DE3781708T2

DE3781708T2 - Temperaturregulierende beschichtungszusammensetzung.

Info

Publication number: DE3781708T2
Application number: DE8787302262T
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Hasuda; Toshio Horie
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-03-22
Filing date: 1987-03-17
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2007-03-18
Also published as: EP0241158A2; US4741778A; EP0241158B1; DE3781708D1; EP0241158A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungszusammensetzung zur Steuerung von Wärme, wobei die Zusammensetzung auf der Oberfläche einer Antenne oder eines Turmes aufgetragen ist, welche bzw. welcher in einem künstlichen Satelliten oder in einer Raumstation verwendet wird, um die Eingänge und Ausgänge der Wärme zu steuern, um dadurch die Temperatur in einem derartigen Glied (Antenne oder Turm) innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches aufrechtzuerhalten.
In einem künstlichen Satelliten oder einem ähnlichen System verwendete Instrumente sind im allgemeinen einer extremen Umgebung ausgesetzt und müssen demzufolge extremen Umgebungsbedingungen widerstehen, um sehr zuverlässig zu sein, und doch müssen diese Instrumente leichtgewichtig sein. Beispielsweise ist eine Antenne oder ein künstlicher Satellit einer extremen Temperaturdifferenz unterworfen, da die Antenne oder der Satellit für einige Zeit direkt dem Sonnenlicht ausgesetzt und dann auf extrem niedrige Temperatur abgekühlt wird, wenn sich die Antenne oder der Satellit im Schatten befindet. Um einen richtigen Betrieb der Antenne zu gewährleisten, muß die Temperatur der Antenne unter ca. 100ºC gehalten werden. Da die Temperatur der Antenne durch das Gleichgewicht zwischen der thermischen Energie des absorbierten Sonnenlichtes und der emittierten Wärmeenergie infolge Strahlung von der Antenne festgelegt ist, wird es erforderlich, die Strahlungswärme zu erhöhen, welche von der Antenne emittiert, wenn deren Temperatur ansteigt, oder die Absorption der Sonnenenergie durch die Antenne abzusenken.
Zur Aufrechterhaltung der Temperatur einer Antenne oder eines künstlichen Satelliten unter 100ºC wurde bislang eine Wärmesteuerungsbeschichtung verwendet, um die Absorption der auf die Antenne treffenden Sonnenenergie zu verringern und die Wärmeenergie zum Flugraum zu emittieren. Die Eigenschaften einer derartigen Wärmesteuerungsbeschichtung werden festgelegt durch die solare Absorptanz (αS), welche den Absorptionsfaktor für den Verbrauch an Sonnenenergie darstellt, und die thermale Emittanz (&epsi;), welche den Strahlungsfaktor für den Austritt an thermischer Energie darstellt. Zwecks Aufrechterhaltung der Antennentemperatur innerhalb eines vorgegebenen Bereichs sollten αS klein und &epsi; groß sein.
Eine Antenne eines künstlichen Satelliten ist auch einer Elektronenstrahlung, Gammastrahlen und ultravioletten Strahlen ausgesetzt, und es wird die Antennentemperatur auf näherungsweise bis zu -180ºC erniedrigt, wenn sich die Antenne im Schatten befindet. Demzufolge sollte die Beschichtungszusammensetzung durch radioaktive oder ultraviolette Strahlen nicht zerstört werden, um eine erhöhte Solarabsorptanz zu besitzen, und ein Cracken, Abblättern oder irgendeine andere Störung sollten nicht in der Beschichtung innerhalb eines Temperaturbereiches von -180ºC bis +100ºC verursacht werden. So ist es auch notwendig, daß Veränderungen in αS und &epsi; klein sind.
H. A. Parazian beschreibt die Solarabsorptionswechsel konventioneller Wärmesteuerungsbeschichtungen in seinem Artikel AIAA-84-0059, "Solar Absorption Changes of Thermal Control Coatings During Flight" beim AIAA 22ten Aerospace Sciences Meeting, veranstaltet durch American Institute of Aeronautics vom 9. bis 12. Januar 1984 in Reno, Nevada. In diesem Bericht untersuchte er Veränderungen in der Solarabsorptanz (αS) von Wärmesteuerungsbeschichtungen, welche auf einem Satelliten aufgetragen sind, der 5 Jahre lang geflogen war. Sein Bericht enthüllt beispielsweise eine weiße Farbe, zusammengesetzt aus einem Bindemittel, welches aus einem Silizium-Alkyd-Harz, angereichert mit Titanoxid, gefertigt war. Da jedoch diese Farbe ungefähr 100 um dick aufgetragen ist, kann eine leichtgewichtige Beschichtung von nicht mehr als 150 g/m² durch Verwendung der gleichen nicht gebildet werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Beschichtung leicht durch UV-Bestrahlung beschädigt wird, um ein erhöhtes αS zu erhalten, und aus diesem Grunde würde es Probleme bei einer Anwendung auf einen Langzeit-Satelliten bereiten. Es besteht ein Bedarf an weißer Farbe, welche eine dünne Beschichtung bildet, welche eine ausgezeichnete Haltbarkeit in der Flugraumumgebung besitzt, wie ein großer Langzeit-Satellit es in den vergangenen Jahren erforderte.
Farbzusammensetzungen, welche zur Ausbildung flammenresistenter Beschichtungen zweckmäßig sind, werden in FR-A-2 276 363 beschrieben. Diese Zusammensetzungen umfassen einen Farbstoff oder eine Mischung aus Farbstoffen in einem Farbfahrzeug, welches ein partielles Kondensat aus RSi(OH)&sub3; enthält, wobei R ein Alkyl-Radikal mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, ein Vinyl-Radikal, ein 3,3,3-Trifluorpropyl-Radikal, ein Gamma-Glycidoxypropyl-Radikal oder ein Gamma-Methacryloxypropyl-Radikal ist, sowie gelartige Kieselsäure in einer wasser-aliphatischen Alkohollösung. Der oder die Farbstoffe können Titandioxid enthalten.
Hauptaufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer neuen Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung, welche auf eine Vielzahl von Instrumenten aufgetragen wird, welche unter extremen Bedingungen verwendet werden, um deren Thermaleigenschaften zu verbessern.
Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung einer Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung, welche eine dünne Beschichtung mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber UV-Strahlung bilden kann, insbesondere eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Cracken, selbst wenn die Zusammensetzung sich wiederholenden thermischen Schockzyklen ausgesetzt wird, und welche nicht in ihren thermischen Steuerungseigenschaften über eine längere Zeit beeinträchtigt wird.
Besonders ist es Aufgabe der Erfindung, eine Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung zu schaffen, die eine anfängliche Solarabsorptanz (αS) von nicht mehr als 0,3 und eine anfängliche thermale Emittanz (&epsi;) von nicht weniger als 0,8 besitzt.
Die vorgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung, mit: einem Bindemittel aus einem ein großes Molekulargewicht und eine große Kondensationspolymerisation aufweisenden Polymerisationsprodukt einer Verbindung aus der Gruppe der Siliziumverbindungen und deren Oligomere, wobei das Polymerisationsprodukt einen Kondensationspolymerisationsgrad von nicht weniger als 20 und ein Molekulargewicht von nicht weniger als 3000 besitzt und die Siliziumverbindungen durch folgende allgemeine Formel (1) ausgedrückt werden:
wobei R gleiche oder unterschiedliche Gruppen sein können und jede für eine aliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder einer Phenylgruppe steht;
100 bis 300 Gew.-Teile, basierend auf 100 Gew.-Teilen des Bindemittels, eines Silberglimmerteilchens mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 40 um; 50 bis 200 Gew.-Teile, basierend auf 100 Gew.-Teilen des Bindemittels, eines Titanoxidteilchens mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 1 um; und 50 bis 200 Gew.-Teile, basierend auf 100 Gew.-Teilen des Bindemittels, eines Ceroxidteilchens mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 40 um.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, in der die Veränderungen von αS und der Widerstand gegenüber einem sich wiederholenden thermischen Schockzyklus im Hinblick auf die Veränderung der zugegebenen Gewichtsmenge an Silberglimmer veranschaulicht ist, welcher in einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung enthalten ist;
Fig. 2A und 2B sind graphische Darstellungen, in denen Veränderungen von αS bzw. &epsi; im Hinblick auf die Veränderung der zugefügten Gewichtsmenge an Titanoxid veranschaulicht sind, welches in einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung enthalten ist;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, in der die Veränderung von αS (ΔαS) im Hinblick auf die Veränderung der zugegebenen Gewichtsmenge an Ceroxid gezeigt ist, welches in einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung enthalten ist, wenn diese einer UV-Bestrahlung von 20,000 ESH (äquivalente Sonnenstunden) ausgesetzt ist; und
Fig. 4A und 4B sind graphische Darstellungen, in denen die Veränderungen von αS bzw. &epsi; einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung veranschaulicht sind sowie jene eines Vergleichsbeispiels in Abhängigkeit der Zeit der UV-Bestrahlung (ESH).
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung umfaßt ein Bindemittel aus einem ein großes Molekulargewicht aufweisenden Kondensationsprodukt einer anorganischen Siliziumverbindung, wobei die Polymerkette des Kondensationsproduktes nur aus Si-O-Bindungen besteht, und wird vermengt mit Titanoxid, welches als weißer Farbstoff dient, Silberglimmer zur Verbesserung des Widerstandes gegenüber sich wiederholenden thermischen Schockzyklen und Ceroxid zur Verbesserung des Widerstandes gegenüber UV-Bestrahlung. Gemäß einem weiteren wichtigen Erfindungsmerkmal werden die durchschnittlichen Teilchengrößen und die zugegebenen Mengen an Titanoxid, Silberglimmer und Ceroxid innerhalb der Optimierungsbereiche ausgewählt, um eine Beschichtungszusammensetzung zuzubereiten, welche einen dünnen Beschichtungsfilm ausbildet, der sehr gute thermische Steuerungseigenschaften besitzt.
Die Gruppen R in jeder der durch die allgemeine Formel von Si-(OR)&sub4; ausgedrückten Verbindungen können die gleichen oder unterschiedlich sein. Die Gruppe R kann eine Alkylgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine Phenylgruppe sein. Besondere Ausführungsbeispiele der durch Si(OR)&sub4; repräsentierten Verbindung, welche als Ausgangsmaterial für das Bindemittel in der Beschichtungszusammensetzung gemäß dieser Erfindung verwendet werden kann, sind Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, Methyltriethoxysilan und Tetraphenoxysilan. Das Kondensationsprodukt von Si(OR)&sub4; kann durch folgendes Verfahren zubereitet werden. Eine durch Si(OR)&sub4; oder einem Oligomer hiervon repräsentierte Verbindung mit einem Kondensationspolymerisationsgrad von nicht mehr als 10 wird in ein wässriges Lösungsmittel zugegeben in Anwesenheit oder Abwesenheit eines Säurekatalysators, mit nachfolgendem Umrühren bei 100ºC zwischen 30 Minuten und 10 Stunden. Dann wird der pH-Wert des Reaktionssystems auf pH 7 oder höher eingestellt durch Hinzufügung von Natriumhydroxid oder Triethylamin, um die Kondensationsreaktion zu beschleunigen. Nach dem Kampf der Kondensationsreaktion wird Wasser durch Destillation oder azeotrope Destillation entfernt.
Das auf diese Weise zubereitete ein großes Molekulargewicht aufweisende Kondensationspolymerisationsprodukt hat eine dreidimensionale Quer-Bindungs-Struktur und sollte einen Kondensationspolymerisationsgrad von nicht weniger als 20 und ein Molekulargewicht von nicht weniger als 3000 besitzen. Das Kondensationspolymerisationsprodukt kann als ein ausgezeichnetes Bindemittel in einer Farbzusammensetzung verwendet werden. Wird es beispielsweise zur Bildung einer klaren Beschichtung verwendet, wird ein Beschichtungsfilm mit einer Filmdicke von ca. 20 Mikron gebildet.
Während des Zubereitungsschrittes eines ein großes Molekulargewicht aufweisenden Kondensationsproduktes, welches als Bindemittel in einer Beschichtungszusammensetzung gemäß der Erfindung aus einer Verbindung verwendet wird, die durch Si(OR)&sub4; oder ein Oligomer hiervon repräsentiert wird, wird Wasser oder ein Alkohol als Nebenprodukt gebildet. Vorteilhaft wird die Gruppe R in Si(OR)&sub4; ausgewählt, so daß das durch die Kondensationspolymerisation gebildete Nebenprodukt einen großen Dampfdruck bei der Kondensationsreaktionstemperatur besitzt.
Das als weißer Farbstoff in der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung verwendete Titanoxidteilchen sollte eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 1 um, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,4 um besitzen. Eine Menge zwischen 50 und 200 Gew.-Teile, vorzugsweise 100 bis 150 Gew.-Teile an dem Titanoxidteilchen wird auf 100 Gew.-Teile des Bindemittels zugegeben. Die zugegebene Menge an Titanoxidteilchen sollte innerhalb eines festgelegten Bereichs (50 bis 200 Gew.-Teile auf der Basis von 100 Gew.- Teilen des Bindemittels) kontrolliert werden, um der geforderten anfänglichen Solarabsorptanz (αS) von nicht mehr als 0,3 sowie der geforderten anfänglichen thermischen Emittanz (&epsi;) von nicht mehr als 0,8 zu genügen.
Das in der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung verwendete Silberglimmerteilchen sollte eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 40 um, vorzugsweise nicht mehr als 15 um, besitzen. Eine Menge von 100 bis 300 Gew.-Teilen, vorzugsweise 150 bis 250 Gew.-Teilen, an einem Silberglimmerteilchen wird auf 100 Gew.-Teile des Bindemittels zugegeben. Eine Beschichtungszusammensetzung mit der niedrigsten Solarabsorptanz (αS) kann hergestellt werden, wenn 150 bis 250 Gew.-Teile an Silberglimmer auf 100 Gew.-Teile an Bindemittel zugegeben werden. Ist die zugegebene Menge an Silberglimmer weniger als die untere Grenze, wird die Verbesserung in der Widerstandsfähigkeit gegenüber sich wiederholenden thermischen Schockzyklen nicht zufriedenstellend. Obgleich eine Beschichtungszusammensetzung, welche Titanoxid und Silberglimmer über die definierten Bereiche hinaus enthält, den geforderten anfänglichen Werten von αS und &epsi; genügt, wird die Beschichtungsfähigkeit der Zusammensetzung unbefriedigend, und die mechanische Festigkeit des gebildeten Beschichtungsfilms wird verringert, wenn die zugegebenen Mengen an Titanoxid und/oder Silberglimmer die definierten Bereiche überschreiten. Wesentlich ist die Steuerung der zugegebenen Mengen und der Teilchengrößen des Titanoxids und der Silberglimmerteilchen innerhalb der definierten Bereiche, so daß eine Farbe mit zufriedenstellenden Eigenschaften mit dem Vorteil zubereitet wird, daß eine thermische Steuerung durch Schaffung eines möglichst dünnen Beschichtungsfilms erzielt wird.
Das in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Beschichtung verwendete Ceroxidteilchen sollte eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 40 um, insbesondere nicht mehr als 15 um besitzen. Es wird eine Menge zwischen 50 bis 200 Gew.-Teilen, vorzugsweise 75 bis 150 Gew.-Teile an einem Ceroxidteilchen auf 100 Gew.-Teile an Bindemittel zugegeben. Durch Steuerung der zugegebenen Menge des Ceroxidteilchens innerhalb des Bereichs von 50 bis 200 Gew.- Teilen basierend auf 100 Gew.-Teilen an Bindemittel besitzt die Beschichtungszusammensetzung die geforderte anfängliche Solarabsorptanz (αS) von nicht mehr als 0,3 und die geforderte anfängliche thermische Emittanz (&epsi;) von nicht weniger als 0,8, und es kann die Zunahme an auf einen geringfügigen Zuwachs unterdrückt werden, selbst nachdem die Beschichtung ultravioletten Strahlen 3000 ESH lang ausgesetzt wird (äquivalenten Sonnenstunden, d. h. (in Stunden) gerechnete Zeit einer Aussetzungsdosis durch Sonnenlicht in Flugraumumgebung).
Vorgegebene Mengen an Titanoxid, Silberglimmer und Ceroxid werden dem Bindemittel zugegeben und dann mit einem Lösungsmittel wie beispielsweise einem Verdünner oder Toluol vermengt, um eine erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung zuzubereiten, welche durch eine Hochgeschwindigkeitsbewegungseinrichtung umgerührt wird, um eine gleichmäßige Suspension zu bilden. Die auf diese Weise zubereitete Suspension wird auf eine Antenne oder ein ähnliches Glied aufgebracht und dann härten gelassen.
Gemäß der Erfindung wird ein ein großes Molekulargewicht aufweisendes Kondensationsprodukt an einer anorganischen Siliziumverbindung mit einem sehr guten Widerstand gegen radioaktive Strahlen als Bindemittel verwendet, mit einer ausgewählten Menge an Titanoxid, Silberglimmer und Ceroxidteilchen mit vorbestimmten Teilchengrößen vermengt, um eine thermische Wärmesteuerungszusammensetzung mit ausgezeichneten Eigenschaften zu erhalten. Eine aus der auf diese Weise erzeugten erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung gebildete Beschichtung mit einer Dicke von nicht weniger als der Hälfte des üblichen Beschichtungsfilms besitzt eine sehr große Lebensdauer, selbst bei einer Aussetzung gegenüber radioaktiven oder ultravioletten Strahlen. Die aus der erfindungsgemäßen Wärmesteuerungsbeschichtungszusammensetzung gebildete Beschichtung hat eine niedrige Solarabsorptanz (αS) und eine große thermische Emittanz (&epsi;). Wird die erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung demzufolge auf eine Antenne oder einen Turm in einer Raumstation oder einem künstlichen Satelliten aufgebracht, besitzt diese zuverlässige Wirkungseigenschaften.

ERFINDUNGSBEISPIEL

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im einzelnen beschrieben.

BEISPIEL 1

In ein Reaktionsgefäß wurden 62 g an Tetraethoxysilan, 125 g an Methyltriethoxysilan und 187 g Ethylalkohol gegeben. Die Menge im Reaktionsgefäß wurde auf 80ºC unter Bewegungseinfluß erhitzt. 30 g an 0,2 N Salzsäure wurden der Reaktionsmischung zugegeben, und es konnte die Reaktionsmischung bei 80ºC 10 Stunden lang reagieren. Die Reaktionsmischung wurde anschließend mit 30 g Triethylamin vermengt, um deren pH-Wert auf größer als 7 einzustellen, und es wurde die Mischung dann bei 80ºC 2 Stunden lang gehalten, um die Kondensationsreaktion zu beschleunigen. Danach wurden 100 g Benzol der Reaktionsmischung beigemengt, die erhitzt wurde, um das Benzol und den Ethylalkohol zu entfernen, bis die Menge der nichtflüchtigen Masse 40 Gew.-% erreichte. Das auf diese Weise erhaltene Reaktionsprodukt (nachfolgend als "Reaktionsprodukt A" bezeichnet) war eine klare viskose Flüssigkeit mit einer Viskosität von 5,8 cP bei 20ºC. Es wurde keine Veränderung festgestellt, nachdem das "Reaktionsprodukt A" bei 30ºC zwei Monate lang aufbewahrt wurde, um darzutun, daß das "Reaktionsprodukt A" eine sehr gute Speicherstabilität hatte.
Eine Menge von 100 Gew.-Teilen des "Reaktionsproduktes A wurde mit Rutil-Titanoxid-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 um vermengt (Teilchengrößenverteilungsbereich: 0,05 bis 0,5 um) sowie mit Silberglimmerteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 um (Teilchengrößenverteilungsbereich: 0,05 bis 12 um), wobei die gesamte Menge an zugegebenen Titanoxidteilchen und an den Silberglimmerteilchen 200 Gew.-Teile betrug, während das Vermischungsverhältnis der Rutil-Titanoxid-Teilchen und der Silberglimmerteilchen wie in Tabelle 1 angegeben verändert wurde. Jede der so zu bereiteten vier Wärmesteuerungsbeschichtungszusammensetzungen wurde mit einem Verdünner verdünnt und dann auf einer kohlenstoffaserverstärkten Kunststofftafel (CFRP-Tafel) als Schicht aufgetragen, wobei sie als Hautmaterial für eine Antenne eines künstlichen Satelliten verwendet wurde, um eine Beschichtung mit einer Dicke von 30 um zu bilden. Die CFRP-Tafel hatte eine Dicke von 1 mm, eine Solarabsorptanz (αS) von 0,92 und eine thermische Emittanz (&epsi;) von 0,79. Jede der Beschichtungen wurde auf Raumtemperatur 30 Minuten lang eingestellt und dann auf 180ºC 20 Minuten lang erhitzt, um auszuhärten. Die Anfangswerte von αS und &epsi; sind in der Tabelle 1 angeführt. Unter Verwendung eines Cockcroft-Walton-Elektronenstrahl-Bestrahlungssystems wurde jede der Beschichtungen einer Elektronenstrahlbestrahlung von 300 keV, 10¹&sup6; e/cm² (Fluenz: 6.25·10¹¹ e/cm² sec, Temperatur: 15ºC, Vakuumgrad: 5·10&supmin;&sup5; Torr) ausgesetzt, was einer Aussetzungsdosis einer Bestrahlung von 10 Jahren in Flugraumumgebung (auf einer festen Umlaufbahn) entspricht. Die Solarabsorptanz (αS) und die thermische Emittanz (&epsi;) wurden nach einer Aussetzung gegenüber einem Elektronenstrahl gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1 Nr. TiO&sub2; (phr) Silberglimmer (phr) Anfangswert Nach Aussetzung bei 300 keV, 10¹&sup6; e/cm²
Die Anstiege in der solaren Absorptanz der Wärmesteuerungsbeschichtungszusammensetzungen dieses Beispiels betrugen nach einer Aussetzung gegenüber einem Elektronenstrahl von 10¹&sup6; e/cm² lediglich 0,01. Dazwischen wurden die solare Absorptanz (αS) durch eine UV 5240-Vorrichtung von Beckman und die thermische Emittanz (&epsi;) durch einen Gier-Dunkel- Reflektometer Modell DB 100 gemessen.
Aus den Ergebnissen gemäß Tabelle 1 ergab sich, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung sich ausgezeichnet gegenüber Elektronenstrahlbestrahlung verhielt.

Beispiel 2

Sieben Zusammensetzungen einer Wärmesteuerungsbeschichtungen wurden durch Hinzufügung von 100 Gew.-Teilen an Rutil-Titanoxid-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0.3 um und 50 bis 300 Gew.-Teilen an Silberglimmerteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 um auf 100 Gew.-Teile an dem "Reaktionsprodukt A" zubereitet, welches in Beispiel 1 hergestellt worden war.
Jede der sieben Beschichtungszusammensetzungen wurde auf einer CFRP-Tafel als Schicht aufgetragen, um eine 30 um dicke Beschichtung auszubilden, welche ähnlich wie in Beispiel 1 aushärten gelassen wurde.
Unter Verwendung einer Ransco 934 D Wärmezyklus-Versuchsvorrichtung wurde jede der gehärteten Beschichtungen einem Wärmezyklus- oder Wechselversuch zwischen -180ºC und +100ºC 30 Zyklen lang ausgesetzt, um den Widerstand gegenüber sich wiederholenden Wärmeschockzyklen zu bestätigen. Der Temperaturbereich im Wärmewechselversuch entsprach demjenigen in einer Flugraumumgebung (bei stillstehender Umlaufbahn). Es wurde kein Cracken in den Beschichtungen beobachtet, welche durch die Beschichtungszusammensetzungen gebildet wurden, die nicht weniger als 150 Gew.-Teile an Silberglimmer enthielten, nachdem diese 300 thermischen Schockzyklen ausgesetzt worden waren. Ein Cracken wurde in Beschichtungen von Beschichtungszusammensetzungen gefunden, welche kein Silberglimmer enthielten und 50, 75 und 100 Gew.-Teile an Silberglimmer aufwiesen, bevor 200 thermische Schockzyklen erreicht wurden. Die anfängliche solare Absorptanz (αS) und die Zyklenanzahl, bei denen ein Cracken beobachtet worden war, sind in Fig. 1 in Abhängigkeit der Veränderung in der zugegebenen Menge an Silberglimmer veranschaulicht. Die Werte der anfänglichen solaren Absorptanz (αS) betrugen nicht mehr als 0,27 gemäß Fig. 1, und die Werte der anfänglichen thermischen Emittanz (&epsi;) waren nicht geringer als 0,85, obgleich nicht in Fig. 1 gezeigt. Es wurde in vorteilhafter Weise gefunden, daß die optimale Menge an zugegebenem Silberglimmer 200 Gew.- Teile betrug, um die niedrigste anfängliche solare Absorptanz (αS) zu erhalten.

Beispiel 3

Sechs Zusammensetzungen einer Wärmesteuerungsbeschichtung wurden durch Hinzufügung von 200 Gew.-Teilen an einem Silberglimmerteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 um und 50 bis 200 Gew. -Teilen an Rutil-Titanoxid-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 um auf 100 Gew.-Teile des "Reaktionsproduktes A" zubereitet, welches im Beispiel 1 hergestellt worden ist. Entsprechend im allgemeinen den in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensschritten wurde jede der sieben Beschichtungszusammensetzungen als Schicht auf eine CFRP-Tafel aufgetragen, um eine 30 um dicke Beschichtung auszubilden, welche dann härten gelassen wurde. Die Werte der solaren Absorptanz (αS) und der thermischen Emittanz (&epsi;) der sechs Beschichtungen sind in den Fig. 2A und 2B gezeigt. Wie dargestellt, betrug bei allen sechs Beschichtungen die solare Absorptanz (αS) nicht mehr als 0,27 und die thermische Emittanz (&epsi;) nicht weniger als 0,85. Die solare Absorptanz wurde niedriger, während die Menge an zugegebenem Titanoxid erhöht wurde, aber die Veränderung von αS nicht signifikant ist, selbst bei einer Erhöhung der zugegebenen Menge an Titanoxid über 100 Gew.-Teile hinaus.

VERGLEICHSBEISPIEL

Eine Wärmesteuerungs-Silizium-Alkyd-Kunststoffarbe APA-2427 (Hersteller Whittaker Corp.) wurde als Schicht auf die gleichen CFRP-Tafeln aufgetragen, welche in Beispiel 1 verwendet wurden, um entsprechende Beschichtungen mit Dicken von 40, 80 und 130 um auszubilden. Die Beschichtungen wurden dann bei Raumtemperatur 48 Stunden lang härten gelassen. Die Werte der solaren Absorptanz (αS) und der thermischen Emittanz (&epsi;) der Beschichtungen sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Farbe Dicke der Beschichtung (um) Anfangswert Nach Aussetzung bei 300 keV, 10¹&sup6; e/cm²

Beispiel 4

Eine Menge an 100 Gew.-Teilen von Rutil-Titanoxid-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 um (Teilchengrößen-Verteilungsbereich: 0,05 bis 0,5 um), 200 Gew.- Teilen an Silberglimmerteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 um (Teilchengrößen-Verteilungsbereich: 0,05 bis 12 um) sowie 50 bis 200 Gew.-Teile an Ceroxidteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 um (Teilchengrößen-Verteilungsbereich: 0,05 bis 15 um) wurden auf 100 Gew.-Teile des "Reaktionsproduktes A" zugegeben, welches im Beispiel 1 hergestellt wurde, wodurch vier Wärmesteuerungsbeschichtungszusammensetzungen hergestellt wurden. Ähnlich wie in Beispiel 1 wurde jede der vier Beschichtungszusammensetzungen auf eine CFRP-Tafel als Schicht aufgetragen, um eine 30 Mikron dicke Beschichtung auszubilden, worauf sie bei Raumtemperatur 30 Minuten lang gehalten wurde. Die Beschichtung wurde durch Erhitzung derselben bei 180ºC 20 Minuten lang härten gelassen.
Die solare Absorptanz (αS) und die thermische Emittanz (&epsi;) der auf diese Weise gebildeten Wärmesteuerungsbeschichtungen wurden gemessen entsprechend im allgemeinen den in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensschritten. Die anfänglichen Werte sowie die Werte, welche nach einer Aussetzung gegenüber einer Elektronenstrahlbestrahlung von 300 keV, 10¹&sup6; e/cm² gefunden wurden, sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3 Nr. Ceroxid (phr) Anfangswert Nach Aussetzung bei 300 keV, 10¹&sup6; e/cm²
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, waren die Zunahmen in der solaren Absorptanz der Wärmesteuerungsbeschichtungszuammensetzungen gemäß der Erfindung nach einer Aussetzung gegenüber einem Elektronenstrahl von 10¹&sup6; e/cm² so klein wie lediglich 0,01. Die Beschichtungen wurden ebenfalls einem Wärmewechselversuch (zwischen -180ºC und +100ºC) unterworfen, durchgeführt ähnlich wie in Beispiel 2 gezeigt. Es wurden weder ein Cracken noch andere Störungen bei sämtlichen Beschichtungen gefunden, nachdem diese einem Wärmewechselversuch von 300 Zyklen ausgesetzt wurden.
Fig. 3 veranschaulicht die Veränderungen von αS (ΔαS) infolge einer Aussetzung gegenüber 20 000 ESH UV-Bestrahlung in Abhängigkeit der Veränderungen in der zugegebenen Menge des Ceroxids. Die UV-Bestrahlung wurde bei einer Temperatur von 40ºC und einem Vakuumgrad von 5·10&supmin;&sup5; Torr unter Verwendung einer Quecksilber-Xenon-Kurzbogenlampe bewirkt. Die Aussetzungszeit der UV-Bestrahlung wurde in ESH (äquivalente Sonnenstunden) angezeigt, welche die entsprechende Aussetzungsdosis des Sonnenlichts in Flugraumumgebung zeigt. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Veränderungen in der solaren Absorptanz (αS) verringert werden können, während die Menge des zugegebenen Ceroxids zunimmt, und daß die Veränderung in der solaren Absorptanz (αS) vernachlässigbar ist, wenn die Menge des zugegebenen Ceroxids jenseits des Bereiches von mehr als 150 Gew.-Teilen vergrößert wird.
Die Fig. 4A und 4B veranschaulichen die Veränderungen der jeweiligen solaren Absorptanz (αS) und der jeweiligen thermischen Emittanz (&epsi;) der Beschichtung Nr. 2 und Nr.4, welche 50 Gew.-Teile bzw. 150 Gew.-Teile Ceroxid enthalten, und zeigen auch die Veränderungen der solaren Absorptanz (αS) sowie der thermischen Emittanz (&epsi;) eines Vergleichsbeispieles, welches kein Ceroxid enthält, in Abhängigkeit der Aussetzungszeit gegenüber UV-Strahlen. Die Kurve mit den Markierungen zeigt die Beschichtungszusammensetzung Nr. 4 mit 50 Gew.-Teilen an Ceroxid, die Kurve mit den Markierungen zeigt die Beschichtungszusammensetzung Nr. 2 mit 150 Gew.-Teilen an Ceroxid, während die Kurve mit den Markierungen 0 ein Vergleichsbeispiel veranschaulicht, welches durch Verwendung der bekannten Farbe APA-2427 gebildet worden war.
Nach einer Aussetzung gegenüber 28 000 ESH einer UV-Bestrahlung entsprechender Strahlendosis in einem Zeitraum von 10 Jahren in Flugraumumgebung wurden die Solarabsorptanz (αS) der Wärmesteuerungsbeschichtung, welche aus der Beschichtungszusammensetzung gemäß der Erfindung (Hinzufügung von 50 Gew.-Teilen Ceroxid) ausgebildet worden war, auf 0,56 (Anfangswert: 0,23) verändert und jene solare Absorptanz der Beschichtung, welche aus der Beschichtungszusammensetzung gemäß der Erfindung (Hinzufügung von 150 Gew.-Teilen Ceroxid) auf 0,53 (Anfangswert: 0,23). Die Zunahmen von αS infolge UV-Strahlung betrugen 0,3 bis 0,33. Demgegenüber wurde die Solarabsorptanz αS der Beschichtung, welche aus der bekannten Farbe ausgebildet worden war, die kein Ceroxid enthielt, vom Anfangswert 0,19 auf 0,64 aufgrund der gleichen UV-Strahlendosis erhöht, während die Zunahme von αS 0,45 betrug. Es ist somit klar ersichtlich, daß die Widerstandsfähigkeit gegenüber UV-Bestrahlung der erfindungsgemäß geschaffenen Wärmesteuerungsbeschichtung durch Hinzufügung von Ceroxid verbessert ist. Es wurde erkannt, daß die Veränderungen in der thermischen Emittanz (&epsi;) der Beschichtungen vernachlässigbar sind, welche sowohl aus einer erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung als auch einer bekannten Farbe ausgebildet worden waren.

Beispiel 5

100 Gew.-Teile an Rutil-Titanoxid-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 um (Teilchengrößen-Verteilungsbereich: 0,05 bis 0,5 um), 200 Gew.-Teile an Silberglimmerteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 um (Teilchengrößen-Verteilungsbereich: 0,05 bis 12 um) und 150 Gew.-Teile an Ceroxidteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 um (Teilchengrößen-Verteilungsbereich: 0,05 bis 15 um) wurden 100 Gew.-Teilen des "Reaktionsproduktes A" zugegeben, welches in Beispiel 1 gefertigt wurde, um eine Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung zu erhalten. Die Beschichtungszusammensetzung wurde als Schicht auf eine CFRP-Tafel aufgetragen, um eine 30 um dicke Beschichtung auszubilden, ähnlich wie in Beispiel 1. Die Beschichtung konnte dann bei Raumtemperatur eine Woche lang aushärten. Die anfängliche Solarabsorptanz (αS) betrug 0,23 und die anfängliche thermische Emittanz (&epsi;) war 0,87. Die Zunahme von αS nach einer Aussetzung der Beschichtung gegenüber einer Elektronenstrahlbestrahlung von 300 keV, 10¹&sup6; e/cm² betrug lediglich 0,01. Das Ergebnis des Wärmewechselversuchs durchgeführt ähnlich wie in Beispiel 2 innerhalb eines Temperaturbereichs von -180ºC bis +100ºC lag darin, daß kein Cracken oder eine andere Störung gefunden wurde. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber UV-Bestrahlung der Wärmesteuerungsbeschichtung wurde durch Aussetzung der Beschichtung gegenüber einer 28 000 ESH UV-Bestrahlung untersucht, ähnlich wie in Beispiel 4 beschrieben. Die Zunahme von αS betrug 0,32.
Die Ergebnisse dieses Beispiels veranschaulichen, daß die erfindungsgemäße Wärmesteuerungsbeschichtungszusammensetzung eine Beschichtung mit den geforderten Eigenschaften ausbildet, selbst bei Aushärtung unter Raumtemperatur, wobei die Eigenschaften der Beschichtung bei einer Aushärtung unter Raumtemperatur vergleichbar mit denjenigen der Beschichtung sind, welche bei einer hohen Temperatur aushärtet.
Die Eigenschaften der weißen Farbe gemäß Beispiel 5 wird in der nachfolgenden Tabelle 4 wiedergegeben, in der die Eigenschaften der bekannten weißen Farbe für Vergleichszwecke veranschaulicht sind. Tabelle 4 Vorliegende Erfindung Vergleichsbeispiel Bindemittel Silicium Silizium-Alkyd-Harz TiO&sub2; Farbstoff Silberglimmer CeO&sub2; Gewicht der Beschichtung (g/m² Anfangswert Widerstand gegenüber Wärmewechsel (-180ºC bis 100ºC) gut Widerstand gegenüber Elektronenstrahlbestrahlung Widerstand gegenüber UV-Strahlen
Werden beide Seiten einer Antenne (Durchmesser: 3,5 m) in einem Nachrichtensatelliten großer Kapazität mittels einer Beschichtungszusammensetzung gemäß Beispiel 4 beschichtet, beträgt das Gesamtgewicht der Beschichtung ca. 3 kg, und die geschätzte Solarabsorptanz αS (EOL) beträgt 0,23 (Anfangswert) + 0,32 = 0,55, nachdem der Satellit auf einer stillstehenden Umlaufbahn 10 Jahre lang gehalten worden war. Wird demgegenüber eine bekannte Silizium- Alkyd-Harz-Basisfarbe auf der gleichen Antenne als Beschichtung aufgetragen, beträgt das Gesamtgewicht der Beschichtung ca. 6 kg, und es beträgt die geschätzte Solarabsorptanz αS (EDL) 0,19 (Anfangswert) + 0,45 = 0,64, bei einem Satelliten, welcher auf fester Umlaufbahn 10 Jahre lang gehalten worden war. Demzufolge ermöglicht die erfindungsgemäße Zusammensetzung einer Wärmesteuerungsbeschichtung die Schaffung eines künstlichen Satelliten geringeren Gewichts und stellt sicher, daß der Satellit auf fester Umlaufbahn mit einer Lebensdauer von mehr als 10 Jahren betriebsfähig ist.

Claims

1. Zusammensetzung einer Beschichtung zur Steuerung von Wärme mit einem Bindemittel aus einem ein großes Molekulargewicht aufweisenden, eine große Kondensationspolymerisation aufweisenden Polymerisationsprodukt einer Verbindung aus der Gruppe der Siliziumverbindungen und deren Oligomere, wobei das Polymerisationsprodukt einen Kondensationspolymerisationsgrad von nicht weniger als 20 und ein Molekulargewicht von nicht weniger als 3000 aufweist und die Siliziumverbindungen durch nachfolgende allgemeine Formel (1) repräsentiert werden:

wobei R die gleiche Gruppe oder unterschiedliche Gruppen sind und jede Gruppe für eine aliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine Phenylgruppe steht;

mit 100 bis 300 Gew.-Teilen, basierend auf 100 Gew- Teilen des Bindemittels, eines Silberglimmerteilchens, welches eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 40 um enthält;

mit 50 bis 200 Gew.-Teilen, basierend auf 100 Gew.- Teilen des Bindemittels, eines Titanoxidteilchens, welches eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 1 um aufweist; sowie

mit 50 bis 200 Gew.-Teilen, basierend auf 100 Gew.- Teilen des Bindemittels, eines Ceroxidteilchens, welches eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 40 um aufweist.

2. Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei R in der allgemeinen Formel (1) zumindest eine Gruppe ist, die aus der Methyl-, Ethyl- und Phenyl-Gruppe ausgewählt ist.

3. Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Grad der Kondensationspolymerisation des Oligomers nicht mehr als 10 beträgt.

4. Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das ein großes Molekulargewicht aufweisende Kondensationsprodukt durch Hydrolysieren von zumindest einer durch die allgemeinen Formel (1) ausgedrückten Verbindung oder eines Oligomers hiervon bei Vorhandensein eines Säurekatalysators zubereitet und anschließend die hydrolysierte Verbindung oder das Oligomer durch Kondensation polymerisiert wird, während der pH-Wert des Reaktionssystems auf nicht weniger als 7 eingestellt wird.

5. Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Silberglimmerteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 15 um besitzt und in einer Menge von 150 bis 250 Gew.-Teilen zugegeben wird.

6. Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Titanoxidteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen 0,1 bis 0,5 um besitzt und in einer Menge zwischen 100 bis 150 Gew.-Teilen zugegeben wird.

7. Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Ceroxidteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 15 um besitzt und in einer Menge zwischen 75 und 150 Gew.-Teilen zugegeben wird.