Металлополимерная композиция
Владельцы патента RU 2596762:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области наполненных полимерных композиций на основе эпоксидных олигомеров для выравнивания внешней поверхности вертолетов и самолетов. Металлополимерная композиция включает эпоксикремнийорганическую смолу с молекулярной массой от 350 до 420 (90,0-110,0 мас.ч.), алюминиевый порошок (80,0-300,0 мас.ч.) и низкомолекулярный полиамид, являющийся отвердителем и пластификатором (55,0-80,0 мас.ч). Для повышения эластичности композиция может дополнительно содержать модификатор - бутидиенакрилонитрильный каучук с молекулярной массой от 20000 до 30000. Для улучшения технологических свойств дополнительно композиция может содержать наполнитель, в частности природный либо искусственный силикат магния, или алюминия, или кальция, или их смеси в количестве от 80,0 до 120,0 мас.ч. Применение предлагаемого состава полимерной композиции позволяет повысить температуру эксплуатации на 70°C, прочность при ударе и эластичность шпатлевочного слоя. Металлополимерная композиция (шпатлевка) обладает высокой адгезией к поверхности, повышенной прочностью при ударе, эластичностью при растяжении при температурах эксплуатации от -60°C до 150, а также хорошими технологическими характеристиками и низкой усадкой при отверждении. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 пр.
Изобретение относится к области наполненных полимерных композиций на основе эпоксидных олигомеров для выравнивания внешней поверхности вертолетов и самолетов.
При отливке деталей из алюминиевых сплавов наряду с допустимыми дефектами встречаются отдельные поры и раковины глубиной 1-3 мм, которые по условиям работы деталей не допустимы.
Развитие высокоскоростной авиации предъявляет новые требования к качеству внешних поверхностей самолетов. Для выравнивания внешней поверхности летательных аппаратов широко применяются шпатлевочные материалы. Шпатлевочные материалы применяются для выравнивания щелей, зазоров, ступенек на внешней поверхности самолета, а также неровностей в местах крепежных соединений.
Шпатлевочные материалы, применяемые для выравнивания внешней поверхности самолетов, должны обладать высокими механическими характеристиками, устойчивостью к термоудару, сохранять свои прочностные характеристики даже при повышенных температурах (аэродинамичекий нагрев) и знакопеременных динамических нагрузках, которые испытывают конструкции летательных аппаратов при эксплуатации.
Кроме того, такие шпатлевочные материалы должны обладать высокой адгезией к алюминиевым сплавам, высокой механической прочностью при температурах эксплуатации, обеспечивать надежное заполнение зазоров между деталями, обладать устойчивостью к вибрации и удару, обеспечить хорошие декоративные свойства поверхности.
Известен состав шпатлевки для выравнивания металлических и неметаллических поверхностей, включающий ненасыщенный полиэфир, пигмент, аэросил, ускоритель, катализатор (50% паста пероксида бензоила), стирол, нефтеполимерную лакокрасочную смолу с молекулярной массой 1500-20000 и наполнитель (SU 1712376, C09D 5/34, опубл. 15.02.1992). Недостатками указанного состава является невысокая жизнеспособность композиции, что делает ее недостаточно технологичной при нанесении, поскольку невысокая жизнеспособность шпатлевки после смешения с отвердителем не обеспечивает стабильность свойств материала на протяжении технологического цикла нанесения его на поверхность, а также высокая жесткость получаемого шпатлевочного слоя.
Известна эпоксидная шпатлевка, которая может использоваться для выравнивания дефектов поверхности и заделки вмятин, включающая эпоксидную диановую смолу, пластификатор - поливинилбутиральную пленку), отвердитель аминного типа, изоборниловый эфир, алюминиевую пудру или графит, а также спирт или эфирсодержащий растворитель (RU 2000307, C09D 163/00, опубл. 07.09.1993). Недостатком этой шпатлевки является недостаточно высокая адгезия к анодированным алюминиевым сплавам, а также невысокая механическая прочность и эластичность шпатлевочного слоя.
Известна шпатлевка для выравнивания металлической поверхности кузова автомобилей, включающая эпоксидную диановую смолу, отвердитель - агидол АФ-2 или АФ-2М, двуокись титана, борит, олигоэфиэпоксид (лапроксид), морфолиновую смолу (SU 1781262, C09D 5/34, опубл. 15.12.1992). Недостатком шпатлевки является присутствие растворителя в рецептуре шпатлевки, что приводит к усадке шпатлевочного слоя, образованию внутренних напряжений, повышению жесткости.
Известен способ заделки дефектов, к которым предъявляются высокие требования по герметичности. Дефект заполняют герметизирующей композицией, включающей анаэробный герметик на основе олигоэфиракрилата, эпоксидную смолу, отвердитель аминного типа и железосодержащий металлический порошок в количестве, обеспечивающем тиксотропное состояние композиции (RU 2084323, В23Р 6/00, опубл. 20.07.1997). Существенным недостатком данного способа заделки дефектов является наличие в рецептуре композиции железосодержащего металлического порошка, поэтому данная композиция не может применяться для алюминиевых сплавов, поскольку контакт алюминия с железосодержащим порошком может способствовать развитию коррозии.
Известна эпоксидная шпатлевка (SU 410063, C09D 5/34, опубл. 05.01.1974), которая может быть использована для отделки поверхностей летательных аппаратов с целью повышения аэродинамических и декоративных свойств следующего состава, мас.ч.:
| Эпоксидная смола | 100,0 |
| Полиэтиленполиамид | 50,0-70,0 |
| Алюминиевый порошок сферической | |
| формы с удельной поверхностью | |
| 1550-1740 см2/г | 200,0-500,0 |
Недостатком данной шпатлевки является недостаточно высокая прочность при ударе, невысокая эластичность, а также недостаточная технологичность (имеет место стекание шпатлевки с вертикальных поверностей при формировании слоя).
Известна теплостойкая клеевая композиция, обладающая высокой прочностью, включающая новолачную фенолоформальдегидную смолу, резольную фенолоформальдегидную смолу, кремнийорганический олигомер - гидроксилсодержащий титанкремнийорганический олигомер или метилфенилспиросилокс - олигомер в виде раствора в ацетоне, органический растворитель - этиловый спирт, а также наполнители - порошок алюминиевый и бор аморфный (RU 2276679, C09J 161/14, опубл. 20.05.2006). Следует отметить, что указанная композиция обладает высокой теплостойкостью, адгезионной прочностью, а также механической прочностью. Недостатком данной композиции является наличие летучих компонентов, что допускает образование пор при формировании слоя, снижающих прочностные и влагозащитные свойства.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является металлополимерная композиция (RU 2100394, C09D 5/34, опубл. 27.12.1997) для заделки глубоких и мелких дефектов на различных поверхностях, которые эксплуатируются в зоне воздействия повышенной влажности, применяемая в качестве шпатлевки, следующего состава, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 27-40 |
| Дибутилфталат | 2-6 |
| Алюминиевая пудра | 4,5-9,0 |
| Алюминиевый порошок | |
| сферической или каплевидной формы | 36-53 |
| Аминофенолы на основе производных этиленаминов | |
| или аддукт последних с эпоксидным олигомером | 6-9 |
Недостатками данной композиции являются невысокие механические характеристики, а также невысокая теплостойкость.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является высокая адгезия шпатлевки к поверхности, повышенная прочность при ударе, эластичность при растяжении при температурах эксплуатации от -60°C до 150, а также хорошие технологические характеристики и низкая усадка при отверждении шпатлевочной композиции.
Для достижения поставленного технического результата предложена металлополимерная композиция для выравнивания внешних поверхностей летательных аппаратов или для заделки дефектов алюминиевого и магниевого литья, включающая эпоксидную смолу и алюминиевый порошок, при этом композиция дополнительно содержит низкомолекулярный полиамид, являющийся отвердителем и пластификатором, а в качестве эпоксидной смолы эпоксикремнийорганическую смолу с молекулярной массой от 350 до 420, с содержанием эпоксидных групп от 12 до 14% и массовой долей нелетучих веществ от 98,5 до 99,0, массовой долей кремния не менее 5,0% (ОСТ 6-05-448-90), при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| эпоксикремнийорганическая смола | |
| с молекулярной | |
| массой от 350 до 420 | 90,0-110,0 |
| низкомолекулярный полиамид | 55,0-80,0 |
| алюминиевый порошок | 80,0-300,0 |
Для оптимизации времени застывания металлополимерной композиции применяют эпоксикремнийорганическую смолу, содержащую эпоксидные группы с массовой долей 12-14%.
Для улучшения технологических свойств композиция может дополнительно содержать наполнитель, в частности природный либо искусственный силикат магния, или алюминия, или кальция, или их смеси в количестве от 80,0 до 120,0 мас.ч.
Для повышения эластичности композиция может дополнительно содержать модификатор - бутидиенакрилонитрильный каучук с молекулярной массой от 20000 до 30000 в количестве 8,0-15,0 мас.ч., который используется в композиции в виде раствора в бутилацетате.
Применение предлагаемого изобретения для выравнивания таких дефектов поверхности, как ступеньки, зазор в стыках обшивки, неровности в местах крепежных соединений, значительно облегчает подгонку деталей при сборке, а также способствует повышению аэродинамических характеристик и повышению надежности антикоррозионной защиты изделий.
Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность использования указанного состава для заделки дефектов алюминиевого и магниевого литья (раковин, крупных пор и др. дефектов).
При содержании эпоксидной смолы менее 90 мас.ч. происходит резкое снижение эластичности композиции, а при содержании более 110 мас.ч. наблюдается неполное отверждение эпоксидной смолы из-за недостатка низкомолекулярного полиамида в составе. При содержании алюминиевого порошка более 300 мас.ч. происходит расслоение металлополимерной композиции из-за недостатка связующего, а при содержании алюминиевого порошка менее 80 мас.ч. происходит падение прочности пленки при растяжении на разрыв.
Отсутствие летучих растворителей в составе металлополимерной композиции позволяет получить шпатлевочный слой с минимальной усадкой.
Применяемый в качестве отвердителя низкомолекулярный полиамид, имеющий разветвленное строение, выполняет не только функцию отвердителя, но и пластификатора, в результате чего образуется пластифицирующая матрица. Экспериментальным путем выбрано оптимальное соотношение полимера и наполнителя. В результате образуется металлополимерная решетка с оптимальным соотношением прочности и пластичности. Введение дополнительно 55-80 мас.ч. низкомолекулярного полиамида не влияет на процессы структурообразования полимерной матрицы и не ухудшает качества шпатлевочного слоя, при этом повышается его термостойкость и увеличивается эластичность.
Применение в качестве структурообразующего наполнителя мелкодисперсного алюминиевого порошка сферической формы способствует образованию равномерно упрочненной структуры металлополимерной композиции, обладающей высокой адгезионной прочностью, эластичностью, устойчивостью к термоперепадам (-6+150)°C, высокой адгезией, водостойкостью.
Предлагаемая композиция обладает высокой адгезионной прочностью, прочностью при сдвиге, эластичностью, устойчивостью к вибрации и динамическим нагрузкам, а также влагостойкостью и может эксплуатироваться в интервале температур от -60 до +150°C.
Примеры осуществления изобретения.
Пример №1
В смеситель с быстроходной мешалкой загружают предварительно подогретую эпоксикремнийорганическую смолу СЭДМ-1 или СЭДМ-2, алюминиевый сферический порошок, а при необходимости силикат магния, силикат алюминия, силикат кальция или их смесь, раствор бутадиенакрилонитрильного карбоксилатного каучука в бутилацетате и перемешивают при помощи быстроходной мешалки до получения однородной массы до получения необходимой степени дисперсности.
Перед применением в полученный полуфабрикат шпатлевки добавляли низкомолекулярный полиамид, перемешивали и наносили на образцы для проведения испытаний.
Составы по примерам 2-5 изготавливали аналогично примеру 1.
Пример №6 (прототип)
Алюминиевую пудру смешивают в дисольвере с дибутилфталатом. В смеситель с водяной рубашкой загружают эпоксидную смолу, разогревают ее до 40°C, затем вводят смоченную дибутилфталатом алюминиевую пудру, алюминиевый порошок и смесь перемешивают в течение 30 мин.
Составы предлагаемой композиции для антикоррозионного покрытия и состав композиции, известной из прототипа, приведены в таблице 1.
Из предлагаемой композиции по примерам 1-5, а также из композиции, известной из прототипа, были получены покрытия толщиной 300-350 мкм на алюминиевом сплаве Д16 AT. Отверждение шпатлевочного слоя проводили при температуре (20±5)°C в течение 24 ч. Определяли толщину слоя шпатлевки, адгезию по ГОСТ 15140 в исходном состоянии и после увлажнения в течение 10 суток, а также адгезионную прочность при отрыве в соответствии с ISO 4624. Прочность при ударе по ГОСТ 4765 и растяжении по ГОСТ 29309, адгезионную прочность при отрыве определяли на металле в соответствии с ГОСТ 4765, ГОСТ 29309 в исходном состоянии и после термоциклирования (от -60 до +150)°C в течение 10 циклов. Определены прочность (σp) при разрыве и относительные удлинения (εp) свободных пленок шпатлевок по примерам по ГОСТ 18299. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Как видно из приведенных примеров, применение предлагаемой металлополимерной композиции для выравнивания поверхности и заделки дефектов литья позволяет обеспечить высокие адгезионные характеристики, шпатлевочный слой на основе металлополимерной композиции обладает высокими прочностными свойствами, достаточно высокой эластичностью и термостойкостью. Применение металлополимерной композиции позволяет обеспечить надежное заполнение зазоров между деталями, устойчивость к вибрации и удару, а также обеспечить хорошие декоративные свойства поверхности при нанесении лакокрасочных покрытий, применяемых для окраски внешней поверхности летательных аппаратов.
Применение предлагаемого состава полимерной композиции позволяет повысить температуру эксплуатации на 70°C, прочность при ударе и эластичность шпатлевочного слоя, что позволит использовать его для выравнивания щелей, зазоров, ступенек на внешней поверхности самолета, а также неровностей в местах крепежных соединений, заделки дефектов литья элементов конструкций, которые при эксплуатации испытывают высокие динамические знакопеременные нагрузки.
1. Металлополимерная композиция для выравнивания внешних поверхностей летательных аппаратов или для заделки дефектов алюминиевого и магниевого литья, включающая эпоксидную смолу и алюминиевый порошок, отличающаяся тем, что дополнительно содержит низкомолекулярный полиамид, являющийся отвердителем и пластификатором, а в качестве эпоксидной смолы эпоксикремнийорганическую смолу с молекулярной массой от 350 до 420, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| эпоксикремнийорганическая смола с молекулярной | |
| массой от 350 до 420 | 90,0-110,0 |
| низкомолекулярный полиамид | 55,0-80,0 |
| алюминиевый порошок | 80,0-300,0 |
2. Металлополимерная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что эпоксикремнийорганическая смола содержит эпоксидные группы с массовой долей 12-14%.
3. Металлополимерная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит наполнитель, выбранный из группы: природный либо искусственный силикат магния, силикат алюминия, силикат кальция или их смеси в количестве 80,0-120,0 мас.ч.
4. Металлополимерная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бутидиенакрилонитрильный каучук с молекулярной массой от 20000 до 30000 в количестве 8,0-15,0 мас.ч.
