CN110499047A - 一种分子吸附-热控双功能涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种分子吸附‑热控双功能涂层及制备方法，所述分子吸附‑热控双功能涂层的原料组成包括Y型沸石和无机硅溶胶，其中Y型沸石的质量百分含量为60～90%，所述无机硅溶胶以三维多孔网状SiO2链的形式分布在沸石晶体周围。本发明分子吸附‑热控双功能涂层结构简单，节约成本，无需另外构建热控涂层，更避免使用多层膜结构的热控材料，且兼具分子吸附性能和热控性能，饱和吸附量可达130mg/g，可作为高发射值和高吸附性功能涂层使用。

Description

一种分子吸附-热控双功能涂层及制备方法
技术领域
本发明属于新型热控涂层制备研究领域，特别涉及一种分子吸附-热控双功能涂层及制备方法。
背景技术
空间环境中，在轨分子污染物沉积在航天器光学器件表面和热控材料表面，可导致其性能严重衰减，而沉积在太阳电池阵表面的分子污染物更会导致太阳电池阵输出功率下降，进而影响航天器的寿命。近年来，在加强地面污染控制的同时，也开展了对航天器在轨污染物的相关控制研究，其中分子吸附涂层是航天器在轨清除污染物的新技术。该技术是在航天器一定区域内利用分子吸附涂层材料吸附处理分子污染物来降低航天器该区域内的污染水平，从而阻止污染物分子污染航天器敏感表面。
专利CN201810711768.8公开了两种沸石基航天器在轨分子污染吸附装置，第一种包括堇青石基底及其表面由水热合成方法制备的13X沸石分子筛吸附剂层；第二种包括热控漆或OSR基底及表面喷涂方式制备的13X沸石分子筛吸附剂膜。CN201810711768.8公开的第一种航天器在轨分子污染吸附装置，在使用时只能将吸附装置额外固定于航天器的表面，会严重增加航天器的自重，且不能安装在航天器复杂器件或边角位置表面。此外该航天器在轨分子污染吸附装置利用水热合成方法制备13X沸石分子筛吸附剂层，成本高，操作复杂，13X吸附涂层厚度较薄，吸附装置分子吸附总量低。CN201810711768.8公开的第二种航天器在轨分子污染吸附装置只能在热控漆或OSR基底上喷涂使用，使用范围小。同时，CN201810711768.8公开的两种沸石基航天器在轨分子污染吸附装置中沸石吸附层/膜只具有分子吸附功能。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种兼具分子吸附和热控功能的分子吸附-热控双功能涂层及其制备方法。
一方面，本发明提供一种分子吸附-热控双功能涂层，原料组成包括Y型沸石和无机硅溶胶，其中Y型沸石的质量百分含量为60～90％，所述无机硅溶胶以三维多孔网状SiO2链的形式分布在沸石晶体周围。
较佳地，所述Y型沸石为含不同阳离子的微孔Y沸石，优选地，所述Y沸石包括NaY、KY、NH4Y中至少一种。
较佳地，所述Y型沸石的硅铝比(Si/Al)为1.5～5。
较佳地，所述涂层总厚度为80～350μm。
第二方面，本发明提供上述分子吸附-热控双功能涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量Y型沸石和无机硅溶胶，加入水，混合均匀，形成沸石浆料；
(2)将基体进行打磨处理；
(3)在打磨处理后的基体上喷涂沸石浆料；
(4)将喷涂的沸石浆料进行干燥处理，得到分子吸附-热控双功能涂层。
较佳地，所述无机硅溶胶中SiO2的质量分数为30～60％，平均粒径为30～100nm。
较佳地，所述沸石浆料中Y型沸石和无机硅溶胶的质量比为1：(0.2～2)，优选地，Y型沸石和无机硅溶胶的质量比为1：(0.4～1.2)。
较佳地，所述沸石浆料的固液比为0.7～1.4。
所述基体材料可以为任意常见的航天器材料。较佳地，所述基体材料包括Al、Cu、不锈钢及SiC基复合材料中至少一种。
较佳地，所述干燥温度为40～120℃。
较佳地，涂层采用N次喷涂制备。更优选地，N≥3。
较佳地，单次喷涂厚度不超过50μm，相邻两次喷涂时间间隔不低于2h。
本发明涉及的分子吸附-热控双功能涂层的制备方法简单易行，易于规模化推广。
附图说明
图1是涂层厚度对沸石涂层的太阳吸收比αs和发射率εH数值的影响，其中(a)：硅溶胶内SiO2含量为40％，平均粒径为30nm；(b)：硅溶胶内SiO2含量为50％，平均粒径为80nm。
图2是分子吸附-热控双功能涂层真空分子污染物吸附性能测试实验示意图。
图3是NaY Coatings-50％-25％涂层(涂层厚度～200μm)吸附不同量污染物后的表面形貌，其中(a1)为分子吸附量为0mg/g(即未吸收污染物)的涂层的表观图片；(a2)为分子吸附量为0mg/g(即未吸收污染物)的涂层的SEM图；(b1)为分子吸附量为50mg/g污染物后涂层的表观图片；(b2)为分子吸附量为50mg/g涂层的SEM图；(c1)为分子吸附量为130mg/g涂层的表观图片；(c2)为分子吸附量为130mg/g涂层的SEM图。
图4是NaY Coatings-50％-25％涂层(涂层厚度～200μm)吸附不同量污染物前后的热物性能对比图。
图5是NaY沸石和NaY Coatings-50％-25％涂层(涂层厚度～200μm)的XRD图谱。
图6是沸石晶体周围无机硅溶胶所形成的SiO2三维网络链示意图。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明示出一种分子吸附-热控双功能涂层，原料组成包括Y型沸石和无机硅溶胶。
一些实施方式中，Y型沸石的质量百分含量为60～90％。
一些实施方式中，所述涂层中SiO2的质量百分含量为10～40％。所述无机硅溶胶的主要成分为SiO2，以三维多孔网状SiO2链的形式分布在沸石晶体周围，如图6所示。本发明所述双功能涂层以无机硅溶胶为粘结剂，一方面无机硅溶胶为无机材料，自身不释放有机分子污染物；另一方面，无机硅溶胶可在沸石晶体周围形成三维多孔网状SiO2链，其既可以对沸石起到粘结作用，而且不会堵塞Y沸石的微孔结构，可保证涂层具有优异的吸附性能。
Y型沸石可以为含有不同平衡阳离子的Y型沸石。例如，Y型沸石包括但不限于NaY、KY、NH4Y中至少一种。
所述Y型沸石的硅铝比(Si/Al)为1.5～5。本发明采用Y型沸石作为主要原料之一，相较于13X型等其他沸石，具有更高的硅铝比。优选地，所述Y型沸石为NaY沸石，其硅铝比为1.5～3。
一些实施方式中，所述涂层总厚度为80～350μm。
本发明分子吸附涂层可利用兼具分子吸附和热控双功能Y沸石涂层材料吸附处理分子污染物来降低航天器该区域内的污染水平，从而阻止污染物分子污染航天器敏感表面。
另外，本发明还示出上述分子吸附-热控双功能涂层的制备方法。
首先，称量Y型沸石和无机硅溶胶，然后加入水，混合均匀，形成沸石浆料。水优选为去离子水。所述沸石浆料的固液比可以为0.7～1.4。在未作具体说明的情况下，固液比指的是沸石浆料中固体(即Y型沸石和无机硅溶胶中SiO2)与水的质量比。所述混料方式包括但不限于磁力搅拌、剪切机搅拌、混料机搅拌中的一种或多种。
一些实施方式中，Y型沸石为粉末状，平均粒径可以为0.3～1.6μm。
所述无机硅溶胶内SiO2含量可以为30～60％。其平均粒径可以为30～100nm。在未作具体说明的情况下，该平均粒径指的是无机硅溶胶中二氧化硅颗粒的平均粒径。
一些实施方式中，所述沸石浆料内Y型沸石和无机硅溶胶的质量比为1：(0.2～2)，较佳地，Y型沸石和无机硅溶胶的质量比为1：(0.4～1.2)。Y型沸石多，硅溶胶太少时，粘结剂作用不明显，涂层经干燥后容易脱落掉粉；Y型沸石少，硅溶胶太多时，涂层的分子吸附总量低。
然后，将基体进行打磨处理，增加其基体表面粗糙度。
基体材料包括但不限于Al、Cu、不锈钢、SiC基复合材料等常见航天器材料中至少一种。
随后，在打磨处理后的基体上喷涂沸石浆料。喷涂法操作简单，成本更低，喷涂气氛可以为空气。
优选地，涂层可以通过多次喷涂制备。更优选地，喷涂次数至少为三次。为防止涂层开裂，单次喷涂厚度不宜超过50μm，优选30～50μm。且相邻的两次喷涂时间间隔不低于2h。
最后，将喷涂的沸石浆料进行干燥处理，得到分子吸附-热控双功能涂层。干燥温度可以为40～120℃，优选为60～100℃。
本发明涉及的一种分子吸附-热控双功能涂层及制备方法至少存在以下几方面的优点：
1、本发明的双功能涂层制备操作简单，可直接喷涂在航天器的各种金属、非金属材料表面，航天器增重小，双功能涂层应用范围广泛，而且可以直接将双功能涂层喷涂在复杂器件表面及航天器边角位置。
2、本发明的双功能涂层选用无机硅溶胶为粘结剂，并采用硅铝比更高的Y型沸石为涂层颜料，具有较低的太阳吸收比数值和较高的发射率数值(分子污染前后，发射率均大于0.9)。
3、本发明沸石基功能涂层结构简单，节约成本，无需另外构建热控涂层，更避免使用多层膜结构的热控材料，且兼具分子吸附性能和热控性能，饱和吸附量可达130mg/g，可作为高发射值和高吸附性功能涂层使用。
综上，本发明选用Y型沸石为白色颜料，选用合适无机硅溶胶为粘结剂，优化配比和喷涂工艺，并对基体打磨处理，喷涂制备具有优异热物性能、分子吸附性能的兼具分子吸附和热控功能的Y沸石单层涂层材料。具体实施方式中分别以不同的硅溶胶为粘结剂，按照不同的比例配制沸石浆料，喷涂制备不同厚度的NaY涂层。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例中使用的NaY粉体购于天津南化催化剂有限公司，型号为NKF-7，平均粒径为0.3～1.6μm。
实施例中的无机硅溶胶在未作具体说明的情况下，无机硅溶胶浓度指的是硅溶胶中SiO2的质量百分含量。
实施例1
准确称取7.5g的无机硅溶胶(浓度为40％，平均粒径30nm)，加入12.5g去离子水，磁力搅拌5分钟，缓慢加入17.5g NaY粉体，继续搅拌4小时使其充分混合，配制NaY沸石浆料。利用喷枪在磨砂处理的铝基板上多次喷涂处理。单次喷涂厚度为30～50μm，相邻两次喷涂间隔3小时，喷涂气氛为空气。待涂层自然阴干后，80℃干燥处理12h，得到不同厚度NaY沸石基分子吸附-热控双功能涂层材料(NaY Coatings-40％-14.6％)。
实施例2
准确称取10g的无机硅溶胶(浓度为40％，平均粒径30nm)，加入10g去离子水，磁力搅拌5分钟，缓慢加入15g NaY粉体，继续搅拌4小时使其充分混合，配制NaY沸石浆料。利用喷枪在磨砂处理的铝基板上多次喷涂处理，具体的喷涂条件同实施例1。待涂层自然阴干后，50℃干燥处理12h，得到不同厚度NaY沸石基分子吸附-热控双功能涂层材料(NaYCoatings-40％-21.1％)。
实施例3
准确称取12.5g的无机硅溶胶(浓度为40％，平均粒径30nm)，加入7g去离子水，磁力搅拌5分钟，缓慢加入12.5g NaY粉体，继续搅拌4小时使其充分混合，配制NaY沸石浆料。利用喷枪在磨砂处理的铝基板上多次喷涂处理，具体的喷涂条件同实施例1。待涂层自然阴干后，50℃干燥处理12h，得到不同厚度NaY沸石基分子吸附-热控双功能涂层材料(NaYCoatings-40％-28.6％)。
实施例4
准确称取10g的无机硅溶胶(浓度为50％，平均粒径80nm)，加入10g去离子水，磁力搅拌5分钟，缓慢加入15g NaY粉体，继续搅拌4小时使其充分混合，配制NaY沸石浆料。利用喷枪在磨砂处理的铝基板上多次喷涂处理，具体的喷涂条件同实施例1。待涂层自然阴干后，50℃干燥处理12h，得到不同厚度NaY沸石基分子吸附-热控双功能涂层材料(NaYCoatings-50％-25％)。
不同NaY涂层的热物性能如图1所示，可以看出以不同的硅溶胶为粘结剂时，NaY涂层均具有优异的热物性能(αs～0.15，εH＞0.9)。特别地，随着涂层厚度的增加，NaY涂层的太阳吸收比逐步减小，而发射率变化减小。
按照图2测试示意图，以灰皮电缆为污染源，对NaY Coatings-50％-25％涂层(涂层厚度～200μm)的真空分子污染物吸附性能进行测试分析。具体测试方法如下：将NaYCoatings-50％-25％涂层样品，125℃真空处理3h，称量；称取污染物(灰皮电缆，～450mg)，对不同样品真空污染处理20h，后将污染样品真空热处理20h，重新称量，获得沸石样品最终增重，计算分子污染物吸附量Q。
图3表明NaY Coatings-50％-25％涂层(涂层厚度～200μm)吸附不同量的分子污染物后，表面颜色发生明显变化，分子吸附量可以达到130mg/g，但微观结构变化不大。
如图4所示，吸附不同量的污染物后，NaY Coatings-50％-25％涂层(涂层厚度～200μm)的热物性能发生较小变化。未吸附分子污染物(Q＝0)的NaY Coatings-50％-25％涂层的αs＝0.15，εH＝0.93。分子污染物吸附量为50mg/g(Q＝～50mg/g)的NaY Coatings-50％-25％涂层的αs＝0.21，εH＝0.92。分子污染物吸附量为130mg/g(Q＝～130mg/g)的NaYCoatings-50％-25％涂层的αs＝0.23，εH＝0.91。
图5为NaY沸石粉体及NaY Coatings-50％-25％涂层样品(涂层厚度～200μm)的XRD图谱，可以看出NaY、NaY Coatings-50％-25％涂层均具有典型的NaY沸石结构，表明本发明所涉及涂层喷涂制备过程NaY沸石不发生化学变化。
以上表明本发明制备的分子吸附-热控双功能涂层具有优异的分子吸附性能和热控性能。

Claims (9)

1.一种分子吸附-热控双功能涂层，其特征在于，原料组成包括Y型沸石和无机硅溶胶，其中Y型沸石的质量百分含量为60～90%，所述无机硅溶胶以三维多孔网状SiO2链的形式分布在沸石晶体周围。
2.根据权利要求1所述的分子吸附-热控双功能涂层，其特征在于，所述Y型沸石为含不同阳离子的微孔Y沸石，优选地，所述Y沸石包括NaY、KY、NH4Y中至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的分子吸附-热控双功能涂层，其特征在于，所述Y型沸石的硅铝比（Si/Al）为1.5～5。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的分子吸附-热控双功能涂层，其特征在于，所述涂层总厚度为80～350μm。
5.一种根据权利要求1～4中任一项所述的分子吸附-热控双功能涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）称量Y型沸石和无机硅溶胶，加入水，混合均匀，形成沸石浆料；
（2）将基体进行打磨处理；
（3）在打磨处理后的基体上喷涂沸石浆料；
（4）将喷涂的沸石浆料进行干燥处理，得到分子吸附-热控双功能涂层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述无机硅溶胶中SiO2的质量分数为30～60%，平均粒径为30～100nm。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述沸石浆料中Y型沸石和无机硅溶胶的质量比为1：（0.2～2），优选地，Y型沸石和无机硅溶胶的质量比为1：（0.4～1.2）。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料包括Al、Cu、不锈钢及SiC基复合材料中至少一种。
9.根据权利要求5～8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为40～120℃。
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ABRAHAM, NITHIN S等: "Development and testing of molecular adsorber coatings", 《PROCEEDINGS OF SPIE 8492,OPTICAL SYSTEM CONTAMINATION: EFFECTS,MEASUREMENTS,AND CONTROL 2012》 *

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CN116589919A (zh) * 2023-04-23 2023-08-15 哈尔滨工业大学 一种具有热控功能的分级沸石分子筛吸附涂层及其可控制备方法
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