CN115975183A - 一种空间装备用高强度长寿命润滑涂料及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及润滑涂料技术领域，本发明提供了一种空间装备用高强度长寿命润滑涂料及其应用方法。润滑涂料包含下列质量份数的原料：混合溶剂30～50份，聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液40～60份，二硫化钼10～18份；在原子氧环境中，聚二甲基硅氧烷被氧化后会形成SiO_x钝化层，对涂层起保护作用。经1.3×10²¹atom/cm²原子氧辐照后，改性涂层质量损失不到未改性涂层的一半，经真空环境中测试，涂层的耐磨寿命大于6×10⁵r，具有优异的耐空间环境性能，改善了润滑涂层的在轨服役寿命及服役稳定性。

Description

一种空间装备用高强度长寿命润滑涂料及其应用方法

技术领域

本发明涉及润滑涂料技术领域，尤其涉及一种空间装备用高强度长寿命润滑涂料及其应用方法。

背景技术

近地轨道中，航天器在轨飞行时，其运动部件需求长效稳定的润滑，随着航天技术的发展，航天器的设计服役寿命提高至10-15年。然而，近地轨道特殊空间环境效应会破坏润滑材料的性能，造成润滑失效，导致空间飞行器服役寿命短、可靠性低，甚至导致严重的飞行事故。由于近地轨道中的高真空、辐射和原子氧环境等的作用，润滑油脂在空间机械中易发生爬移、挥发、分解的现象，应用范围有限。

粘结固体润滑涂层具有蒸发率低、耐腐蚀、耐磨减磨、膜性能优异等特点，是空间机械中常用的润滑材料。其中，聚酰胺酰亚胺机械性能优异，常用于空间飞行器中，也作为粘结固体润滑涂层的粘结剂。聚酰胺酰亚胺基粘结固体润滑涂层与基材附着力优异且具有极佳的减摩抗磨性能。但是，聚酰胺酰亚胺树脂易受近地轨道原子氧环境的侵蚀，造成润滑涂层的质量损失、性能退化，涂层的服役寿命严重降低。新一代空间飞行器设计任务中，对近地轨道的服役寿命提出更高的需求，空间机械的润滑涂层需经受更高剂量的原子氧侵蚀，现有的聚酰胺酰亚胺基粘结固体润滑涂层难以满足长期在轨服役的性能需求。因此，提供一种具备优异耐磨性能及空间环境适应性的高强度长寿命固体润滑涂层成为当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种空间装备用高强度长寿命润滑涂料及其应用方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液，包含下列比例的制备原料：

氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质、偏苯三酸酐和混合溶剂；

所述二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与氨丙基封端聚二甲基硅氧烷的质量比为8～10：1；

所述氨丙基封端聚二甲基硅氧烷和二氨基类物质的摩尔和与偏苯三酸酐的摩尔比为1：0.95～1.15；

所述氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与混合溶剂的质量比为1：3～5。

作为优选，所述二氨基类物质为4,4’-二氨基二苯醚、4,4’-二氨基二苯砜和乙二胺中的一种或几种。

作为优选，所述溶剂包含N，N-二甲基甲酰胺和溶剂a；所述溶剂a为二甲苯或甲苯；所述N，N-二甲基甲酰胺和溶剂a的质量比为6～8：1。

本发明还提供了所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液的制备方法，包含下列步骤：

将氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质溶于混合溶剂后加入偏苯三酸酐，进行反应得到聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液。

作为优选，所述反应的气氛为氮气、氩气或氖气；所述反应的温度为60～70℃，所述反应的时间为6～8h。

本发明还提供了所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液在涂料中的应用。

本发明还提供了一种润滑涂料，由包含下列质量份数的原料制备得到：

混合溶剂30～50份，聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液40～60份，二硫化钼10～18份。

本发明还提供了所述润滑涂料在空间环境中的应用。

本发明还提供了一种润滑涂料的应用方法，包含下列步骤：

将润滑涂料顺次进行喷涂和固化，得到聚酰胺酰亚胺基粘结固体润滑涂层。

作为优选，所述固化为顺次进行的第一固化和第二固化；所述第一固化的温度为140～160℃，所述第一固化的时间为0.8～1.2h；所述第二固化的温度为270～290℃，所述第二固化的时间为0.8～1.2h。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液，包含下列比例的制备原料：氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质、偏苯三酸酐和混合溶剂；二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与氨丙基封端聚二甲基硅氧烷的质量比为8～10：1；氨丙基封端聚二甲基硅氧烷和二氨基类物质的摩尔和与偏苯三酸酐的摩尔比为1：0.95～1.15；氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与混合溶剂的质量比为1：3～5。本发明提供的聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液具备优异的耐原子氧性能。在原子氧环境中，聚二甲基硅氧烷被氧化后会形成SiO_x钝化层，对涂层起保护作用。因此，经聚二甲基硅氧烷改性后，涂层具备优异的空间环境适应性。

(2)本发明提供了一种润滑涂料，固化得到聚酰胺酰亚胺基润滑涂层，经1.3×10²¹atom/cm²原子氧辐照后，质量损失不到未改性涂层的一半，在真空度小于5×10^-5Pa的真空环境中，设置条件为：对偶-直径6mm的GCr15钢球，旋转半径-5mm，载荷-5N，转速-800rpm，测试得到涂层耐磨寿命大于6×10⁵r，具有优异的耐空间环境性能，改善了粘结固体润滑涂层的在轨服役寿命及服役稳定性。

具体实施方式

本发明提供了一种聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液，包含下列比例的制备原料：

氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质、偏苯三酸酐和混合溶剂；

在本发明中，所述二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与氨丙基封端聚二甲基硅氧烷的质量比为8～10：1，优选为8.5～9.5：1，更优选为8.8～9.2：1；

在本发明中，所述氨丙基封端聚二甲基硅氧烷和二氨基类物质的摩尔和与偏苯三酸酐的摩尔比为1：0.95～1.15，优选为1：1.00～1.10，更优选为1：1.02～1.08；

在本发明中，所述氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与混合溶剂的质量比为1：3～5，优选为1：3.5～4.5，更优选为1：3.8～4.2。

在本发明中，所述氨丙基封端聚二甲基硅氧烷的分子量优选为1000～27000g/mol，进一步优选为1500～25000g/mol，更优选为2000～20000g/mol。

在本发明中，所述二氨基类物质优选为4,4’-二氨基二苯醚、4,4’-二氨基二苯砜和乙二胺中的一种或几种。

在本发明中，所述混合溶剂优选包含N，N-二甲基甲酰胺和溶剂a；所述溶剂a优选为二甲苯或甲苯；所述N，N-二甲基甲酰胺和溶剂a的质量比优选为6～8：1，进一步优选为6.5～7.5：1，更优选为6.8～7.2：1。

本发明还提供了所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液的制备方法，包含下列步骤：

将氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质溶于混合溶剂后加入偏苯三酸酐，进行反应得到所述的聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液。

在本发明中，将氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质和混合溶剂混合，混合时的温度为反应温度，在反应气氛下加入偏苯三酸酐。

在本发明中，所述偏苯三酸酐优选分次加入，所述分次加入的次数优选为3～6次，进一步优选为4～5次。

在本发明中，所述反应的气氛优选为氮气、氩气或氖气；所述反应优选在油浴中进行；所述反应的温度优选为60～70℃，进一步优选为62～68℃，更优选为64～66℃；所述反应的时间优选为6～8h。进一步优选为6.5～7.5h，更优选为6.7～7.3h。

本发明还提供了一种聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酰亚胺的制备方法，包含下列步骤：

将聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液进行热固化，得到所述的聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酰亚胺。

在本发明中，所述热固化优选为顺次进行的第一热固化和第二热固化；所述第一热固化的温度优选为140～160℃，进一步优选为145～155℃，更优选为147～153℃；所述第一热固化的时间优选为0.8～1.2h，进一步优选为0.9～1.1h，更优选为0.95～1.05h；所述第二热固化的温度优选为270～290℃，进一步优选为275～285℃，更优选为278～282℃；所述第二热固化的时间优选为0.8～1.2h，进一步优选为0.9～1.1h，更优选为0.95～1.05h。

本发明还提供了所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液在涂料中的应用。

本发明还提供了一种润滑涂料，由包含下列质量份数的原料制备得到：

混合溶剂30～50份，聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液40～60份，二硫化钼10～18份。

在本发明中，所述混合溶剂的质量份数为30～50份，优选为35～45份，进一步优选为38～42份。

在本发明中，所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液的质量份数为40～60份，优选为44～56份，更优选为48～52份。

在本发明中，所述二硫化钼的质量份数为10～18份，优选为12～16份，更优选为13～15份。

本发明还提供了所述润滑涂料的制备方法，包含下列步骤：

将二硫化钼与部分混合溶剂混合，研磨后得到二硫化钼浆料；将二硫化钼浆料与剩余原料混合均匀得到所述的润滑涂料。

在本发明中，所述二硫化钼与部分混合溶剂的质量比优选为1：1～1.5，进一步优选为1：1.1～1.4，更优选为1：1.2～1.3。

本发明还提供了所述润滑涂料在空间环境中的应用。

本发明还提供了一种润滑涂料的应用方法，包含下列步骤：

将润滑涂料顺次进行喷涂和固化，得到聚酰胺酰亚胺基粘结固体润滑涂层。

在本发明中，所述固化优选为顺次进行的第一固化和第二固化；所述第一固化的温度优选为140～160℃，进一步优选为145～155℃，更优选为147～153℃；所述第一固化的时间优选为0.8～1.2h，进一步优选为0.9～1.1h，更优选为0.95～1.05h；所述第二固化的温度优选为270～290℃，进一步优选为275～285℃，更优选为278～282℃；所述第二固化的时间优选为0.8～1.2h，进一步优选为0.9～1.1h，更优选为0.95～1.05h。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

取1g分子量为3000g/mol的氨丙基封端聚二甲基硅氧烷与4g4,4’-二氨基二苯醚加入三口烧瓶中，并加入36g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与二甲苯的质量比为8：1)，在氮气保护下搅拌溶解氨丙基封端聚二甲基硅氧烷与二氨基二苯醚，并在油浴锅中缓慢加热至65℃，向三口烧瓶中缓慢分三次加入4g偏苯三酸酐，在65℃下聚合反应7h，即得聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液；

将15g二硫化钼与18g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与二甲苯的质量比为8：1)混合，得到二硫化钼浆料，再将50g聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液与二硫化钼浆料混合，加入40g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与二甲苯的质量比为8：1)，使用高速分散混合均匀，得到润滑涂料，然后使用喷枪将涂料喷涂在基材表面，先在150℃下固化1h，再在280℃下固化1h，得到聚酰胺酰亚胺基润滑涂层a。

设置本实施例的对比例，控制其它条件不变，将聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液替换为未改性的聚酰胺酸溶液，将得到的涂层记为润滑涂层b。

将涂层a和涂层b经1.3×10²¹atom/cm²辐照后，测试质量损失，得到涂层a的质量损失为0.24mg/cm²，涂层b的质量损失为0.57mg/cm²；在真空度小于5×10^-5Pa的真空环境下，设置条件为：对偶-直径6mm的GCr15钢球，旋转半径-5mm，载荷-5N，转速-800rpm，测试得到涂层a的耐磨寿命为6.15×10⁵r。

实施例2

取1g分子量为4000g/mol的氨丙基封端聚二甲基硅氧烷与2g乙二胺加入三口烧瓶中，并加入60g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的质量比为7：1)，在氮气保护下搅拌溶解氨丙基封端聚二甲基硅氧烷与二氨基二苯醚，并在油浴锅中缓慢加热至68℃，向三口烧瓶中缓慢分三次加入9g偏苯三酸酐，在68℃下聚合反应6.5h，即得聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液；

将18g二硫化钼与20g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的质量比为7：1)混合，得到二硫化钼浆料，再将55g聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液与二硫化钼浆料混合，加入35g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的质量比为7：1)，使用高速分散混合均匀，得到润滑涂料，然后使用喷枪将涂料喷涂在基材表面，先在145℃下固化1.1h，再在285℃下固化0.9h，得到聚酰胺酰亚胺基润滑涂层c。

设置本实施例的对比例，控制其它条件不变，将聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液替换为未改性的聚酰胺酸溶液，将得到的涂层记为润滑涂层d。

将涂层c和涂层d经1.3×10²¹atom/cm²辐照后，测试质量损失，得到涂层c的质量损失为0.21mg/cm²，涂层d的质量损失为0.49mg/cm²；在真空度小于5×10^-5Pa的真空环境下，设置条件为：对偶-直径6mm的GCr15钢球，旋转半径-5mm，载荷-5N，转速-800rpm，测试得到涂层c的耐磨寿命为6.09×10⁵r。

实施例3

取0.8g分子量为3500g/mol的氨丙基封端聚二甲基硅氧烷与3.9g4,4’-二氨基二苯醚加入三口烧瓶中，并加入30.8g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的质量比为6.5：1)，在氮气保护下搅拌溶解氨丙基封端聚二甲基硅氧烷与二氨基二苯醚，并在油浴锅中缓慢加热至62℃，向三口烧瓶中缓慢分三次加入4.1g偏苯三酸酐，在62℃下聚合反应7.5h，即得聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液；

将17g二硫化钼与19g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的质量比为6.5：1)混合，得到二硫化钼浆料，再将45g聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液与二硫化钼浆料混合，加入45g混合溶剂(N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的质量比为6.5：1)，使用高速分散混合均匀，得到润滑涂料，然后使用喷枪将涂料喷涂在基材表面，先在155℃下固化0.9h，再在275℃下固化1.1h，得到聚酰胺酰亚胺基润滑涂层e。

设置本实施例的对比例，控制其它条件不变，将聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液替换为未改性的聚酰胺酸溶液，将得到的涂层记为润滑涂层f。

将涂层e和涂层f经1.3×10²¹atom/cm²辐照后，测试质量损失，得到涂层a的质量损失为0.27mg/cm²，涂层f的质量损失为0.61mg/cm²；在真空度小于5×10^-5Pa的真空环境下，设置条件为：对偶-直径6mm的GCr15钢球，旋转半径-5mm，载荷-5N，转速-800rpm，测试得到涂层e的耐磨寿命为6.17×10⁵r。

由以上实施例可知，本发明提供了一种润滑涂料，固化得到聚酰胺酰亚胺基润滑涂层，经1.3×10²¹atom/cm²原子氧辐照后，质量损失不到未改性涂层的一半，在真空度小于5×10^-5Pa的真空环境中，设置条件为：对偶-直径6mm的GCr15钢球，旋转半径-5mm，载荷-5N，转速-800rpm，测试得到涂层耐磨寿命大于6×10⁵r，具有优异的耐空间环境性能，改善了粘结固体润滑涂层的在轨服役寿命及服役稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液，其特征在于，包含下列比例的制备原料：

氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质、偏苯三酸酐和混合溶剂；

所述二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与氨丙基封端聚二甲基硅氧烷的质量比为8～10：1；

所述氨丙基封端聚二甲基硅氧烷和二氨基类物质的摩尔和与偏苯三酸酐的摩尔比为1：0.95～1.15；

所述氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质和偏苯三酸酐的质量和与混合溶剂的质量比为1：3～5。

2.如权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液，其特征在于，所述二氨基类物质为4,4’-二氨基二苯醚、4,4’-二氨基二苯砜和乙二胺中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液，其特征在于，所述混合溶剂包含N，N-二甲基甲酰胺和溶剂a；所述溶剂a为二甲苯或甲苯；所述N，N-二甲基甲酰胺和溶剂a的质量比为6～8：1。

4.权利要求1～3任意一项所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：

将氨丙基封端聚二甲基硅氧烷、二氨基类物质溶于混合溶剂后加入偏苯三酸酐，进行反应得到聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述反应的气氛为氮气、氩气或氖气；所述反应的温度为60～70℃，所述反应的时间为6～8h。

6.权利要求1～3任意一项所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液在涂料中的应用。

7.一种润滑涂料，其特征在于，由包含下列质量份数的原料制备得到：

权利要求3中所述混合溶剂30～50份，权利要求1～3任意一项所述聚二甲基硅氧烷改性聚酰胺酸溶液40～60份，二硫化钼10～18份。

8.权利要求7所述润滑涂料在空间环境中的应用。

9.一种润滑涂料的应用方法，其特征在于，包含下列步骤：

将润滑涂料顺次进行喷涂和固化，得到聚酰胺酰亚胺基粘结固体润滑涂层。

10.如权利要求9所述的应用方法，其特征在于，所述固化为顺次进行的第一固化和第二固化；所述第一固化的温度为140～160℃，所述第一固化的时间为0.8～1.2h；所述第二固化的温度为270～290℃，所述第二固化的时间为0.8～1.2h。