CN110144057A - 空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种空间用聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层及其制备方法，包括原子氧防护涂层的制备，聚酰亚胺的表面清洁、表面改性剂涂敷，原子氧防护涂层在聚酰亚胺表面喷涂处理以及加热烘烤。本发明提出的空间用原子氧防护涂层为将溶解于环己烷溶液的双组份的室温固化液体胶，该液体胶按照一定的比例混合，经过一定时间的搅拌和静置制备而成。聚酰亚胺经表面清洁及表面改性剂涂敷后，将原子氧防护涂层以喷涂方式覆在其表面，再经过加热烘烤固化。本发明制备的涂层原子氧防护性能良好，由于聚酰亚胺材料表面经过底涂处理，原子氧防护涂层与聚酰亚胺表面附着力好，通过喷涂方式制备的涂层具有均匀性、致密性好的优点，便于工程化应用。

Description

空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池阵技术领域，具体涉及一种空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺具有综合性能优异、加工方法多、合成途径较多和应用领域广泛等优点，并且是目前已知材料中耐热等级最高的高分子材料，已经作为结构和功能材料广泛使用于航空航天领域。聚酰亚胺薄膜可用于太阳电池阵的底板，是空间航天器不可或缺的原料和组成部分。
低地球轨道(LEO)在距离地球表面200～700km之间，主要空气成分为N2、O2、Ar、He和AO(原子氧)，相应密度在106～109cm-3之间。原子氧(AO)是太阳光中紫外线与氧分子相互作用使其分解产生，AO本身具有极强的氧化活性，能与裸露在空间环境内的聚酰亚胺材料发生相互作用引起结构材料表面侵蚀、质量损失和性能老化，从而影响航天器的寿命。
目前聚酰亚胺表面的抗原子氧防护方法主要有等离子体增强化学气相沉积法，在聚酰亚胺膜表面镀铝，利用溶胶凝胶法在聚酰亚胺表面制作防护涂层的方法。上述方法均只能对面积较小的聚酰亚胺表面进行防护，并且存在可操作性差，工程化应用水平低等缺点。
发明内容
为了对大面积的空间用聚酰亚胺表面进行原子氧防护，本发明提出以一种新的原子氧防护涂层及其该涂层在聚酰亚胺表面的制备方法，具有原子氧防护涂层与聚酰亚胺表面结合力强，以及涂层在聚酰亚胺表面均匀致密，涂层的厚度易于控制等优点，可广泛用于聚酰亚胺表面的原子氧防护工程。
本发明所要解决的技术问题是：提供一种空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层，其结构由原子氧防护涂层、表面改性剂、聚酰亚胺构成。其中原子氧防护涂层为双组份室温液体胶，包含基础胶(A组份)和固化剂(B组份)，表面改性剂是含有硅烷低聚物、硅烷偶联剂和烷烃等材质的溶剂，表面改性剂和原子氧防护涂层依次附着在聚酰亚胺的表面。
进一步，表面改性剂的厚度为0～10μm，原子氧防护涂层的厚度为20～200μm。
本发明的另一技术方案在于，提供了上述空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层额制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用有机溶剂对聚酰亚胺膜表面进行清洗，去除表面多余物及水分；
步骤2：待有机溶剂挥发完毕，将表面改性剂均匀致密的涂敷在清洗后的聚酰亚胺膜表面；
步骤3：采用专用的喷涂设备将原子氧防护涂层对涂敷有表面改性剂的聚酰亚胺膜表面进行喷涂处理；
步骤4：将喷涂有原子氧防护涂层的聚酰亚胺进行烘烤加热。
进一步，其中有机溶剂清洗是采用酒精和丙酮进行顺序清洗，以去除聚酰亚胺表面的多余物和水分。
其中表面改性剂是含有硅烷低聚物、硅烷偶联剂和烷烃等材质的溶剂，表面改性剂在聚酰亚胺的表面可采用淋涂、刷涂和喷涂的方式，需涂敷均匀致密，表面改性剂的厚度为0～10μm。
其中表面改性剂涂敷完成后，需将涂敷有表面改性剂的聚酰亚胺在常温下静置0～5h，或者加热至60℃～150℃，保持0～20min。
其中喷涂设备可以喷涂的聚酰亚胺的表面积可达4m×3m。
其中喷涂设备包含喷涂存储系统、喷头系统、龙门运动控制系统、烘烤系统。
其中喷涂设备的喷嘴直径为0.01～2mm。
其中喷涂设备的喷嘴需垂直于聚酰亚胺表面，喷嘴距聚酰亚胺表面的距离为10～300mm。
其中喷涂设备的喷嘴沿X轴的运行速度为20～400mm/s。
其中喷涂设备的喷嘴沿Y轴的行间距为10～50mm。
其中喷涂设备的雾化压力设置为0.1～1.0MPa。
其中喷涂设备的供胶压力设置为0.05～0.5Mpa。
其中喷涂设备在将原子氧防护涂层在聚酰亚胺表面喷涂完成后，需在0～2h内将喷涂有原子氧防护涂层的聚酰亚胺进行烘烤加热。
其中原子氧防护涂层在聚酰亚胺表面的厚度为20～200μm。
进一步，其中烘烤时，采用温度传感器检测聚酰亚胺表面温度，温度控制范围为30～150℃，烘烤时间为0～2h。
本发明的优点包括：首先采用表面改性剂对空间用聚酰亚胺材料进行预处理，保证原子氧防护涂层与聚酰亚胺的附着力满足空间环境要求，同时开发专门设备，采用喷涂方式将原子氧防护涂层制备在聚酰亚胺表面，该原子氧防护涂层的厚度为20～200μm，可以通过对喷涂过程中相关工艺参数的调整精确控制该原子氧防护涂层的厚度，涂敷均匀致密，无缺陷，一致性高。本发明适用于空间太阳电池阵刚性基板、柔性基板表面的原子氧防护，可实现大面积，高效率工程化应用。
附图说明
图1是本发明实施例的聚酰亚胺及其原子氧防护涂层示意图。
图2是本发明实施例的原子氧防护涂层在聚酰亚胺表面制备流程图。
图3是本发明实施例的喷涂设备示意图。
图4是本发明实施例的喷头系统示意图。
图5是本发明实施例的烘烤加热系统示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下文中结合附图对本发明作进一步阐述。其中：原子氧防护涂层1；表面改性剂层2；聚酰亚胺3；喷涂设备的龙门架运动控制系统4；喷涂设备的喷涂系统5；空间用聚酰亚胺6；喷涂系统的喷嘴7；喷涂设备的加热烘烤系统8。
如图1所示，一种空间用聚酰亚胺原子氧防护涂层，其结构由原子氧防护涂层1、表面改性剂2、聚酰亚胺3构成。其中原子氧防护涂层为双组份室温液体胶，包含基础胶(A组份)和固化剂(B组份)，表面改性剂2是含有硅烷低聚物、硅烷偶联剂和烷烃等材质的溶剂。
表面改性剂层和原子氧防护涂层依次附着在聚酰亚胺的表面，其中表面改性剂层的厚度为0～10μm，原子氧防护涂层的厚度为20～200μm，如图1所示。
采用双组份室温液体胶，包含基础胶(A组份)和固化剂(B组份)，以及环己烷溶液制备原子氧防护涂层的方法：
实施例1
称取一定量的双组份室温液体胶的基础胶(A组份)，然后按照组成比例放入一定质量的环己烷溶液，采用搅拌器搅拌均匀，最后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的固化剂(B组份)，采用搅拌器搅拌均匀，制备成原子氧防护涂层。其中双组份硅橡胶中的基础胶(A组份)与环己烷溶液的组成质量比例为1：(0.5～5)，基础胶(A组份)与固化剂(B组份)的组成质量比例为100：(2～20)。
实施例2
称取一定量的双组份室温液体胶的基础胶(A组份)，然后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的固化剂(B组份)，采用搅拌器搅拌均匀，最后按照组成比例放入一定质量的环己烷溶液，采用搅拌器搅拌均匀，制备成原子氧防护涂层。其中双组份硅橡胶中的基础胶(A组份)与环己烷溶液的组成质量比例为1：(0.5～5)，基础胶(A组份)与固化剂(B组份)的组成质量比例为100：(2～20)。
实施例3
称取一定量的双组份室温液体胶的固化剂(B组份)，然后按照组成比例放入一定质量的环己烷溶液，采用搅拌器搅拌均匀，最后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的基础胶(A组份)，采用搅拌器搅拌均匀，制备成原子氧防护涂层。其中双组份硅橡胶中的基础胶(A组份)与环己烷溶液的组成质量比例为1：(0.5～5)，基础胶(A组份)与固化剂(B组份)的组成质量比例为100：(2～20)。
实施例4
称取一定量的双组份室温液体胶的固化剂(B组份)，然后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的基础胶(A组份)，采用搅拌器搅拌均匀，最后按照组成比例放入一定质量的环己烷溶液，采用搅拌器搅拌均匀，制备成原子氧防护涂层。其中双组份硅橡胶中的基础胶(A组份)与环己烷溶液的组成质量比例为1：(0.5～5)，基础胶(A组份)与固化剂(B组份)的组成质量比例为100：(2～20)。
实施例5
称取一定量的环己烷溶液，然后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的基础胶(A组份)，采用搅拌器搅拌均匀，最后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的固化剂(B组份)，采用搅拌器搅拌均匀，制备成原子氧防护涂层。其中双组份硅橡胶中的基础胶(A组份)与环己烷溶液的组成质量比例为1：(0.5～5)，基础胶(A组份)与固化剂(B组份)的组成质量比例为100：(2～20)。
实施例6
称取一定量的环己烷溶液，然后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的固化剂(B组份)，采用搅拌器搅拌均匀，最后按照组成比例放入一定质量的双组份室温液体胶的基础胶(A组份)，采用搅拌器搅拌均匀，制备成原子氧防护涂层。其中双组份硅橡胶中的基础胶(A组份)与环己烷溶液的组成质量比例为1：(0.5～5)，基础胶(A组份)与固化剂(B组份)的组成质量比例为100：(2～20)。
一种空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，具体流程参见说明图2，包括以下步骤：
步骤1：采用有机溶剂对聚酰亚胺膜表面进行清洗，去除表面多余物及水分；其中有机溶剂清洗是采用酒精和丙酮进行顺序清洗，以去除聚酰亚胺表面的多余物和水分，每步处理完毕后，进行下一步操作的等待时间为2～20min。
步骤2：待有机溶剂挥发完毕，将表面改性剂均匀致密的涂敷在清洗后的聚酰亚胺膜表面；其中表面改性剂是含有硅烷低聚物、硅烷偶联剂和烷烃等材质的溶剂，表面改性剂在聚酰亚胺的表面可采用淋涂、刷涂和喷涂的方式，需涂敷均匀致密，表面改性剂的厚度为0～10μm。表面改性剂涂敷完成后，需将涂敷有表面改性剂的聚酰亚胺在常温下静置0～5h，或者加热至60℃～150℃，保持0～20min。
步骤3：采用专用的喷涂设备将原子氧防护涂层对涂敷有表面改性剂的聚酰亚胺膜表面进行喷涂处理；参见说明图3、4、5，喷涂系统的结构包含龙门架运动控制系统、喷涂系统、加热烘烤系统。喷涂系统沿着龙门架运动控制系统的X轴方向运动，实现对聚酰亚胺单行的喷涂，通过设置合理的行间距，完成多个单行喷涂后的拼接，实现整个聚酰亚胺表面的原子氧防护涂层的喷涂。喷涂系统涉及的工艺参数包含喷嘴直径、喷涂液体的粘、供胶压力、雾化压力、喷嘴沿X轴的运行速度、行间距、喷嘴距聚酰亚胺表面的垂直距离。供胶压力决定喷嘴内溶液的体积和质量，雾化压力提供能量克服溶液的表面张力和粘性力，使溶液分散为细小的液滴，从而保证喷涂质量。其中喷涂设备的喷嘴直径为0.01～2mm，参见说明图4；喷涂设备的喷嘴距聚酰亚胺表面的距离为10～300mm，参见说明图3；喷涂设备的喷嘴沿X轴的运行速度为20～400mm/s，参见说明图3；喷涂设备的喷嘴沿Y轴移动的行间距为10～50mm，参见说明图3；其中喷涂设备的雾化压力设置为0.1～1.0Mpa，供胶压力设置为0.05～0.5Mpa。
步骤4：将喷涂有原子氧防护涂层的聚酰亚胺进行烘烤加热，加热烘烤的目的是使原子氧防护涂层的溶剂尽快挥发，尽量减少由于溶剂挥发对聚酰亚胺表面喷涂质量的影响。其中喷涂设备在将原子氧防护涂层在聚酰亚胺表面喷涂完成后，需在0～2h内将喷涂有原子氧防护涂层的聚酰亚胺进行烘烤加热，烘烤时，采用温度传感器检测聚酰亚胺表面温度，温度控制范围为30～150℃，烘烤时间为0～2h。烘烤加热可以将原子氧防护涂层中的环己烷溶液尽快挥发，从而保证喷涂的质量。
本发明所提供的一种空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，将为空间用聚酰亚胺材料表面的原子氧防护，提供一种有效的手段，本发明提供的原子氧防护涂层在聚酰亚胺表面制备前，预先涂敷表面改性剂层，可以有效提高防护涂层与聚酰亚胺的结合力，经相关试验验证，结合力满足空间环境使用要求。本发明提供的原子氧在聚酰亚胺表面制备采用喷涂的方式，可使防护涂层在聚酰亚胺表面均匀而致密的附着，并且能通过调整喷涂相关的工艺参数，将原子氧防护涂层的厚度控制到20～200μm。本发明适用于大面积空间用聚酰亚胺材料的表面原子氧防护，同时具有工程化应用水平高，原子氧防护涂层制备效率高的优点，该技术创新填补了国内空白，将为低轨卫星、空间站、神州飞船、天宫系列等一系列飞行器提供广阔的应用市场。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层，其特征在于，其结构由原子氧防护涂层、表面改性剂、聚酰亚胺构成；其中原子氧防护涂层为双组份室温液体胶，包含基础胶和固化剂，表面改性剂是含有硅烷低聚物、硅烷偶联剂和烷烃的溶剂，所述表面改性剂和原子氧防护涂层依次附着在聚酰亚胺的表面。
2.根据权利要求1所述的一种空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层，其特征在于，所述表面改性剂的厚度为0～10μm，原子氧防护涂层的厚度为20～200μm。
3.依据权利要求1所述的一种空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用有机溶剂对聚酰亚胺膜表面进行清洗，去除表面多余物及水分；
步骤2：待有机溶剂挥发完毕，将表面改性剂均匀致密的涂敷在清洗后的聚酰亚胺膜表面；
步骤3：采用专用的喷涂设备将原子氧防护涂层对涂敷有表面改性剂的聚酰亚胺膜表面进行喷涂处理；
步骤4：将喷涂有原子氧防护涂层的聚酰亚胺进行烘烤加热。
4.依据权利要求3所述的空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，所述有机溶剂是酒精和丙酮，分别按顺序对聚酰亚胺清洗，以去除表面的多余物和水分。
5.依据权利要求3所述的空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，所述表面改性剂是含有硅烷低聚物、硅烷偶联剂和烷烃材质的溶剂。
6.依据权利要求3所述的空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，所述表面改性剂可采用喷涂、刷涂或者淋涂的方式涂敷在聚酰亚胺表面。
7.依据权利要求3所述的空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，所述表面改性剂涂敷完成后，需将涂敷有表面改性剂的聚酰亚胺在常温下静置0～5h，或者加热至60℃～150℃，保持0～20min。
8.依据权利要求3所述的空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，所述喷涂是采用专用的喷涂设备在聚酰亚胺表面喷涂一层均匀致密的防护涂层，其中喷涂设备的喷涂聚酰亚胺的表面积可达4m×3m。
9.依据权利要求3所述的空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，所述喷涂设备包含喷涂存储系统、喷头系统、龙门运动控制系统、烘烤系统，其中喷涂设备的喷嘴直径为0.01～2mm，喷嘴需垂直于聚酰亚胺表面，喷嘴距聚酰亚胺表面的距离为10～300mm，沿喷嘴沿X轴的运行速度为20～400mm/s，Y轴的行间距为10～50mm；喷涂设备的雾化压力设置为0.1～1.0MPa、供胶压力设置为0.05～0.5Mpa 。
10.依据权利要求9所述的空间聚酰亚胺材料表面原子氧防护涂层制备方法，烘烤时，采用温度传感器检测聚酰亚胺表面温度，温度控制范围为30～150℃，烘烤时间为0～2h。
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