Состав высокотемпературной клеевой композиции

 

Использование: в качестве клеев, компаундов, шпатлевок. Сущность: композиция содержит, % : водно-ацетоновый раствор алюмомагнийхромфосфатной связки с плотностью 1,39 г/куб.см: 38,0-44,0, электрокорунд М20 47-53,00, нитрид алюминия с дисперсностью 0,1-0,1 мкм 5,5-6,3, оксид меди Сu₂O 2,3-2,8, портландцемент 1,0-1,3. Характеристика свойств: водостойкость 90 проц., температура отверждения комнатная, прочность при отрыве при 20 град.С/500 град.С для титанового сплава 10/2 МПа, для стеклотекстолита 7,0/1,4 МПа, для керамики кварцевой 8,0/1,6 МПа, углепластика 10/2 МПа. 3 табл.

Изобретение относится к составу высокотемпературной клеевой композиции, используемой в качестве клеев, компаундов и шпатлевок в космических системах многоразового использования (до 100 полетов).

Применение клеев, компаундов и шпатлевок органического или кремнийорганического происхождения в космических аппаратах многоразового использования не представляется возможным, так как в условиях эксплуатации (длительное воздействие высоких до 1200 ^o С температур) материалы органического или кремнийорганического происхождения из-за их деструкции и потери эксплуатационных свойств являются одноразовыми.

Для этих целей наиболее целесообразно применение клеев, компаундов или шпатлевок на основе неорганических связующих.

Известны неорганические клеевые композиции на основе жидких стекол (см. Сычев М.М. Неорганические клеи, Л. Химия, 1986, с.93, 121). Эти клеи обладают слабой адгезией к металлам, нестабильны при хранении, требуют термообработки при температурах не ниже 120 ^o C.

Цементы гидравлического твердения не пригодны из-за низкой адгезии, кроме того, при температуре 700 ^o C эти материалы резко разупрочняются.

Известные в настоящее время компаунды и клеи на основе фосфатных связующих и оксидных наполнителей (см. Сычев М.М. Неорганические клеи, М. Химия, 1986, с. 72, 117) требуют термообработки при 200-600^oC для их необратимого отверждения, что не представляет возможным использование их в ряде случаев, так как нельзя обеспечить необходимую термообработку в составе конструктивных элементов изделия. Клеи холодного отверждения (медьфосфатный, медьтитанфосфатный) имеют недостаточно высокую рабочую температуру не выше 900^oС (см. Копейкин В. А. и др. Материалы на основе металлофосфатов, М. Химия, 1976, с.92-142).

Известна клеевая композиция, включающая в мас. алюмофосфатную связку 38-42, оксид алюминия 24-28, высокоглиноземистый цемент 21-25 и оксид хрома 9-13, имеющий температуру отверждения до 120^oC (см. авторское свидетельство СССР N 284669, кл. С 04 В 29/02, 1970).

Недостатком указанного состава является малая адгезия к металлам и неметаллам, большая усадка и значительное разупрочнение при высоких температурах.

Известен клей, включающий в мас. алюмохромфосфатную связку 45-49, оксид меди (1) 36-41 и бентонит, 11-15 (см. авторское свидетельство СССР N 837978, кл. С 09 J 1/00, 1981).

Данный клей неводостоек без термообработки в результате присутствия водорастворимого хромового ангидрида в его составе и имеет малую прочность при низких температурах и нагревании.

В качестве прототипа принят состав, включающий в мас. алюмомагнийхромфосфатную связку 38-40, наполнитель в виде электрокорунда М20-51-56 и нитрида алюминия с дисперсностью 0,01-0,1 мкм 6-9 (см. авторское свидетельство СССР N 227362, кл. С 04 В 29/02, 1985).

Недостатком указанного состава является неудовлетворительная водостойкость после отверждения при комнатной температуре и разупрочнение при нагревании до высоких температур в результате фазовых превращений образующихся алюмофосфатов.

Целью изобретения является получение клеевой композиции, способной отверждаться при комнатной температуре и в условиях повышенной влажности, увеличение водостойкости и адгезионной прочности при низких и высоких температурах.

Поставленная цель достигается тем, что клеевая композиция, включающая алюмомагнийхромфосфатную связку, электрокорунд М20, нитрид алюминия с дисперсностью 0,01-0,1 мкм, содержит в качестве связки водно-ацетоновый раствор алюмомагнийхромфосфатной связки и дополнительно оксид меди (1) и портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.

водно-ацетоновый раствор алюмомагнийхромфосфатной связки 38-44 электрокорунд 47-53 нитрид алюминия с дисперсностью 0,01-0,1 мкм 5,5-6,3 оксид меди (I) 2,3-2,8 портландцемент 1,0-1,3 Водно-ацетоновый раствор алюмомагнийхромфосфатной связи получают предварительным растворением гидроксида алюминия и оксида магния в смеси водных растворов ортофосфорной кислоты и хромового ангидрида 60% концентрации с последующим добавлением стехиометрического количества формалина в соотношениях, обеспечивающих атомное отношение P/(Al + Mg + Cr⁺³) 2,7/(0,7+0,2+0,1).

Полученный прозрачный раствор зеленого цвета в количестве 1 кг перемешивают с 0,2 л водно-ацетоновой смеси (1 объем ацетона на 2,5 объема воды). Плотность полученного таким образом водно-ацетонового раствора алюмомагнийхромфосфатной связки составляет 1,39 г/см³. Присутствие ацетона в растворе связующего способствует увеличению степени дегидратации клеевой композиции в результате образования легколетучего водно-ацетонового азеотропа с температурой кипения 56^oС, а также приводит к золообразованию и аморфизации металлофосфатов связи в результате высаливающей способности ацетона.

Химическое взаимодействие коллоидных кислых фосфатов связки с оксидом меди (I) и портландцементом протекает достаточно интенсивно при комнатной температуре, в результате чего образуется водонерастворимые аморфные продукты. При этом во взаимодействие вовлекается и высокодисперсный нитрид алюминия.

Разнообразие катионного состава клеевой композиции в сочетании с ограничением подвижности структурных фрагментов вследствие быстрого испарения водно-ацетонового растворителя предотвращает кристаллизацию алюмофосфатов и в результате исключает фазовые превращения кристаллических модификаций, разупрочняющих структур при нагревании.

Взаимодействие оксида меди (I) со связкой идет по схеме: Cu₂O+2H⁺ _ Cu²⁺+Cu+H₂O В результате нейтрализуются водорастворимые кислые фосфаты и повышается водостойкость клеевой композиции, а также возрастает пластичность и прочность при нагревании за счет образования химически диспергированной меди.

Портландцемент, взаимодействуя с раствором связки, образует в основном водонерастворимый фосфат кальция и аморфную кремневую кислоту, а также связывает воду, что обеспечивает отверждение не только с поверхности композиции, но и в объеме, уменьшая усадку и механические напряжения в структуре.

Остающаяся в составе клеевой композиции после отверждения при комнатной температуре вода (приблизительно 5-8%) имеет цеолитоподобный характер, т.е. не является структурообразующим элементом и при нагревании удаляется без разрушения сформированной структуры, что обеспечивает высокие прочностные свойства композиции при высоких температурах.

Таким образом, благодаря подобранному составу и соотношению компонентов отверждение клеевой композиции протекает при комнатной температуре с оптимальной скоростью и приводит к образованию достаточно прочной адгезионно-способной структуры, устойчивой при низких и высоких температурах. Отвержденная клеевая композиция представляет собой монолит, состоящий из частиц электрокорунда, склеенных между собой и с субстратами аморфными совмещенными фосфатами алюминия, магния, хрома, меди, кальция и кремния за счет образования водостойких и термически устойчивых химических связей. Неизменность структуры отвержденной клеевой композиции при низких и высоких температурах обеспечивает стабильность рабочих характеристик материала.

Технология использования клеевой композиции состоит в следующем.

Сначала тщательно перемешивают порошковые компоненты электрокорунд М20, нитрид алюминия с дисперсностью 0,01-0,1 мкм, оксид меди 91) и портландцемент. Затем приготовленную смесь порошковых компонентов тщательно перемешивают с водно-ацетоновым раствором алюмомагнийхромфосфатной связки и получают клеевую композицию в виде пастообразной вязкой адгезионно-способной массы, которую шпателем или кистью наносят на подготовленные поверхности деталей. Склеиваемые поверхности соединяют и сжимают усилием 0,01-0,1 Па в течение 15-30 ч при комнатной температуре.

Предлагаемый клей способен отверждаться при комнатной температуре и 100% влажности (в эксикаторе над водой) обладает достаточной адгезией к титану, стали, алюминию, керамике и в зависимости от назначения может использоваться также в качестве компаунда, шпатлевки.

Составы предлагаемых клеевых композиций в сравнении с прототипом и с содержанием водно-ацетонового раствора алюмомагнийхромфосфатной связки меньше 38 мас. и больше 44 мас. оксида меди (I) меньше 2,3 мас. и больше 2,8 мас. портландцемента меньше 1 мас. и больше 1,3 мас. приведены в табл.1.

Продукты отверждения клеевой композиции были испытаны на водостойкость. Водостойкость определяли по результатам химического анализа на PO³₄^- водных вытяжек, полученных в результате кипячения 0,5 г отвержденной при комнатной температуре клеевой композиции в 100 мл воды в течение 2 ч. Ион PO³₄^- является главным структурным элементом состава и степень его сохранности в твердой фазе достаточно объективно характеризует водостойкость композиции.

Результаты анализа приведены в табл.2. Для сравнения в таблице дана температура отверждения предлагаемых составов и прототипа.

Из полученных данных видно, что предложенные составы клеевой композиции в 1,5-1,6 раз более водостойки по сравнению с прототипом, что является важным технико-экономическим преимуществом предложенной композиции.

Температура отверждения предлагаемых составов в 5-6 раз ниже температуры отверждения прототипа.

Были исследованы прочностные характеристики предлагаемых составов клеевой композиции.

Результаты испытаний приведены в табл.3. Для сравнения в таблице даны свойства прототипа и составов N 4 и N 5.

Из данных табл.3 видно, что адгезионная прочность предлагаемых составов в 1,4-1,7 раза выше адгезионной прочности прототипа и составов N 4 и N 5.

Формула изобретения

Состав высокотемпературной клеевой композиции, включающий алюмомагнийхромфосфатную связку, электрокорунд М20, нитрид алюминия с дисперсностью 0,01-0,1 мкм, отличающийся тем, что содержит в качестве алюмомагнийхромфосфатной связки водно-ацетоновый раствор алюмомагнийхромфосфатной связки с плотностью 1,39 г/см³ и дополнительно оксид меди Cu₂O и портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.

Водно-ацетоновый раствор алюмомагнийхромфосфатной связки с плотностью 1,39 г/см³ 38-44 Электрокорунд М20 47-53
Нитрид алюминия с дисперсностью 0,01-0,1 мкм 5,5-6,3
Оксид меди 2,3-2,8
Портландцемент 1,0-1,3

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3