JP4420323B2 - 電荷放散性の白色の熱制御膜およびその熱制御膜を使用する構造 - Google Patents

Description

本発明は宇宙環境における物体の保護に関し、特に累積した電荷を放散させるのに十分に導電性の白色の熱制御膜に関する。

宇宙船はサービス中に広範囲の熱環境にさらされる。宇宙船の片側は自由空間に面し、他方の側は太陽に面する。宇宙船を冷却するために熱は自由空間に放射されるが、宇宙船は直接的な太陽光で集中的に加熱される。

能動的および受動的な温度制御技術が人または感度の高い器機を含んでいる宇宙船の内部温度を許容可能な動作限度内に維持するために使用されている。能動的な温度制御は電気ヒータ、電気クーラ、ヒートパイプ等の機械または電気装置を通常含んでいる。本発明は受動的な温度制御を扱い、これは機械または電気装置を使用しない。

受動的な温度制御に対する１つの方法は、時には“太陽遮蔽”または“熱ブランケット”と呼ばれる自立型の熱制御膜を使用する。熱制御膜は、太陽と保護される構造との間に位置され、太陽の直接光が構造と接触するのを阻止するためにややパラソルと同様の機能を行う。熱制御膜は最大の放射性と最小の太陽光吸収を実現するため白色であることが望ましく、それによって自立型の膜はサービス中に過度な高温に加熱されない。

自立型の熱制御膜は同時に静電荷を所望に放散させるので望ましい。宇宙での構造は太陽風のフラックス中にあり、これは電子を静電荷として構造の表面に付着させる。静電荷が放散しなければこれは電気装置の動作に干渉するレベルまで強まり、構造を損傷するスパークの形態で放電を発生する。

種々の技術が白色で、静電気を放散させる自立型の熱制御膜を製造するために使用されている。その１つでは導電性の層が無充填のポリイミド膜の表面に付着される。これらの熱制御膜は静電荷の放散と合理的に良好な放射性を与えるが、高価で脆弱であり、管理およびサービス中に容易に損傷を受ける。別の方法では、ポリイミドが導電性の炭素粒子で充満されており、これは黒色の導電基板を形成し、必要な熱特性を与えるために白色に塗装する。この方法により製造される熱制御膜は実施可能であるが、高価で重く、サービス中に基板から塗装の剥離が生じやすい欠点がある。

白色で電荷放散性の自立型の熱制御膜に対して改良された方法が必要とされている。本発明はこの必要性を満足させ、さらに関連する利点を提供する。

本発明は静電荷を放散させるために十分な導電性の自立型の白色の熱制御膜を提供する。白色および静電荷放散能力は、基板表面に設けられた異なる組成の被覆または層によってではなく基板膜中に埋設された充填材粒子によって得られる。結果的に被覆または層の接着剥離による故障の可能性はない。さらに、自立型の熱制御膜は通常の膜形成技術により生成される単一の層だけを有するので、重量が軽く比較的廉価である。

本発明によれば、熱制御膜は重合体材料からなるバインダと、重合体材料全体に分散される複数の充填材粒子とから形成される自立型のシート基板を含んでいる。複数の充填材粒子はシート基板の重合体材料との化学反応を阻止するためにパッシベーションされている表面を有する複数の粒子で構成されている。

好ましくは、充填材粒子は白色である。充填材粒子は粒子に対して制御された導電性レベルを与えるようにドープされている実質的に非導電性のセラミック材料で構成されることが望ましい。充填材粒子は金属酸化物粒子に所望レベルの導電性を与える物質でドープされている金属酸化物粒子が好ましく、亜鉛酸化物粒子が最も好ましい。オルガノシラン重合体のパッシベーション表面層は粒子上に存在することが好ましい。

バインダは望ましくはポリイミドである。好ましいポリイミドは部分的に予め重合され弗素化された光学的に透明の芳香ポリイミドであり、それは最初に粉末形態で与えられ、その後充填材粒子を分散して自立型のシートに処理される。シート基板は典型的に約０．００１インチ乃至約０．００３インチの厚さを有する。

熱制御膜により保護された構造は物体表面を有する物体と、物体表面の少なくとも一部分を保護するように位置付けられた自立型の熱制御膜とを具備している。熱制御膜は重合体材料のバインダと重合体材料中に全体的に分散されている複数の粒子とを有している。複数の充填材粒子はシート基板の重合体材料との化学反応を阻止するために表面がパッシベーションされている複数の粒子で構成されている。

本発明者は好ましい金属酸化物粒子を、自立型の性質を与えるのに必要な機械特性を有する膜が得られるようにポリイミドのような重合体バインダ中へ含ませることが困難であることを観察した。金属酸化物充填材粒子は膜がその所望の物理的特性に物理的に形成される前に重合体の先駆物質の早期の重合化の触媒の作用をする可能性がある。本発明の方法では、粒子の充填材の表面は重合体の触媒化の傾向を減少するためにパッシベーションされる。さらに、好ましい重合体は早期の完全な重合化の触媒となる傾向が減少している部分的に予め重合化されたポリイミド樹脂である。その結果、粒子で充填された膜材料が準備され、重合化の前に所望の形状に物理的に形成される。これは、強度と物理的な一体性が劣り自立型の形態では通常使用されない従来の塗装処理とは対照的に、自立型の形状でその一体性を維持するのに十分な物理的強度を有する自立型のシートとして形成されることができる。

この熱制御膜は必要な白色と、静電荷を除去するのに十分な導電性を有する単一の層であるので、通常の膜形成技術により製造されることは経済的であり、製造とサービスとの両面で非常に頑丈である。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例示により示している添付図面を伴った好ましい実施形態の以下のさらに詳細な説明から明白になるであろう。しかしながら本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明にしたがった自立型の熱制御膜を示している。熱制御膜20は重合体材料から形成されたバインダ24を含む自立型のシート基板22を具備している。熱制御膜は動作可能な厚さで作られる自立型の素子であるが、好ましい厚さｔ_f は約０．００１から約０．００３インチである（“自立型の”材料は例えば表面上に平らに支持される塗装層と対比され、塗装層は通常幾つかの点から支持されるとき完全な状態であるように十分な結合力をもたない）。複数の充填材粒子26（顔料の役目）は重合体材料全体に分散される。乾燥前には、重合体の溶剤も存在するが、溶剤は蒸発中に蒸発される。充填材粒子26、バインダ24、溶剤の組成、それらの割合、熱制御膜20の処理を次にさらに詳細に説明する。

充填材粒子26は完成された熱制御膜20へ白色を与えるため白色であることが好ましい。充填材粒子は実質上非導電性のセラミック材料で構成され、それは充填材粒子と熱制御膜20に対して制御されたレベルの電気抵抗を与えるようにドープされている。熱制御膜20のバルク（容積）電気抵抗は好ましくは約１×１０⁶ から約１×１０⁹ オームセンチメートルである。抵抗がこの範囲外であるならば、熱制御膜20は熱制御には機能するが、電荷の放散において最も有効に機能するには抵抗が非常に大きいか非常に小さい。

充填材粒子はドープされた金属酸化物組成物が好ましく、ドープされた亜鉛酸化物が最も好ましい。他のドープされた金属酸化物が使用されてもよく、またはそれに加えて簡単な酸化物の二酸化チタニウム（ＴｉＯ₂ ）または酸化錫（ＳｎＯ₂ ）または複素酸化物の亜鉛ガリウム酸化物（ＺｎＧａ₂ Ｏ₄ ）または亜鉛アルミニウム酸化物（ＺｎＡｌ₂ Ｏ₄ ）またはその混合物等の亜鉛酸化物が使用されてもよい。

ドーパントは任意の動作可能な方法で製造される。例えば１方法では、亜鉛酸化物がアルミニウム、ガリウムまたはインジウムのような浅くドナー不純物で化学的にドープされてもよい。別の方法では亜鉛酸化物は天然の欠陥がドーパントを形成するように水素ガスでの加熱により還元されてもよい。水素ガス中での還元はＺｎＯを形成し、ここで酸素の欠損はドナー状態であり、さらにＺｎ₊ Ｏを形成し、ここでは亜鉛の格子間原子はドナー状態である。適切なドープされた顔料粒子とそれらの処理については例えば米国特許第5,094,693 号、第5,820,669 号、第6,099,639 号明細書に記載されている。ドーパントは好ましくは総粒子重量の約０．１重量パーセント乃至約３．５重量パーセントの濃度で存在する。充填材粒子の形状および寸法は臨界的ではない。しかしながら充填材粒子は熱制御膜の厚さｔ_f よりも非常に小さい直径ｄ_p を有することが望ましい。ｄ_p 値がｔ_f 値に近付くと、充填材粒子は膜を破る可能性が生じる。ｔ_f が約０．００１乃至約０．００３インチの典型的な場合には、ｄ_p は好ましくは約０．１マイクロメートル乃至約５．０マイクロメートルであり、最も好ましくは効率的な光散乱が得られるように約０．３マイクロメートル乃至約０．７マイクロメートルの範囲である。

図２で示されているように、充填材粒子26には薄いパッシベーション表面層28が配置されている（図２は実寸大ではないが、通常表面層28は非常に薄いため図面で実寸の大きさを示すことはできない）。パッシベーション表面層28はバインダの完全な重合化の前にバインダ24と充填材粒子26との触媒反応を防止し、それによってバインダ24の早期の重合化を防ぐように作用する。パッシベーション表面層28は非常に薄く、その厚さはそれを形成することに使用されるプロセスに基づいている。しかしながら典型的に、表面層28は約５０乃至約１００ナノメートル程度の厚さを有する基本的な疎水性単一層である。パッシベーション表面層28は好ましくはオルガノシラン重合体である。このようなオルガノシラン重合体の例および粒子を被覆する技術は米国特許第5,756,788 号、第5,565,591 号、第5,486,631 号明細書に記載されている。粒子を表面層28で被覆するための本発明で適用される別の技術はW.J van Ooiji の文献（“Protecting metals with silane coupling agents ”、Chemtech、1998年２月、26〜35頁）に記載されているものである。このような方法では、ビスー１，２−（トリエトキシ）エタンが水で加水分解され、その後充填材粒子は溶液に混合され、それによって疎水性表面層28が粒子上に形成される。

バインダ24はポリイミドであることが好ましい。ポリイミドはＵＶ放射に耐性であり、その結果、太陽エネルギを吸収する暗色化は膜にほとんど存在しない。好ましいポリイミドはSRS Technologies、Huntsville、ALから市場で入手可能なＬａＲＣ−ＣＰ１またはＬａＲＣ−ＣＰ２ポリイミドである。ＬａＲＣ−ＣＰ１とＬａＲＣ−ＣＰ２重合体は米国特許第5,428,102 号明細書に記載されている。ＬａＲＣ−ＣＰ１またはＬａＲＣ−ＣＰ２ポリイミドは予め重合化されていない形状よりも早期の重合化に対して感度が少ない部分的に予め重合化されている形状の先駆物質として仕上げられ使用される。即ち重合化プロセスは充填材粒子が導入されるときに開始されるがその時に重合は完了していない。重合化が完了した後、ＬａＲＣ−ＣＰ１ポリイミドはクリアであり、黄ばんだ鋳造形態をもたず、宇宙環境での長期間にわたり透明度を維持する。これによって熱制御膜は長期間にわたって宇宙での露出中にバインダ24の変化から生じる黄ばみまたはその他の色の変色によって妨害されずに充填材粒子26の白色を保持することが可能である。

好ましい実施例では、溶剤の蒸発後、充填材粒子26はバインダ24の約１００乃至約３００重量パーセントの濃度で存在し、最も好ましくは約１５０乃至約２００重量パーセントの濃度で存在する。バインダ24は基板22の残りの容積を占めている。

図３は物体表面44を有する物体42を備えた構造40を示している。熱制御膜20は物体表面44、したがって物体42を保護するために設置されている。物体42は典型的には宇宙船であり、特にアンテナ、バス構造ポートまたはその他の露出された機構のような宇宙船の一部である。図示の構造40では、隔離固定具46により物体42から隔てられて熱制御膜20を覆って位置して支持されている。これらの隔離固定具46は熱制御膜20から導電性の物体42へ、したがって接地へ静電荷を誘導するために導電性であり、また別個の導体が熱制御膜20から接地へ設けられてもよい。

図４は熱制御膜20を準備し、物体42を保護するための好ましい方法のブロックフロー図である。充填材粒子26はブロック60で与えられ、ブロック62でパッシベーション表面層28を被覆される。本発明を実施するため、本発明者はＱｉｖａＳｔａｒ ＰＯ６ドープされた亜鉛酸化物粒子としてドープされた充填材粒子26を準備し、パッシベーション表面層28はSunsmart、Wainscott 社、NYにより供給される商用の被覆ＰＳ１２５６／４を使用する。米国特許第5,428,102 号明細書に記載された方法にしたがった予め重合化されたＬａＲＣ−ＣＰ１ポリイミド先駆物質がブロック64で与えられる。適切な溶剤はブロック66で与えられる。溶剤は望ましくは処理中に重合体の先駆物質の完全な溶解を達成する。ＬａＲＣ−ＣＰ１ポリイミド先駆物質を使用する本発明の方法で実施可能な溶剤はメチルエチルケトン（ＭＥＫ）、エチルアセテート、２−メトキシエチルエーテル（diglyme ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）を含んでいる。

コンポーネントはブロック68で共に混合される。コンポーネントの好ましい比率は重量で約１０部のＬａＲＣ−ＣＰ１ポリイミド先駆物質と、重量で約１０乃至約２０部のドープされて被覆された亜鉛酸化物粒子顔料と、重量で約６０乃至約１００部の溶剤である。ポリイミドは溶剤中に溶解され、被覆された充填材粒子は結果として生成された溶液中でスラリーにされる。溶剤はその後の処理中に蒸発される。この充填材粒子の量は最終的な熱制御膜20において約１：１乃至約２：１の最適な粒子対バインダ重量比をもたらす。粒子対バインダ重量比が約１：１よりも小さいならば、熱制御膜は動作は可能であるが、熱および電気特性は妥協される。粒子対バインダ重量比が約２：１よりも大きいならば、熱制御膜は動作は可能であるが、機械的特性が低下され、自立型の膜を形成するのに不十分である。

混合の実施はセラミック蓋を有するセラミック粉砕ジャー中で行われる。コンポーネントは最小で８時間混合され、ヘグマン（Hegman）粉砕スケールで少なくとも７のヘグマングラインドを生成する。混合の完了後、混合物の粘度は時間の経過と共にゆっくりと増加することが観察される。混合物は約一週間使用可能であり、その後は、非常に粘性が高くなり鋳造できなくなる。

動作可能な粘性の状態で、ブロック70において混合物は鋳造され、熱制御膜20のような膜を形成する。混合物は任意の実施可能な方法を使用して鋳造される。技術の実演では、混合物はプレートに鋳造され、膜の厚さに広げられることを可能にする。スピン鋳造が使用されてもよい。商用の実施では、他のタイプの薄い重合体膜の生成に広く使用されるような鋳造技術が使用されてもよい。

薄膜はその後、ブロック72で溶剤を蒸発し重合体のバインダを硬化するために加熱される。好ましいＬａＲＣ−ＣＰ１ポリイミドバインダでは、加熱は２６０℃の温度で２時間、真空または空気循環炉で行われる。

結果として生成された自立型の薄膜は白色である。これは必要な寸法に切断されてもよい。

保護される物体は符号74で与えられる。自立型の熱制御膜20はブロック76で任意の動作可能な方法により物体42の表面44を保護するために設置される。例えば自立型の熱制御膜20は図３で示されているように隔離固定具46を使用して物体から離れて支持されてもよい。その代わりに、他の技術を使用して物体から支持されてもよい。また、代わりに、熱制御膜は他の構造から支持され、保護される物体表面を遮蔽するように位置されてもよい。

本発明の特別な実施形態を説明のために詳細に説明したが、種々の変形および強化が本発明の技術的範囲を逸脱せずに行われてもよい。したがって、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。

本発明にしたがった自立型の熱制御膜の側面図。 熱制御膜で使用される粒子の拡大正面図。 図１の熱制御膜が物体を保護するために配置されている構造の側面図。 図１の熱制御膜と図３の構造の処理の方法のブロック図。

Claims (10)

1. 重合体材料から形成されるバインダ(24)と、この重合体材料のバインダ(24)の全体に分散されている複数の粒子で構成された充填材粒子(26)とを含んでいる自立型のシート基板(22)によって構成され、
   前記充填材粒子(26)は実質上非導電性の金属酸化物セラミック材料で構成された充填材粒子(26)にドープすることによって制御されたレベルの導電性が与えられており、バインダ(24)の重合体材料はポリイミドであり、
   バインダの重合化が行われる前にバインダ(24)が金属酸化物セラミック材料の充填材粒子と接触して充填材粒子が触媒として作用することにより早期の重合化が開始されることを阻止するために、前記充填材粒子(26)の表面はバインダ(24)と充填材粒子(26)の金属酸化物セラミック材料との接触を阻止する表面層(28)を有しており、
   充填材粒子とバインダとの比率はバインダ１００重量％に対して充填材粒子は１００乃至３００重量％である宇宙船で使用される熱制御膜（20）。
2. 充填材粒子(26)は白色である請求項１記載の熱制御膜(20)。
3. 充填材粒子(26)はオルガノシラン重合体のパッシベーション表面層(28)を含んでいる請求項１または２記載の熱制御膜(20)。
4. バインダ(24)は部分的に予め重合化され弗素化された光学的に透明の芳香ポリイミド重合体である請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱制御膜(20)。
5. 充填材粒子(26)はドープされた亜鉛酸化物粒子である請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱制御膜(20)。
6. 充填材粒子(26)は亜鉛酸化物に浅いドナー状態を形成するエレメントでドープされた亜鉛酸化物粒子である請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱制御膜(20)。
7. シート基板(22)は０．０２５４ｍｍ乃至０．０７６ｍｍ（０．００１インチ乃至０．００３インチ）の厚さを有している請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱制御膜(20)。
8. 熱制御膜(20)により保護されている宇宙船の構造において、
   物体表面(44)を有する宇宙船上の物体(42)と、
   物体表面(44)の少なくとも一部を保護するために設置された自立型の熱制御膜(20)とを具備し、
   この熱制御膜(20)は、重合体材料のポリイミドにより形成されているバインダ(24)と、このポリイミドのバインダ(24)の全体に分散されている複数の粒子で構成された充填材粒子(26)とを含んでいる自立型のシート基板(22)によって構成され、
   前記充填材粒子(26)は実質上非導電性の金属酸化物セラミック材料で構成された充填材粒子(26)にドープすることによって制御されたレベルの導電性を与えられており、
   前記充填材粒子(26)の表面はポリイミドのバインダの重合化の前にポリイミドのバインダ(24)が金属酸化物セラミック材料の充填材粒子と接触することによって充填材粒子が触媒として作用して早期の重合化が開始されることを阻止するためにポリイミドのバインダ(24)と充填材粒子(26)の金属酸化物セラミック材料との接触を阻止する表面層(28)を有しており、
   充填材粒子とバインダとの比率はバインダ１００重量％に対して充填材粒子は１００乃至３００重量％である宇宙船の構造。
9. 物体(42)はアンテナ、バス構造ポート、露出された機構からなるグループから選択される請求項８記載の構造。
10. さらに、物体(42)と熱制御膜(20)との間に隔離固定具(46)を備えている請求項８または９記載の構造。

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