DE69635883T2

DE69635883T2 - Elektrisch leitende Schwarzlacke auf Basis von Polysiloxanen und deren Anwendung im Raumfahrzeugbau

Info

Publication number: DE69635883T2
Application number: DE69635883T
Authority: DE
Inventors: Lynn E Manhatten Beach Long; Martin R. Sylmar Gallardo
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: EP0780453A3; EP0780453A2; US6083615A; US5665274A; EP0780453B1; DE69635883D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Thermokontrollanstrich und insbesondere ein für Raumfahrzeuganwendungen nützlicher schwarzer Anstrich.
Raumfahrzeuge sind während ihres Einsatzes einem großen Bereich von Temperatureinflüssen ausgesetzt. Wärme wird schnell in den freien Raum abgestrahlt, wodurch das Raumfahrzeug abgekühlt wird, es kann aber auch in direktem Sonnenlicht intensiv erwärmt werden. Aktive und passive Thermokontrolltechniken werden dazu verwendet, die innere Temperatur des Raumfahrzeugs zu regeln, das Personen oder empfindliche Instrumente enthält. Die aktive Temperaturregelung ist normalerweise mit Maschinen oder elektrischen Geräten verbunden, wie beispielsweise elektrischen Heizgeräten und Klimaanlagen.
Ein bekannter Ansatz für die passive Temperaturregelung ist die Verwendung von Oberflächenbeschichtungen, die im Allgemeinen als Anstriche bezeichnet werden, an der äußeren Oberfläche des Raumfahrzeugs. Ein weißer Anstrich weist z.B. einen niedrigen Absorptionsgrad für Sonnenlicht auf, während ein schwarzer Anstrich eine hohe Emittanz aufweist. Das selektive Aufbringen von solchen Anstrichen auf verschiedene Elemente der Struktur des Raumfahrzeugs ist beim Regeln von dessen Temperatur sehr hilfreich. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem schwarzen Anstrich, der in Anwendungen bei der Regelung der Raumfahrzeugtemperatur nützlich ist.
Ein Anstrich für ein Raumfahrzeug egal welcher Farbe sollte für einige Raumfahrzeuganwendungen noch weitere Eigenschaften aufweisen. So muss der Anstrich während des Langzeiteinsatzes unter Weltraumbedingungen stabil sein. Er muss gegenüber Abrieb und anderen Typen mechanischer Beschädigung aufgrund von Mikrometeoriteneinschlägen widerstandsfähig sein. Für einige Elemente des Raumfahrzeugs, insbesondere die, die sich verformen, wie z.B. eine entfaltbare Antenne, eine flexible Decke oder dgl., muss der Anstrich außerdem zäh und flexibel sein, so dass dieser nicht bricht und abblättert, wenn er aufgrund von mechanischen oder thermischen Belastungen gebogen wird.
In den meisten Fällen muss der Anstrich elektrostatische Aufladungen, die sich an der äußeren Oberfläche des Raumfahrzeugs bilden, ableiten. Solche Aufladungen würden sich ansonsten ansammeln und können einen Elektrodenüberschlag und mögliche Beschädigung oder Störungen an der empfindlichen elektronischen Ausrüstung an oder in dem Raumfahrzeug auslösen. Um die elektrostatischen Aufladungen abzuführen, muss der Anstrich in gewissem Maße elektrisch leitfähig sein und zwar mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand im Bereich von 10⁹ Ohm pro Flächeneinheit oder weniger.
Schwarze elektrostatisch ableitende Anstriche sind für die Verwendung mit Raumfahrzeugen bekannt. Die erhältlichen Anstriche sind für Anwendungen ausreichend, in denen die Temperatur des Substrats, auf das diese angewendet werden, relativ gleichmäßig bleibt. Keiner dieser Anstriche ist jedoch in Anwendungen in denen das Substrat während des Einsatzes einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt ist (z.B. –150°C bis +200°C), vollständig zufriedenstellend. Beispiele für Raumfahrzeugbauteile, die solchen breiten Temperaturbereichen ausgesetzt sind, schließen flexible Substrate wie in Antennen verwendete Maschengewebe ein. Insbesondere zeigen Anstriche, die ansonsten in solchen Anwendungen annehmbar sind, während eines langen Aufenthalts im Weltraum Instabilität beim elektrischen Widerstand. Das Resultat davon ist, dass nach einem gemessenen Zeitraum der Widerstand dazu tendiert zuzunehmen, so dass die elektrostatische Aufladung nicht mehr abgeführt wird, sich Oberflächenladungen ansammeln und daraus Störungen oder Beschädigungen resultieren können.
Die US 4,705,646 beschreibt eine elektrisch leitfähige Beschichtung zur Anwendung auf Raumfahrzeuge. Die in diesem Dokument beschriebene Mischung weist u.a. 1,03 Gewichtsanteile Ruß, ein Kopplungsmittel, beträchtliche Mengen Lösemittel und ein thermisch vernetzendes zweiteiliges Polymerharz auf. Der Ruß wird in diesem Dokument als Acetylenruß beschrieben. Die in diesem Dokument beschriebene Dispersion wird hauptsächlich als Beschichtung für Metallwabenstrukturen verwendet.
Die US 4,273,697 beschreibt die Verwendung von hohlschalenförmigen Rußpartikeln mit einer spezifischen Oberfläche von zumindest 900 Quadratmetern pro Gramm zur Herstellung von elektrisch leitfähigen, flüssigen Organopolysiloxanzusammensetzungen. Diese Zusammensetzungen werden dann verwendet, dreidimensionale Strukturen wie Anschlüsse für Tastaturen von elektrischen Rechnern, Kerne von Zündkabeln und Dichtungen für Mikrowellengeräte herzustellen.
Die EP 0 371 745 A2 beschreibt Zusammensetzungen, die eine Dispersion von Dampf-geätzten Rußpartikeln aufweisen. Die be schriebenen Zusammensetzungen sind so ausgelegt, dass sie einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Dieses Dokument erwähnt ferner die Verwendung dieser Zusammensetzungen zur Herstellung von Überlaststromschutzvorrichtungen wie beispielsweise Sicherungen.
Es besteht ein Bedarf nach verbesserter schwarzer Thermokontrollanstrich, der insbesondere für Raumfahrzeuganwendungen nützlich ist, die mit großen Temperaturbereichen verbunden sind, insbesondere flexible Maschengewebe. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und stellt ferner damit verbundene Vorteile zur Verfügung.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen schwarzen Anstrich, Gegenstände, die mit dem schwarzen Anstrich bedeckt sind, und Verfahren zum Herstellen und Aufbringen des Anstrichs bereit. Der schwarze Anstrich weist, aufgrund seiner schwarzen Farbe, eine hohe thermische Emittanz auf. Der Anstrich weist einen ausreichend niedrigen spezifischen Oberflächenwiderstand auf, um elektrische Ladungen abzuführen und der ausreichende spezifische Oberflächenwiderstand wird über längere Zeiträume beibehalten (mit relativ geringen annehmbaren Veränderungen). Der Anstrich zeigt ausgezeichnete mechanische Eigenschaften einschließlich eines hohen Grads an Flexibilität, der diesen zur Verwendung an sich während des Einsatzes biegenden, durchbiegenden oder auffaltenden Strukturen geeignet macht.
Gemäß der Erfindung weist ein Anstrich eine Mischung aus 100 Gewichtsanteilen (pbw) eines Methylphenylsilikon-basierten Polymers und 1,35 bis 3,5 Gewichtsanteilen, besonders bevorzugt 1,75 Gewichtsanteilen bis 2,5 Gewichtsanteilen eines elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpigments mit einer porösen schwammähnlichen Struktur auf. Um diesen Anstrich aufzubringen, wird die Mischung in einem geeigneten Lösemittel gelöst, und zwar in einer Menge, die ausreicht, um ein Auftragen auf eine Oberfläche durch eine gewählte Technik zu ermöglichen. Wie er hierin verwendet wird, bezeichnet der Begriff "Lösemittel" ein Lösemittel für das Polymer. Das Kohlenstoffpigment wird nicht gelöst, sondern wird in der Polymer enthaltenden Lösung getragen. Die Formulierung wird z.B. zum Pinselauftrag, zum Walzenauftrag oder zum Spritzdüsenauftrag mit 50 bis 135 Gewichtsanteilen eines Lösemittels wie Naphtha oder Xylol vermischt und dann aufgetragen. Das Lösemittel verdampft während des Trocknens und hinterlässt die Mischung aus Polymer und Kohlenstoffpigment. Während des Trocknungsvorgangs härtet das Polymer durch eine Reaktion mit der Feuchtigkeit in der Luft aus.
Das elektrisch leitfähige Kohlenstoffpigment wird vorzugsweise durch eine Agglomeration von Kohlenstoffpartikeln zu einer schwammähnlichen Struktur mit einem hohen Grad an Porosität und einer hohen spezifischen Oberfläche gebildet. Die spezifische Oberfläche liegt im Bereich von 800 bis 1000 Quadratmeter pro Gramm, und somit viel höher als die von typischen Graphitpigmenten, die in einigen anderen schwarzen leitfähigen Anstrichen verwendet werden. Die schwammähnliche Struktur verteilt das Kohlenstoffmaterial im Vergleich mit der Verwendung einer kompakten Form von Kohlenstoff, wie beispielsweise kompakten massiven, im Wesentlichen nicht porösen Kohlenstoffpartikeln über ein großes Volumen. Als Ergebnis davon weist die elektrisch leitfähige Kohlenstoffphase in der Polymerphase eine viel größere Leitfähigkeit auf als dies aufgrund ihres relativ niedrigen Anteils zu erwarten wäre. Das Kohlenstoffpigment mit einer schwammähnlichen Struktur hat außerdem eine viel geringere Neigung dazu, sich während des Mischens und des Auftragens aufgrund der Schwerkraft abzusetzen, was die Gleichmäßigkeit der Ergebnisse verbessert.
Das Polymer, in das das Kohlenstoff pigment eingemischt wird, ist ein Silikonpolymer, besonders bevorzugt ein Methylphenylsilikon-basiertes Polymer, das aufgrund seiner niedrigen Glasübergangstemperatur ausgewählt wurde. Das Polymer weist ggf. ein Siliziumdioxidmattierungsmittel, einen Vernetzer, einen Katalysator, einen Haftvermittler und zusätzliches Lösemittel auf.
Die vorliegende Erfindung schafft einen schwarzen Anstrich, der leicht zu formulieren und aufzutragen ist und der eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, um elektrostatische Aufladungen abzuleiten. Der schwarze Anstrich weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, einschließlich einer guten Flexibilität, über einen breiten Temperaturbereich auf, so dass dieser auf flexiblen entfaltbaren Strukturen und in Bereichen verwendet werden kann, die thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind. Der schwarze Anstrich der Erfindung eignet sich zur Verwendung auf Substraten, die während ihres Einsatzes einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt sind. Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung illustrieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine seitliche Aufrissansicht einer Anstrichschicht gemäß der Erfindung;
2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Kohlenstoffpigmentpartikels der in der Anstrichschicht von 1 verwendet wird;
3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines konventionell in leitfähigen schwarzen Anstrichformulierungen verwendeten Graphitpartikels;
4 ist eine seitliche Draufsicht auf die Anstrichschicht von 1, wobei diese auf ein Substrat aufgebracht ist;
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Raumfahrzeugelements in Form einer entfaltbaren Antenne in einer ersten Position, wobei diese mit der Anstrichschicht von 1 bedeckt ist;
6 ist eine perspektivische Ansicht des Raumfahrzeugelements von 5 in einer zweiten Position;
7 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens für die Herstellung eines schwarzen Anstrichs gemäß der Erfindung und für das Anstreichen eines Substrats; und
8 ist eine Darstellung des in der Matrixformulierung des schwarzen Anstrichs verwendeten Polymers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 stellt eine Anstrichschicht 20 dar, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde. Die Anstrichschicht weist elektrisch leitfähige Kohlenstoffpigmentpartikel 22 auf, die mit einer Matrix 24 vermischt sind. Vor dem Trocknen ist die Matrix 24 eine in einem Lösemittel gelöste Polymermischungsformulierung. Nach dem Trocknen ist die Matrix 24 eine im Wesentlichen lösemittelfreie Polymermischungsformulierung.
Das Kohlenstoffpigment schafft die schwarze Farbe des Anstrichs und ist außerdem die Quelle für eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, um elektrostatische Ladungen abzuleiten. Die Kohlenstoffpigmentpartikel 22 weisen eine poröse schwammähnliche Struktur auf, wie dies in 2 dargestellt ist. Solche Partikel sind bekannt und sind kommerziell erhältlich. Ein bevorzugtes solches Kohlenstoffpigmentpartikelmaterial ist das Printex XE2 Kohlenstoffpigment, das von der Degussa Corp., Ridgefield Park, NJ erhältlich ist. Im Allgemeinen werden solche Partikel durch das Verbrennen oder den thermischen Abbau von Kohlenwasserstoffverbindungen hergestellt, wie diese in Petroleum, flüssigen Kohlenstoffteer-Kohlenwasserstoffen, Erdgas und Acetylen vorkommen. Solche Partikel weisen eine spezifische Oberfläche von zumindest 500 Quadratmeter pro Gramm, vorzugsweise von 800 bis 1000 Quadratmeter pro Gramm und besonders bevorzugt von 1000 Quadratmeter pro Gramm auf. Diese Morphologie steht in Kontrast zu der Morphologie von konventionellen Graphitpartikeln, die in früheren elektrisch leitfähigen schwarzen Anstrichformulierungen verwendet wurden, wie diese für Micro 280 Graphitpartikel in 3 dargestellt ist. Solche Graphitpartikel weisen eine dichtere, weniger offene und im Wesentlichen nicht poröse Struktur mit einer spezifischen Oberfläche auf, die typischerweise im Bereich von etwa 13 Quadratmeter pro Gramm oder etwa 1/75 der spezifischen Oberfläche der im Anstrich gemäß der Erfindung verwendeten Kohlenstoffpigmentpartikel liegt.
Somit schafft die schwammähnliche Struktur der Partikel aus 2 für ein gewähltes Graphit- oder Kohlenstoffgewicht eine größere Partikelgröße, die sich über ein größeres effektives Volumen erstreckt. Das Ergebnis davon ist ein besserer sichererer Ladungsflusspfad zwischen den Partikeln mit verbesserter Berührung und Verbindung zwischen den Partikeln und zwar für jeden gewählten Anteil von Kohlenstoffpartikeln, die in dem der Anstrichschicht 20 vorliegen. Die Dicke der Wände der Schwammstruktur ist in den schwammähnlichen Partikeln gering. Da jedoch das Ableiten von elektrostatischen Ladungen nur den Fluss von geringen Strömen mit sich bringt, ist die geringe Wanddicke und die daraus resultierende geringe Stromflussoberfläche vollkommen annehmbar und funktionsfähig und sogar aufgrund der ausgezeichneten Konnektivität zwischen den Partikeln wünschenswert.
Die elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpigmentpartikel sind in einer dielektrischen Silikon-basierten Polymermatrix eingebettet, um einen elektrischleitfähigen Kompositanstrich zu bilden. Die Konnektivität, Kontakte und Pfade zwischen den Pigmentpartikeln bilden elektrisch leitfähige Pfade durch das ansonsten dielektrische Polymer. Wenn die Pigmentpartikel relativ klein sind und eine hohe Dichte aufweisen, ist ein großer Gewichtsanteil an Partikeln notwendig, um einen gegebenen Level an elektrischer Leitfähigkeit zu erreichen. Demgegenüber kann, wenn die Partikel eine poröse schwammähnliche Struktur aufweisen, so dass ihre Größe für ihr Gewicht groß ist, der gegebene Level an elektrischer Leitfähigkeit mit einem viel geringeren Gewichtsanteil der Kohlenstoffpartikel erreicht werden, als dies für konventionelle, im Wesentlichen nicht poröse Partikel notwendig wäre.
Zusätzlich dazu tendieren interne Belastungen, während die Polymermatrix trocknet und aushärtet, dazu, die Pigmentpartikel voneinander zu trennen. Die porösen schwammähnlichen Partikel, die in dem vorliegenden Ansatz verwendet werden, behalten ihre elektrisch leitfähigen Pfade besser bei als konventionelle Graphitpartikel unter diesen Umständen. Dieser verbesserte Kontakt zwischen den Partikeln ist ferner wichtig, wenn der getrocknete Anstrich zusammen mit der Struktur verformt wird, wie dies der Fall bei einer mit dem schwarzen Anstrich bedeckten entfaltbaren Netzantenne ist. Die Kombination der nachstehend beschriebenen Silikonpolymermatrix und der Verwendung von porösen schwammähnlichen Kohlenstoffpartikeln hilft beim Beibehalten der elektrischen Leitfähigkeit des Anstrichs mit einer größeren Sicherheit als dieses der Fall für frühere schwarze elektrisch leitfähige Anstriche ist. In der Vergangenheit gab es signifikante Ausfälle bei flexiblen Antennenreflektorstrukturen, die zur Verwendung in Raumfahrzeugen ausgelegt waren, die auf eine Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit des Anstrichs aufgrund eines Entfaltens der Struktur zurückzuführen waren. Der vorliegende flexible schwarze Anstrich löst solche Probleme.
Der schwarze Anstrich weist aufgrund seines geringen Kohlenstoff-zu-Polymer-Verhältnisses eine verbesserte mechanische Flexibilität auf. Die mechanische Flexibilität ist besonders wichtig, wenn das Substrat, auf das der Anstrich aufgetragen wird, sich während des Einsatzes verbiegen oder verformen soll, wie dieses der Fall bei einer entfaltbaren Antenne ist. Der Anstrich muss sich zusammen mit dem Substrat biegen oder der Anstrich wird Risse bilden oder sich abschälen. Das niedrige Kohlenstoff-zu-Polymer-Verhältnis verbessert außerdem die Anhaftung der Anstrich an das Substrat.
Die Matrix 24 weist eine Polymermischungsformulierung und vor dem Trocknen ein Lösemittel auf. Das Polymer ist vorzugsweise ein Silikon-basiertes Polymer und besonders bevorzugt ein Methylphenyl-basiertes Polymer, das eine Struktur wie in 8 dargestellt aufweist, wobei R eine Methyl- oder eine Phenylgruppe ist und wobei x bei 1 bis 2000 oder mehr liegt. Das Polymer ist optional, aber bevorzugt, mit zusätzlichen Bestandteilen vermischt, die ausgewählt sind, um die Anstrich bildenden Eigenschaften und das Verhalten des Anstrichs zu verbessern. Solche zusätzlichen Bestandteile schließen z.B. Folgendes ein, nämlich ein Mattierungsmittel wie Siliziumdioxidpartikel in einer Menge von etwa 5 Gew.-% des Silikonpolymers, einen Vernetzer wie beispielsweise Silbond TNPS in einer Menge von etwa 7,5 Gew.-%, einen Haftvermittler wie beispielsweise A1100 Silan in einer Menge von 1 bis 2 Gew.-% und einen Katalysator wie beispielsweise Dibutylzinndilaurat in einer Menge von 0,5 bis 1,0 Gew.-% des Silikonpolymers. Eine solche bevorzugte Matrixpolymermischungsformulierung ist als Nusil CV-2-1146 Silikonpolymer von Nusil Technologies erhältlich.
Vor dem Trocknen enthält die Matrix 24 außerdem ein Lösemittel für die Polymermischungsformulierung. Für die im vorhergehenden Absatz beschriebene bevorzugte Polymermischungsformu lierung ist das bevorzugte Lösemittel Naphta, Xylol oder eine Mischung davon. Während dem Trocknen verdampft das Lösemittel und liegt nicht länger vor.
Für je 100 Gewichtsanteile der bevorzugten Polymermischungsformulierung liegt das poröse schwammähnliche Kohlenstoffpigment in einer Menge von 1,35 bis 3,5 Gewichtsanteilen vor. Wenn zu wenig Kohlenstoffpigment vorliegt, ist die elektrische Leitfähigkeit des letztendlichen Anstrichs nicht ausreichend, um elektrostatische Ladungen abzuführen (d.h. der Anstrich weist einen spezifischen Oberflächenwiderstand von mehr als 10⁹ Ohm pro Flächeneinheit auf). Wenn zu viel Kohlenstoffpigment vorliegt, ist der elektrische Widerstand des letztendlichen Anstrichs niedrig (d.h. weniger als etwa 10⁴ Ohm pro Flächeneinheit), so dass der Anstrich dazu neigt, Radiofrequenzsignale zu schwächen und passive Intermodulationsprobleme auszulösen. Zusätzlich dazu sind die mechanischen Eigenschaften des Anstrichs, wenn zu viel Kohlenstoffpigment vorliegt, unannehmbar niedrig, die Anhaftung des Anstrichs an das Substrat ist gemindert und die Flexibilität des Anstrichs wird unter annehmbare Level gemindert. Besonders bevorzugt liegen pro 100 Teile der Polymermischungsformulierung 1,75 bis 2,5 Gewichtsanteile des Pigments vor. Es wurde beobachtet, dass je feiner das Maschengewebe ist, desto mehr Kohlenstoff in diesem Bereich benötigt wird (im Gegensatz dazu werden etwa 15 bis 18 oder mehr Gewichtsanteile der konventionellen Graphitpartikel des in 3 dargestellten Typs benötigt, um in konventionellen elektrostatisch ableitenden leitenden schwarzen Anstrichen eine annehmbare elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.)
Das Lösemittel liegt vor, um zu ermöglichen, dass die Bestandteile während des Herstellens des Anstrichs leicht zusammengemischt werden können und ermöglicht es ferner, dass der Anstrich durch eine gewählte Technik auf ein Substrat aufgetragen wird. Um ein Mischen zu ermöglichen, liegen 50 bis 100 Teile Lösemittel für je 100 Teile der Polymermischungsformulierung und 1,35 bis 3,5 Teile des Kohlenstoffpigments vor. Zusätzliches Lösemittel kann für das Auftragen zugegeben werden. So werden z.B. typischerweise zusätzilche 35 Teile Lösemlttel für ein Auftragen durch Spritzlackierung zugegeben. Die Menge des Lösemittels ist anpassbar, um in jeder benötigten Situation eine ordentliche Anwendung zu ermöglichen.
Die Anstrichschicht 20 wird typischerweise auf die Oberfläche 26 eines Substrats 28 wie in 4 dargestellt aufgetragen. Die Anstrichschicht 20 wird in Gegenwart des Lösemittels auf die Oberfläche 26 aufgetragen und trocknen gelassen, um das Lösemittel abzudampfen und das Polymer zu härten. Die entstehende feste Anstrichschicht haftet der Oberfläche 26 gut an.
Das Substrat 28 ist vorzugsweise ein Element eines Raumfahrzeugs, insofern als der schwarze Anstrich der Erfindung insbesondere unter Weltraumbedingungen und in Raumfahrzeuganwendungen besonders nützlich ist. Die 5 und 6 zeigen ein solches Element, eine entfaltbare Faltantenne 30, die aus einem Maschenmaterial hergestellt ist. In einer ersten Position, die in 5 dargestellt ist, ist die Antenne 30 zum Abschuss des Raumfahrzeugs in eine kompakte Form ähnlich der eines gefalteten Regenschirms gefaltet. In einer zweiten in 6 dargestellten Position ist die Antenne 30, nachdem das Raumfahrzeug den Orbit oder den tiefen Weltraum erreicht hat, in ihre offene Form ähnlich der eines offenen Regenschirms entfaltet.
Die Maschenelemente, die die Antenne 30 bilden, werden vor dem Abschuss, wenn die Antenne sich in der entfalteter. Position befindet, mit dem schwarzen Anstrich gemäß der Erfindung beschichtet. Die Antenne wird danach zur Lagerung beim Abschuss gefaltet. Nach dem Abschuss wird die Antenne entfaltet. Es können weitere Faltungs- und Entfaltungsschritte zum Test der Antenne oder aus anderen Gründen vorkommen. Der Anstrich, der die Antenne beschichtet, muss flexibel genug sein, um extensive Deformationen ohne ein Bilden von Rissen und ohne ein Abschälen zu ermöglichen und gleichzeitig seine elektrische Leitfähigkeit beibehalten, selbst nachdem die Struktur und der Anstrich Temperaturextremen ausgesetzt waren, die eine Expansion und eine Kontraktion auslösen. Der hierin diskutierte Anstrich weist eine solche Flexibilität auf.
7 illustriert ein Verfahren zum Herstellen und Auftragen des schwarzen Anstrichs. Die Polymermischungsformulierung wird bereitgestellt, Bezugszeichen 40, die Kohlenstoffpigmentpartikel werden bereitgestellt, Bezugszeichen 42, und das für das Vermischen des Anstrichs benötigte Lösemittel wird bereitgestellt, Bezugszeichen 44. Das Pigment wird in einem Ofen bei 121°C (250°F) 2 Stunden an der Luft getrocknet, Bezugszeichen 46. Die Bestandteile werden miteinander vermischt und zusammen vermahlen, Bezugszeichen 48. Um diesen Schritt 48 durchzuführen, werden die drei Bestandteile mit einem keramischem Mahlmedium in einen geschlossenen keramischen Behälter verbracht. Der keramische Behälter wird auf eine mechanische Wälzmühle verbracht und es wird gemahlen, bis das Pigment einen Hegman-Grind von zumindest 7 erreicht, was typischerweise etwa drei Stunden Mahlen benötigt.
Das Substrat wird bereitgestellt, Bezugszeichen 50. Optional wird zusätzliches Lösemittel bereitgestellt, Bezugszeichen 52. Für ein Auftragen mittels eines Rakel-, Walz- oder Pinselansatzes wird kein zusätzliches Lösemittel benötigt. Für einen Sprühauftrag werden typischerweise etwa 35 Gewichtsanteile zusätzliches Lösemittel benötigt. Der Anstrich wird mit der gewählten Technik aufgetragen und bei Raumtemperatur trocknen gelassen, Bezugszeichen 54. Die Dicke der Anstrichschicht 20 liegt nach dem Trocknen typischerweise bei etwa 2,54 × 10^–5 bis 5,08 × 10^–5 m (0,001 bis 0,002 Inch). Es ist bevorzugt, zusätzliche Schichten von etwa dieser Dicke aufzubringen, um eine dickere Schicht aufzubauen, wenn eine solche dickere Schicht gewünscht ist, und zwar mit einem Zwischentrocknen von jeder Schicht, bevor die nächste Schicht aufgebracht wird.
Eine Anzahl von Testbeispielen wurde hergestellt, um Variationen in der Anstrichzusammensetzung zu bewerten. Die folgenden Beispiele illustrieren Aspekte der Erfindung und sollten nicht als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend angesehen werden.
Beispiel 1
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 8 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 310,5 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Trockendicke von 2,54 × 10^–5 bis 5,08 × 10^–5 m (0,001 bis 0,002 Inch) auf ein Kapton-Polyimid-Substrat aufgetragen und getrock net. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 7 × 10³ Ohm pro Flächeneinheit, was für Raumfahrzeuganwendungen als zu niedrig angesehen wurde. Es wurde ferner beobachtet, dass der Anstrich zu trocken war und geringe Anhaftung aufwies.
Beispiel 2
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,5 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 59,9 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, auf ein Kapton-Substrat aufgetragen und getrocknet. Verschiedene unterschiedliche Beschichtungstechniken wurden verwendet.
In einer ersten Technik wurde der Anstrich mittels einer Rakel mit einer Trockendicke von 1,52 × 10^–5 bis 2,54 × 10^–5 m (0,0006 bis 0,001 Inch) aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 2 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,7 auf.
In einer zweiten Technik wurde der Anstrich mittels einer Rakel mit einer Trockendicke von 2,79 × 10^–5 m (0,0011 Inch) aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 5 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,7 auf.
In einer dritten Technik wurde der Anstrich mit einer Lackierpistole in zwei Anstrichen aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 1,0 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,7 auf.
In einer vierten Technik wurde der Anstrich mit einer Lackierpistole in vier Anstrichen aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 5 × 10⁵ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,7 auf.
In einer fünften Technik wurde der Anstrich mit einem Pinsel in zwei Anstrichen aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 1,0 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,7 auf.
Beispiel 3
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,5 Gewichtsanteilen Printex XE2, 5,0 Gewichtsanteilen TS100 Siliziumdioxid und 116 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Trockendicke von 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) auf ein Kapton-Substrat aufgetragen und getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 1,8 × 10⁸ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies eine trockene Oberfläche, gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,2 auf.
Beispiel 4
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,25 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 49,2 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Trockendicke von 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) auf ein Kapton-Substrat aufgetragen und getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 10⁹ bis 10¹¹ Ohm pro Flächeneinheit, was als unannehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Die gleiche Formulierung wurde mit einem Pinsel mit einer Dicke von 2,54 × 10^–4 m (0,010 Inch) aufgetragen. Der getrocknete Anstrich wies einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 10⁷ bis 10⁸ Ohm pro Flächeneinheit, was annehmbar für Raumfahrzeugapplikationen ist, und gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Diese Formulierung wäre annehmbar, wenn sie mit einen Pinsel, aber nicht mittels einer Rakel auf die angegebene Dicke aufgetragen würde. Dies ist keine bevorzugte Formulierung, da durch Auftragen des Anstrichs mit einer Technik, die zu einem unannehmbaren Widerstand führen würde, ein Fehler gemacht werden könnte.
Beispiel 5
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 0,85 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 33,1 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Trockendicke von 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) auf ein Kapton- Substrat aufgetragen und getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 8,0 × 10¹¹ Ohm pro Flächeneinheit, was als unannehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 1,3 auf.
Beispiel 6
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 2,1 Gewichtsanteilen Printex XE2, 3,0 Gewichtsanteilen TS100 Siliziumdioxid und 91,4 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Dicke von 2,54 × 10^–5m (0,001 Inch) auf ein Kapton-Substrat aufgetragen und getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 1,5 × 10⁵ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich war trocken, wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,2 auf.
Beispiel 7
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,85 Gewichtsanteilen Printex XE2, 2,7 Gewichtsanteilen TS100 Siliziumdioxid und 127 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Dicke von etwa 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) auf ein Kapton-Substrat aufgetragen und getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 5 × 10⁵ Ohm pro Quadratmeter, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich war trocken, wies gute Anhaftung und geringe Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,2 auf.
Beispiel 8
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,85 Gewichtsanteilen Printex XE2, 1,92 Gewichtsanteilen TS100 Siliziumdioxid und 127 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Dicke von etwa 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) auf ein Kapton-Substrat aufgetragen und getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 2,5 × 10⁵ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich war trocken, wies gute Anhaftung und Flexibilität und einen 60°-Glanz von 0,2 auf.
Beispiel 9
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,75 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 94,6 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, mittels einer Rakel mit einer Dicke von etwa 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) auf ein Kapton-Substrat aufgetragen und getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 3,0 × 10⁵ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich war trocken und wies gute Anhaftung und Flexibilität auf und konnte auch leicht gesprüht werden.
Beispiel 10
Die Formulierung von Beispiel 2 wurde durch Spritzdüsenauftrag mit einer Dicke von 2, 54 × 10^–5 m (0, 001 Inch) auf ein Stück Polyimidkunststoff aufgetragen. Der Anstrich konnte durch Spritzdüsenauftrag leicht aufgebracht werden. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 1,5 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Beispiel 11
Die Formulierung aus Beispiel 2 wurde auf ein Stück Maschenmaterial aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 2 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Beispiel 12
Die Formulierung von Beispiel 2 wurde auf ein Stück Mehrstrangmaschengewebe aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 5 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Beispiel 13
Die Formulierung von Beispiel 2 wurde auf ein Stück Mehrstrangmaschenmaterial aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 6 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Das Auftragen auf das Maschenmaterial wurde für zwei weitere Stücke unter Verwendung von verschiedenen Auftragungstech niken wiederholt. Die resultierenden spezifischen Oberflächenwiderstände lagen bei 5 × 10⁷ bis 2 × 10⁸ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies in jedem Fall gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Beispiel 14
Die Formulierung von Beispiel 8 wurde durch Sprritzdüsenauftrags- und Walzenauftragstechniken auf ein Stück Maschenmaterial aufgetragen. Der spezifische Oberflächenwiderstand lag bei 5 × 10⁵ bis 3 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit, was als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen wurde. Der getrocknete Anstrich wies in jedem Fall gute Anhaftung und Flexibilität auf.
Beispiel 15
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,5 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 59,9 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, durch Spritzdüsenauftrag auf ein Polyimidsubstrat aufgetragen und auf eine Dicke von etwa 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 5 × 10⁶ pro Flächeneinheit.
Das beschichtete Substrat wurde Wärmewechselbelastungen zwischen –68°C und 107°C (–90°F und 225°F) unterworfen. Nach 47 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 3 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit. Nach 79 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 3 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit. Nach 192 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 2,5 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit. Alle diese Werte wurden als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen.
Beispiel 16
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,75 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 94,6 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, durch Spritzdüsenauftrag auf ein Polyimidsubstrat aufgetragen und auf eine Dicke von etwa 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 3 × 10⁵ Ohm pro Flächeneinheit.
Das beschichtete Substrat wurde Wärmewechselbelastungen von –68°C bis 107°C (–90°F bis 225°F) unterworfen. Nach 47 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 7 × 10⁵ Ohm pro Flächeneinheit. Nach 79 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 1 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit. Nach 192 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 1,2 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit. Alle diese Werte wurden als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen.
Beispiel 17
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,5 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 59,9 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, durch Spritzdüsenauftrag auf ein Polyimidsubstrat aufgetragen und auf eine Dicke von etwa 2,54 × 10^–5 m (0,001 Inch) getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 5 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit.
Das beschichtete Substrat wurde in einer Vakuumkammer, die auf ein Vakuum von 10^–5 Torr abgepumpt war, auf eine Temperatur von 107°C (225°F) erwärmt. Nach 40 Stunden betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 7,5 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit bei 107°C (225°F). Nach 120 Stunden betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 7,5 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit bei 107°C (225°F). Nach 120 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 2,0 × 10⁷ Ohm pro Quadratmeter bei Raumtemperatur unter Vakuum. Nach 120 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand 2,8 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck. All diese Werte wurden als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen.
Beispiel 18
Eine Anstrichformulierung aus 100 Gewichtsanteilen CV-2-1146, 1,75 Gewichtsanteilen Printex XE2 und 94,6 Gewichtsanteilen Naphtha wurde hergestellt, durch Spritzdüsenauftrag auf ein Polyimidsubstrat aufgetragen und auf eine Dicke von etwa 1,27 × 10^–6 m (0,0005 Inch) getrocknet. Der spezifische Oberflächenwiderstand betrug 1 × 10⁶ Ohm pro Flächeneinheit.
Das beschichtete Substrat wurde in einer Vakuumkammer, die auf ein Vakuum von 10^–5 Torr abgepumpt war, auf eine Temperatur von 107°C (225°F) erwärmt. Nach 40 Stunden betrug der spezifische Oberflächenwiderstand bei 107°C (225°F) 7,0 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit. Nach 120 Stunden betrug der spezifische Oberflächenwiderstand bei 107°C (225°F) 6,5 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit. Nach 120 Zyklen betrug der spezifische Oberflächenwiderstand bei Raumtemperatur unter Vakuum 5,7 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit. Nach 120 Zyklen betrug der spezifische Oberflä chenwiderstand bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck 5,6 × 10⁷ Ohm pro Flächeneinheit. Alle diese Werte wurden als annehmbar für Raumfahrzeuganwendungen angesehen.
Die Beispiele 15 bis 18 zeigen die Funktionsfähigkeit des schwarzen Anstrichs unter Bedingungen, die die Einsatzbedingungen eines Raumfahrzeugs simulieren.

Claims

Anstrichsystem, das eine Mischung von Folgendem aufweist, nämlich 100 Gewichtsanteile eines Silikon-basierten Polymers, 1,35 bis 3,5 Gewichtsanteile eines elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpigments, wobei das Kohlenstoffpigment eine poröse schwammähnliche Struktur und eine spezifische Oberfläche von zumindest 500 m²/g aufweist, und 50 bis 135 Gewichtsanteile eines Lösemittels für das Polymer.
Anstrichsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffpigment eine spezifische Oberfläche von 800 bis 1.000 Quadratmeter pro Gramm aufweist.
Anstrichsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikon-basierte Polymer ein Methyl-Phenyl-Silikon-basiertes Polymer ist.
Anstrichsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner ein Substrat aufweist, an dem die Mischung angebracht ist.
Raumfahrzeug, das Folgendes aufweist, nämlich ein Raumfahrzeugelement (30), und einen Anstrich an dem Raumfahrzeugelement (30), wobei der Anstrich Folgendes aufweist, nämlich 100 Gewichtsanteile eines Silikon-basierten Polymers und 1,35 bis 3,5 Gewichtsanteile eines elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpigments, wobei das Kohlenstoffpigment eine poröse schwammähnliche Struktur und eine spezifische Oberfläche von zumindest 500 m²/g aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfahrzeugelement (30) eine entfaltbare Struktur ist, die eine geschlossene Konfiguration und eine offene Konfiguration hat.
Raumfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfahrzeugelement (30) eine entfaltbare Netzantenne ist.
Raumfahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffpigment eine spezifische Oberfläche von 800 bis 1.000 Quadratmeter pro Gramm aufweist.
Raumfahrzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikon-basierte Polymer ein Methyl-Phenyl-Silikon-basiertes Polymer ist.