенные отличия от материала патента прототипа:

Время «жизни» заявляемого материала меньше, чем у материала прототипа, но достаточно для заполнения каналов герметизации при данной вязкости.

Время полного отверждения не превышает 24 часов, в то время как для прототипа оно достигает 60-ти часов, сам процесс полной герметизации происходит быстрее.

Значения относительного удлинения вулканизата выше,

следовательно, он обладает существенно более высокой эластичностью и меньшей жесткостью.

Прочность на разрыв заявляемого вулканизата выше, что позволяет создать большее сопротивление разрушающим деформациям на первоначальном этапе технологического процесса, однако, благодаря механизму температурного воздействия на заявляемый материал его конечная прочность удовлетворяет условиям бездефектной разборки формы.

Благодаря уменьшению времени «жизни» и отверждения уменьшается вероятность бесконтрольного протекания неотвержденного материала по неплотностям формы, а технологически необходимое время вулканизации меньше. Результат практической разгерметизации, произведенной на моделях и макетах различной конфигурации в условиях, аналогичных условиям прототипа продемонстрировали возможности бездефектной разгерметизации оснастки. Таким образом, решена техническая задача изобретения по созданию композиционного материала, в частности, материала для герметизации технологической оснастки с целью обеспечения надежной герметизации в течение всего технологического цикла.

Достигнуто оптимальное сочетание исходных вязкотекучих свойств материала и физико-механических свойств его вулканизата.

Обеспечена возможность технологически легкой и бездефектной разгерметизации без повреждения изготовленного изделия. Таким образом, сформулированную в данной заявке техническую задачу можно считать решенной.

Заявляемая композиция в виде образцов в широком диапазон представленного состава, макетов и моделей, разработана, испытана и рекомендована к практическому внедрению в ЗАО «КТС».

Заявитель просит рассмотреть представленный композиционный материал для герметизации на предмет выдачи патента на изобретение.

Композиционный материал для герметизации, включающий низкомолекулярный диметилсилоксановый каучук СКТН, отвердитель в виде смеси тетераэтоксисилана или его производных с оловоорганическим катализатором, отличающийся тем, что он дополнительно содержит силиконовый каучук СКТ, а компоненты взяты в соотношении, мас.ч.:

Силиконовый каучук СКТ	10-20
Тетраэтоксисилан или его производные	10-20
Оловоорганический катализатор	0,8-3,0
Силиконовый каучук СКТН	58,8-79,2