Телефон: +7 (812) 670 52 36
E-Mail: info@tkfm.org

Разработка теплоизолирующих силиконовых композиций

Разработка теплоизолирующих силиконовых композиций

В.Д. Мушенко , кхн.

            При разработке герметиков и компаундов на полимерной основе необходимо учитывать, что от правильного количественного и качественного сочетания полимерного связующего и наполнителя, их взаимной совместимости и основных исходных свойств в решающей степени зависят основные эксплуатационные свойства герметиков и компаундов. К эксплуатационным свойствам  теплоизолирующих силиконовых композиций (ТИСК) следует отнести в первую очередь исходную рабочую вязкость составляющих их гетерогенных систем, а также динамику изменения вязкости этих систем при соединении исходного состава с жидкофазной системой отверждения (отвердитель, «катализатор», различные ускорители отверждения). Процесс характеризуется тем, что мелкодисперсные наполнители, входящие в многокомпонентный состав ТИСК, образуют межфазные слои на границе раздела с полимерными связующими, дополнительного усложняя макроструктуру получаемых вулканизатов. При разработке ТИСК необходимо проведение планомерного комплексного подбора полимерных связующих в сочетании с пластификаторами, системами отверждения, растворителями, растворителями-разбавителями, модификаторами и поверхностно активными веществами.

Широкие перспективы для подобного подбора открываются в связи с применением таких традиционных наполнителей как оксиды кремния, титана, цинка, железа в сочетании с продуктами, разработанными и производимыми ООО «Функциональные материалы»: оксидами, гидроксидами, оксидами-гидроксидами алюминия различной степени дисперсности, прошедшими различные виды механической, термической и механохимической обработки. К этим классам материалов следует добавить ряд наполнителей, несущих специфические свойства, такие как селективное радио-поглощение, высокую и низкую теплопроводность, свойства антистатиков, теплопроводящие свойства и целый ряд других. В этом направлении начаты работы по созданию нескольких «линеек» функциональных материалов герметизации с направленным комплексом свойств, например, сочетающих свойства теплопроводности и негорючести, свойства сниженной радио-заметности покрытий в сочетании с негорючестью, свойства повышенной теплопроводности в сочетании с антистатическими свойствами.

Одним из важных направлений проводимых нами работ стало создание композиционных материалов с пониженной теплопроводностью. В различных областях техники остаются актуальными проблемы поиска и разработки композиционных материалов, которые сочетают незначительную плотность (удельный вес) с пониженной теплопроводностью: теплоизоляционных силиконовых композиций (ТИСК). В обширной группе взаимосвязанных задач этого направления можно условно выделить задачи разработки материалов общего технического и строительного назначения и задачи разработки материалов специального применения. К первой группе задач следует отнести создание материалов для конструкционных элементов с положительной плавучестью при требуемых прочностных характеристиках и минимальном удельном весе. Речь идет о  синтетических материалах для средств гражданского транспорта, для больших тарных емкостей, для облегченных элементов строительных конструкций. Сюда же следует отнести составы для конструкций, несущих функции теплоизоляции и звукоизоляции, для покровных и пропиточных материалов с минимальной теплопроводностью. Ко второй группе задач относится разработка облегченных конструкционных материалов и готовых модулей на их основе для судостроения, авиации, космоса, специальных транспортных средств, средств перемещения в различных средах. Композиционные материалы с минимальной плотностью и с минимальной теплопроводностью требуются для разработки и производства, изделий электронной техники (ИЭТ), радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), техники средств связи (ТСС).

В процессе разработки в качестве теплоизолирующих наполнителей рассматриваются технические продукты с минимальной насыпной плотностью при значительных газовых или воздушных полостях расположенных внутри структурных единиц наполнителя (частиц и их агломератов). Частицы имеют микронную размерность при очень тонких внешних стенках и, как правило, форму, близкую к сферической. В большинстве обзоров, патентов и тематических публикаций, связанных с получением и применением полых наполнителей рассматриваются  газонаполненные микрочастицы, образующиеся при высокотемпературной переработке угля и технической золы термохимических процессов. Значительный интерес представляют также вспученные мелкодисперсные фракции природных алюмосиликатов: перлита и вермикулита. Вероятно, оптимальным решением может стать применение смесевых композиций наполнителей с различной структурой частиц, плотностью, химическим составом, сродством к растворителям и полимерным связующим. В частности,  значительный интерес представляют полые микросферы зольных выбросов тепловых электростанций,  включающих, в частности, различные соединения железа, карбонаты металлов, алюмосиликаты, мельчайшие частицы кварца. Микросферы представляют собой структурные образования с малой удельной плотностью, но достаточно высокими характеристиками физико-механических свойств. Благодаря этому сочетанию полые микросферы становятся основным компонентом, ответственным за прочность конструкционных материалов с минимальной удельной плотностью и положительной плавучестью, находящих применение не только в строительстве, нуждающемся в облегченных, строительных материалах с требуемой прочностью, в том числе в виде облегченных строительных составов, покровных и пропиточных материалов, слепочных и формовочных масс. Специфика нашей работы относится в большей степени к применению облегченных материалов с пониженной теплопроводностью (ТИСК) в области радиотехники, электроники, для материалов  герметизации, клеевых составов, конструкционных компаундов, корпусных деталей различных габаритов и назначения. Отметим, что наряду с легкостью и прочностью материалы разрабатываемых классов должны обладать гидрофобностью и химической инертностью. Дополнительным преимуществом подобных материалов является их перспективность для получения многослойных композитов, а также конструкционных и изоляционных материалов с интегральностью свойств в широких диапазонах. В результате композиционным материалом на основе полых микросфер , включающих минеральные составляющие природного происхождения и полимерные связующие различных классов могут быть сообщены такие комплексы свойств, как сочетание коррозионной стойкости огнеупорности, негорючести, звуконепроницаемости при относительно низких затратах на формирование оптимальных систем, основанных на сочетании сложносоставного связующего и смесевых мелкодисперсных наполнителей. При этом удается достигнуть эффективного снижения плотности ряда конструкционных материалов и, как следствие, минимизации рабочей массы изделий, применяемых в специальных условиях. При решении некоторых задач достигаемым результатом является сохранение свойств высокой эластичности в широком  температурном диапазоне при стабильности основных физических параметрах отвержденного теплоизоляционных композитов в составе работающих систем. Существует значительное число запатентованных рецептурных и технологических решений, связанных с получением и целевым применением материалов на основе латексных составов природного и искусственного происхождения, включающих полые микросферы на основе промышленных отходов, вспученных дисперсий природных минералов, а также на основе стекла и керамики. Наибольшее развитие получили материалы на основе акрилатных, стиролокрилатных,  полиуретановых латексов, латексов на поливинилхлоридной основе, а также латексных смесей. С экономической точки зрения широкое применение латексов следует приветствовать как наиболее обоснованный и доступный подход к выпуску материалов строительного и широкого общетехнического применения. Однако при решении ряда специальных задач реальное предпочтение следует отдать связующим на основе силиконовых эластомеров как материалов со значительно более широким диапазоном температурных условий эксплуатации, когда теплофизические свойства всего полимерного изотропного массива становятся решающим фактором эксплуатационной применимости ТИСК. При этом необходимо иметь в виду, что так называемая «радиационная составляющая теплового потока» является существенной компонентой нескольких механизмов переноса тепла в сложном теплообменном процессе через среду отвержденного композиционного материала в составе работающей конструкции. При этом остается основным принцип теплопереноса, характерный и для теплопроводящих композитов, а именно: существенное влияние на коэффициент теплопроводности двухкомпонентной смеси оказывает относительная доля частиц наполнителя, их пористость, плотность, размер, форма, а также прерывность или непрерывность каждой из фаз, составляющих материал. В свою очередь механизм переноса тепла зависит также от объема пористости и объема пор, а, следовательно, от преобладания открытых и закрытых пор в наполнителях при сопоставимых соотношениях теплопроводности и относительных объемов компонентов смеси.

Планом разработок ООО «Функциональные материалы» предусмотрено проведение исследований, направленных на создание материалов, сочетающих минимальный удельный вес с минимальной теплопроводностью. В первую очередь это относится к материалам на основе силиконовых, эпоксидных и полиуретановых полимерных связующих. Именно эти группы связующих компонентов в ходе ранее проведенных экспериментальных работ изучены нами наиболее подробно и являются технологически и коммерчески доступными. По ряду основных технических, технологических и экономических показателей материалы указанных групп оптимально подходят для новых теплоизоляционных композитов. Определены способы и технологические схемы их направленного модифицирования, пути и средства придания им необходимых дополнительных функциональных свойств.

Из анализа обширной патентной и научно-технической информации просматривается наличие двух основных путей снижения плотности и теплопроводности композиционных материалов на полимерной основе. Первый путь — формирование газонаполненных, в том числе наполненных воздухом, полостей в структурном объеме отверждаемого материала за счет взаимодействия со специальными реакционными добавками, которые становятся источниками газообразования в ходе направленных химических превращений. Другой путь связан с наполнением полимерной матрицы полыми тонкостенными микроскопическими телами с незначительной теплопроводностью стенок, содержащих внутри газ или воздух (стеклянные или полимерные полые микросферы). Наиболее целесообразным представляется комплексное применение обоих путей для получения материалов с оптимальным сочетанием физико-механических и диэлектрических характеристик. Именно для этого наиболее эффективно направленное включение в составы композиций целевых добавок, упрочняющих модификаторов, отверждающих полимеры компонентов, технологических суспензий, наполнителей со специальными свойствами, которые разработаны и будут освоены на производственных мощностях ООО «Функциональные материалы». Следует подчеркнуть, что производство ООО «Функциональные материалы» ориентировано именно на выпуск продуктов, которые представляют собой производные алюминия и кремния в виде мелких дисперсий различного кристаллического состояния, степени измельчения и степени механической, термомеханической и механохимической обработки с применением современных способов и режимов термообработки и переработки. Это позволяет рассчитывать на успешное завершение первого этапа работ по созданию теплоизолирующих силиконовых композиций.

0 Комментариев

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*