CN103666248B - 新型防静电白色热控涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型防静电白色热控涂层及其制备方法；该涂层由内至外包括表面处理剂层、底漆层和面漆层；底漆层、面漆层均以室温固化型有机硅树脂为基体树脂；底漆层中交叉重叠排列若干片状金属粉，部分片状金属粉的一端延伸至面漆层；面漆层内还分布有白色氧化锌。本发明涂层外观为白色、厚度为100μm～140μm、太阳吸收比为0.24～0.29、半球发射率为0.85～0.91、总质损TML<1％、可凝挥发物CVCM<0.1％、体积电阻率ρ_V≤10⁷Ω·m，涂层经过-100～+100℃100次高低温热循环试验后，无开裂、剥落、起泡和变色现象、光学性能稳定、附着力良好，基本满足航天器对防静电白色热控涂层的需求。

Description

新型防静电白色热控涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及飞行器热控材料技术领域，具体涉及一种新型防静电白色热控涂层及其制备方法。

背景技术

热控涂层是航天器被动热控制系统中的重要组成部分，当航天器长期暴露在太阳光或者在太阳光不能到达的宇宙空间内运行时，它可以通过涂层自身的热物理性能来保持外表面能量吸收和辐射的平衡，使航天器达到理想的工作温度。因此几乎每一个空间飞行器外表面均需涂覆热控涂层，以保障星体安全和星内仪器的正常工作。

航天器在轨服役过程中，表面材料要经受太阳电磁射线、电子及质子等带电粒子、原子氧、微流星及空间轨道碎片、高真空以及大范围循环波动的热载荷等各种极端苛刻复杂的空间环境。表面材料会出现质量损耗(剥蚀)、表面氧化、充放电现象、光学性能退化等，从而导致材料失效，使航天器工作可靠性及寿命下降。卫星所处的轨道存在使其表面充电的荷电环境，荷电粒子流冲击卫星表面会造成电荷积累，从而导致卫星表面各处导电能力的差异，最终导致电势差即充电。这种电势差(充电电位)有时达万伏以上。当充电电位超过击穿阈值或因充电条件改变使卫星表面电位发生瞬间变化时便可能产生放电，从而干扰星上电子设备工作，引起卫星各类故障事件。因此，为保证航天器在轨期间不因表面放电导致异常和故障，在航天器的设计中，需要进行航天器表面电位控制等工作。实现航天器抗静电的主要措施之一就是尽量使用电阻率较低的热控涂层。NASA规定，导电性能是选择热控涂层时需要考虑的因素之一。

目前，国内航天器用热控涂层，尤其是航天器外侧用白色热控涂层，体积电阻率没有达到抗静电涂层ρ_V≤10⁷Ω·m的指标，电阻率较大，使得目前部分研制的热控涂层无法正常使用。因此对于防静电白色热控涂层的研究，消除航天器在轨服役过程中的静电隐患，保障航天器运行的可靠性，具有十分重要的工程应用背景和理论研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型防静电白色热控涂层及其制备方法，消除航天器在轨服役过程中的静电隐患，保障航天器运行的可靠性，满足航天器对防静电白色热控涂层的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明涉及一种新型防静电白色热控涂层，所述涂层由内至外包括表面处理剂层、底漆层和面漆层；所述底漆层、面漆层均以室温固化型有机硅树脂为基体树脂；所述底漆层中交叉重叠排列若干片状金属粉，部分片状金属粉的一端延伸至面漆层；所述面漆层内还分布有白色氧化锌。

优选的，所述片状金属粉长度为100～300μm；所述底漆层的厚度为50～80μm，所述面漆层的厚度为40～60μm。

优选的，所述片状金属粉为铜粉、铝粉、银粉中的一种或几种。

优选的，所述底漆层中片状金属粉占底漆涂料固含量的60～75wt％。

优选的，所述白色氧化锌的粒径为0.5～3μm；所述面漆层中白色氧化锌占面漆涂料固含量的65～75wt％。

优选的，所述表面处理剂层采用的表面处理剂为硅烷偶联剂。

第二方面，本发明涉及一种上述的新型防静电白色热控涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：

A、底漆涂料配置：在室温固化型有机硅树脂中，加入片状金属粉，混合搅拌，加入有机溶剂a，混合，超声搅拌均匀；

B、面漆涂料配制：在室温固化型有机硅树脂中，加入白色氧化锌，混合搅拌，加入有机溶剂b，混合，超声搅拌均匀；

C、涂层制备：在基体表面喷涂表面处理剂，在18～35℃下固化1～2h，喷涂所述底漆涂料，在18～35℃下固化5～10h，喷涂所述面漆涂料，在18～35℃下固化15～28d，即可制得所述新型防静电白色热控涂层。

优选的，步骤A中，所述片状金属粉与室温固化型有机硅树脂的用量比为60～75：25～40，所述有机溶剂a的用量为片状金属粉和室温固化型有机硅树脂总重量的0.1～0.2倍；所述片状金属粉占底漆涂料固含量的60～75wt％。

优选的，步骤B中，所述白色氧化锌与室温固化型有机硅树脂的用量比为65～75：25～35，所述有机溶剂b的用量为白色氧化锌和室温固化型有机硅树脂总重量的0.5～0.7倍；所述白色氧化锌占面漆涂料固含量的65～75wt％。

优选的，所述白色氧化锌经400℃～700℃高温热处理。

优选的，所述有机溶剂a、b均选自丙酮、乙酸丁酯、二甲苯中的一种或几种；所述有机溶剂a、b可相同或不同。

优选的，所述室温固化型有机硅树脂为环氧改性聚甲基苯基硅氧烷。

优选的，所述片状金属粉长度为100～300μm。

优选的，所述片状金属粉为铜粉、铝粉、银粉中的一种或几种。

优选的，所述表面处理剂为硅烷偶联剂。

本发明的新型防静电白色热控涂层的导电机理为：

新型防静电白色热控涂层为添加型导电涂层，是由于在底漆树脂基体中添加了片状金属粉填料，由于片状金属粉的含量较大，金属粉之间交叉重叠排列在树脂基体中(图1)。在金属粉填料中，原子的最外层电子(价电子)受原子的束缚较松，容易脱离原子，形成在金属中自由移动的电子，具有较强的导电能力。当面漆涂覆在底漆上，面漆中金属粉内部导通，部分导电粒子能够相互接触而形成链状导电通道，电阻急剧减小。由于面漆未完全覆盖部分片状金属粉的尖端，在高外加电压下，导电粒子间的内部电场很强，电子将有很大的几率飞跃树脂界面层而跃迁到相邻导电粒子上产生电流，形成导电通路。

本发明提供的新型防静电白色热控涂层，具有以下特性：

a)外观：白色，涂层表面均匀、无气泡、无裂纹、无起皮、无脱落；

b)厚度：100μm～140μm；(其中，底漆层厚度为50～80μm，面漆层厚度为40～60μm)

c)太阳吸收比：0.24～0.29；

d)半球发射率：0.85～0.91；

e)热循环试验：涂层满足-100～+100℃100次高低温热循环试验后，无开裂、剥落、起泡和变色现象、光学性能稳定、附着力良好；

f)真空放气性能：均满足TML＜1％，CVCM＜0.1％；

g)导电性能：ρ_v≤10⁷Ω·m。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的新型防静电白色热控涂层在保证涂层具有良好热控性能(太阳吸收比、半球发射率)的基础上，具有较好的涂层导电性能，并且涂层可以室温固化，避免了涂层烘烤固化过程中对航天器产品的影响，同时涂层施工简单、易学，具有较强的可实施性，并且经受-100～+100℃100次温度冲击试验后附着力良好。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为新型防静电白色热控涂层的结构示意图；

图2为新型防静电白色热控涂层外观图，其中(a)为蜂窝结构表面涂层外观图，(b)为碳纤维基材表面涂层外观图；

图3(a)和(b)为不同放大倍率下的片状金属粉填料的扫描电子显微(SEM)图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例的新型防静电白色热控涂层如图1所示，涂层由里至外包括表面处理剂层、底漆层和面漆层；所述底漆层、面漆层均以室温固化型有机硅树脂为基体树脂；所述底漆层中交叉重叠排列若干片状金属粉，部分片状金属粉的一端延伸至面漆层；所述面漆层内还分布有白色氧化锌。

本实施例的新型防静电白色热控涂层的具体制备方法包括如下步骤：

1)底漆涂料配置：在环氧改性聚甲基苯基硅氧烷中，加入片状金属粉，混合搅拌，加入二甲苯，混合，超声搅拌均匀；按质量百分比：在底漆中片状金属混合粉(铜粉：银粉=3：1，长度为200～300μm)占涂料固含量的71wt％，环氧改性聚甲基苯基硅氧烷占涂料总量的29wt％，二甲苯稀释剂按其用量为片状金属混合粉填料和环氧改性聚甲基苯基硅氧烷总重量的0.2倍加入。

2)面漆涂料配制：在环氧改性聚甲基苯基硅氧烷中，加入白色氧化锌，混合搅拌，加入二甲苯，混合，超声搅拌均匀；按质量百分比：在面漆中白色氧化锌(经过600℃热处理，粒径为0.5～2μm)填料占涂料固含量的70wt％，环氧改性聚甲基苯基硅氧烷占涂料总量的30wt％，二甲苯稀释剂按其用量为白色氧化锌填料和环氧改性聚甲基苯基硅氧烷总重量的0.6倍加入。

3)在制备涂层过程中，首先喷涂硅烷偶联剂→在18～35℃下固化1h→喷涂底漆→在18～35℃下固化5h→喷涂面漆→在18～35℃下固化20d。

对本实施例的新型防静电白色热控涂层进行性能测试，测试方法如下：

半球发射率测试

采用美国AZTECHNOLOGY公司研制的TEMP2000A发射率测量仪测量样品在室温下3～35μm波段的半球发射率，它的测量精度为±3％，全波段重复性为±0.5％。

太阳吸收比测试

本试验采用美国珀金埃尔默(Perkin-Elmer)公司生产的LAMBDA950型紫外-可见-近红外分光光度计(UV／VIS／NIRSpectrophotometer)来测量防静电白色热控涂层的太阳吸收比。它可测量的波长范围为200nm到2500nm，仪器的分辨率为0.1nm，带宽≤0.05nm，杂散光≤0.00008％T，噪声<0.0008A，光度计重复性<0.0001A，基线漂移<0.0002A／h，基线平直：±0.001A，稳定性好、基线平直度高、杂散光极低。实验中步长设为5nm，狭缝宽度设为4nm。

附着力测试

根据GJB2704A-2006《航天器热控涂层通用规范》中附着力测试方法，用剥离强度为2N／cm～4N／cm的胶带，紧贴涂层中间区域，离边缘不小于3mm。用手拉起胶带一端，并使胶带与表面成90°，缓慢(约5mm／s)将胶带拉离表面，观察涂层有否剥落。

涂层导电性能测试

测试条件如下：

1)采用高阻计测量方法，高阻计测试电阻大于10¹⁰Ω时，误差不超过±20％；测试电阻值不大于10¹⁰Ω时，误差不超过±10％。

2)将导电基材接高压电极，将上电极做测量电极，辅助电极接地，测试涂层的体积电阻；

3)体积电阻率的计算公式为：

${\mathrm{\&rho;}}_v=R_v\frac{{\mathrm{\&pi;d}}^2}{4t}---\left(1\right)$

式中：ρ_v——体积电阻率，Ω·m；

R_v——体积电阻，Ω；

d上电极直径，m；

t——试样涂层厚度，m。

热循环测试

本实验采用温度冲击箱进行热循环试验，试验条件如下：

1)试验温度：高端温度为100℃，低端温度定为-100℃；

2)循环次数：100次；

3)温控误差：高温±5℃，低温±10℃；

4)热循环装置应有两个不同温度的恒温区域，试样10s内从一个恒温区转移至另一个恒温区；

5)在高温、低温端保温5min，确保试片温度和环境温度相同；

6)试验时应采取除湿措施，防止试片表面结霜；

热循环试验后，目测检查试验试样有无开裂、剥落、起泡和变色现象，按GJB2502.2-2006和GJB2502.3-2006规定测定试验试样的太阳吸收比和发射率。测试结果如表1所示。

真空放气性能测试

参考标准QJ1558进行真空放气试验，试验条件如下：

1)样品受热温度125℃±1℃或150℃±1℃；

2)可凝挥发物收集温度：25℃；

3)测试压力：优于7×10^-3Pa；

4)保温时间：24h；

5)样品前期处理：23℃±1℃，湿度45％RH±10％RH，保持24h；

6)天平测试灵敏度：1μg。

测试计算真空中材料总质量损失(TML)、可凝挥发物(CVCM)、水蒸气回吸量(WVR)，从而确定涂层的真空放气性能；如表2所示。

表1

备注：Δα_S／α_S0=(α_S1-α_S0)／α_S0；Δε／ε₀=(ε₁-ε₀)／ε₀。

表2

结合表1、2以及试验测试结果，本实施例的新型防静电白色热控涂层的性能如下：

a)外观：白色，涂层表面均匀、无气泡、无裂纹、无起皮、无脱落；

b)厚度：100μm～140μm；

c)太阳吸收比：0.24～0.29；

d)半球发射率：0.85～0.91；

e)热循环试验：涂层满足-100～+100℃100次高低温热循环试验后，无开裂、剥落、起泡和变色现象、光学性能稳定、附着力良好；

f)真空放气性能：均满足TML<1％，CVCM＜0.1％；

g)导电性能：ρ_v≤10⁷Ω·m。

实施例2

本实施例的新型防静电白色热控涂层如图1所示，涂层由里至外包括表面处理剂层、底漆层和面漆层；所述底漆层、面漆层均以室温固化型有机硅树脂为基体树脂；所述底漆层中交叉重叠排列若干片状金属粉，部分片状金属粉的一端延伸至面漆层；所述面漆层内还分布有白色氧化锌。

本实施例的新型防静电白色热控涂层的制备方法同实施例1，所不同之处在于：

1)底漆涂料配置：在室温固化型有机硅树脂中，加入片状金属粉，混合搅拌，加入乙酸丁酯，混合，超声搅拌均匀；按质量百分比：在底漆中片状金属铝粉(长度为100～150μm)(如图3所示)占涂料固含量的60wt％，室温固化型有机硅树脂占涂料总量的40wt％，乙酸丁酯稀释剂按其用量为片状金属铝粉填料和室温固化型有机硅树脂总重量的0.1倍加入。

2)面漆涂料配制：在室温固化型有机硅树脂中，加入白色氧化锌，混合搅拌，加入丙酮，混合，超声搅拌均匀；按质量百分比：在面漆中白色氧化锌(经过700℃热处理，粒径为1～2μm)填料占涂料固含量的65wt％，室温固化型有机硅树脂占涂料总量的35wt％，丙酮稀释剂按其用量为白色氧化锌填料和室温固化型有机硅树脂总重量的0.7倍加入。

3)在制备涂层过程中，首先喷涂硅烷偶联剂→在18～35℃下固化2h→喷涂底漆→在18～35℃下固化10h→喷涂面漆→在18～35℃下固化28d。

对本实施例的新型防静电白色热控涂层进行性能测试，测试方法同实施例1。本实施例的涂层性能如下：

a)外观：白色，涂层表面均匀、无气泡、无裂纹、无起皮、无脱落(如图2所示)；

b)厚度：100μm～140μm；

c)太阳吸收比：0.24～0.29；

d)半球发射率：0.85～0.91；

e)热循环试验：涂层满足-100～+100℃100次高低温热循环试验后，无开裂、剥落、起泡和变色现象、光学性能稳定、附着力良好；

f)真空放气性能：均满足TML<1％，CVCM＜0.1％；

g)导电性能：ρ_v≤10⁷Ω·m。

实施例3

本实施例的新型防静电白色热控涂层如图1所示，涂层由里至外包括表面处理剂层、底漆层和面漆层；所述底漆层、面漆层均以室温固化型有机硅树脂为基体树脂；所述底漆层中交叉重叠排列若干片状金属粉，部分片状金属粉的一端延伸至面漆层；所述面漆层内还分布有白色氧化锌。

本实施例的新型防静电白色热控涂层的制备方法同实施例1，所不同之处在于：

1)底漆涂料配置：在室温固化型有机硅树脂中，加入片状金属粉，混合搅拌，加入二甲苯，混合，超声搅拌均匀；按质量百分比：在底漆中片状金属混合粉(铝粉：银粉=3：2，长度为150～250μm)占涂料固含量的70wt％，室温固化型有机硅树脂占涂料总量的30wt％，二甲苯稀释剂按其用量为片状金属铝粉填料和室温固化型有机硅树脂总重量的0.15倍加入。

2)面漆涂料配制：在室温固化型有机硅树脂中，加入白色氧化锌，混合搅拌，加入丙酮，混合，超声搅拌均匀；按质量百分比：在面漆中白色氧化锌(经过400℃热处理，粒径为2～3μm)填料占涂料固含量的75wt％，室温固化型有机硅树脂占涂料总量的25wt％，丙酮稀释剂按其用量为白色氧化锌填料和室温固化型有机硅树脂总重量的0.5倍加入。

3)在制备涂层过程中，首先喷涂硅烷偶联剂→在18～35℃下固化1.5h→喷涂底漆→在18～35℃下固化7.5h→喷涂面漆→在18～35℃下固化15d。

对本实施例的新型防静电白色热控涂层进行性能测试，测试方法同实施例1。本实施例的涂层性能如下：

a)外观：白色，涂层表面均匀、无气泡、无裂纹、无起皮、无脱落；

b)厚度：100μm～140μm；

c)太阳吸收比：0.24～0.29；

d)半球发射率：0.85～0.91；

e)热循环试验：涂层满足-100～+100℃100次高低温热循环试验后，无开裂、剥落、起泡和变色现象、光学性能稳定、附着力良好；

f)真空放气性能：均满足TML<1％，CVCM<0.1％；

g)导电性能：ρ_v，≤10⁷Ω·m。

综上所述，本发明的新型防静电白色热控涂层在保证涂层具有良好热控性能(太阳吸收比、半球发射率)的基础上，具有较好的涂层导电性能，并且涂层可以室温固化，避免了涂层烘烤固化过程中对航天器产品的影响，同时涂层施工简单、易学，具有较强的可实施性，并且经受-100～+100℃100次温度冲击试验后附着力良好。进一步对其导电机理分析如下：新型防静电白色热控涂层为添加型导电涂层，是由于在底漆树脂基体中添加了片状金属粉填料，由于片状金属粉的含量较大，金属粉之间交叉重叠排列在树脂基体中(图1)。在金属粉填料中，原子的最外层电子(价电子)受原子的束缚较松，容易脱离原子，形成在金属中自由移动的电子，具有较强的导电能力。当面漆涂覆在底漆上，面漆中金属粉内部导通，部分导电粒子能够相互接触而形成链状导电通道，电阻急剧减小。由于面漆未完全覆盖部分片状金属粉的尖端，在高外加电压下，导电粒子间的内部电场很强，电子将有很大的几率飞跃树脂界面层而跃迁到相邻导电粒子上产生电流，形成导电通路。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种新型防静电白色热控涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层由内至外包括表面处理剂层、底漆层和面漆层；所述底漆层、面漆层均以室温固化型有机硅树脂为基体树脂；所述底漆层中交叉重叠排列若干片状金属粉，部分片状金属粉的一端延伸至面漆层，且面漆未完全覆盖部分片状金属粉的尖端；所述面漆层内还分布有白色氧化锌；

所述方法包括如下步骤：

A、底漆涂料配制：在室温固化型有机硅树脂中，加入片状金属粉，混合搅拌，加入有机溶剂a，混合，超声搅拌均匀；

B、面漆涂料配制：在室温固化型有机硅树脂中，加入白色氧化锌，混合搅拌，加入有机溶剂b，混合，超声搅拌均匀；

C、涂层制备：在基体表面喷涂表面处理剂，在18～35℃下固化1～2h，喷涂所述底漆涂料，在18～35℃下固化5～10h，喷涂所述面漆涂料，在18～35℃下固化15～28d，即可制得所述新型防静电白色热控涂层；

所述片状金属粉的长度为100～300μm；所述底漆层的厚度为50～80μm，所述面漆层的厚度为40～60μm。

2.如权利要求1所述的新型防静电白色热控涂层的制备方法，其特征在于，所述片状金属粉为铜粉、铝粉、银粉中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的新型防静电白色热控涂层的制备方法，其特征在于，所述白色氧化锌的粒径为0.5～3μm。

4.如权利要求1所述的新型防静电白色热控涂层的制备方法，其特征在于，所述表面处理剂层采用的表面处理剂为硅烷偶联剂。

5.如权利要求1所述的新型防静电白色热控涂层的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述片状金属粉与室温固化型有机硅树脂的重量比为60～75:25～40，所述有机溶剂a的用量为片状金属粉和室温固化型有机硅树脂总重量的0.1～0.2倍；所述片状金属粉占底漆涂料固含量的60～75wt％。

6.如权利要求1所述的新型防静电白色热控涂层的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述白色氧化锌与室温固化型有机硅树脂的重量比为65～75:25～35，所述有机溶剂b的用量为白色氧化锌和室温固化型有机硅树脂总重量的0.5～0.7倍；所述白色氧化锌占面漆涂料固含量的65～75wt％；所述白色氧化锌经400℃～700℃高温热处理。

7.如权利要求1所述的新型防静电白色热控涂层的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂a、有机溶剂b均选自丙酮、乙酸丁酯、二甲苯中的一种或几种；所述有机溶剂a、有机溶剂b可相同或不同；所述室温固化型有机硅树脂为环氧改性聚甲基苯基硅氧烷。