專利名稱：一種復合抗原子氧涂層溶液及抗原子氧涂層制備的方法
技術領域：
抗原子氧涂層溶液，抗原子氧涂層制備，空間低軌道航空器抗原子氧保護背景技術目前應用的空間材料多數(shù)不具有抵抗原子氧侵蝕的能力。改善材料性能時，在其表面施加防護涂層是一條便捷有效的途徑。但對空間應用的涂層性能要求嚴格，具體包括(1)能提供良好的抗原子氧侵蝕和紫外輻射的能力，且不應改變基體材料的基本性能；(2)既薄又輕且與基體結合牢固；(3)沒有缺陷、氣孔和裂痕；(4)具有良好的抗彎曲和抗剝落性能；(5)在低地球軌道空間環(huán)境長期暴露時能保持穩(wěn)定性；(6)具有很低的揮發(fā)性且應滿足真空排氣要求；(7)制備涂層的技術滿足成本低廉而效率高，且易擴大到大尺寸工件上。
在早期航天飛機飛行時，在低地球軌道空間環(huán)境下暴露后得到的試驗數(shù)據(jù)表明，有機硅的侵蝕速率比聚酰亞胺低1～2個數(shù)量級。有機硅涂層和原子氧反應失去有機成分形成氧化硅。由于密度增加，涂層表面收縮，產(chǎn)生了一個微觀多孔結構，并不能阻止氧化。無機涂層具有的脆性、熱膨脹系數(shù)的不匹配和由于原子氧掏蝕引起的表面外形的改變等缺點。
近年來隨著溶膠凝膠技術在無機材料、玻璃、陶瓷、光涂層領域中的廣泛應用該項技術得到了更大的發(fā)展，將有機與無機材料通過溶膠凝膠技術復合來獲得更合適的優(yōu)異材料在目前材料領域，尤其在材料表面處理上。
因此通過溶膠凝膠方法來合成具備優(yōu)異抗原子氧的有機無機復合涂層是一條便捷而實在的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正對上述問題，提供一種復合抗原子氧涂層溶液合成及抗原子氧涂層制備的方法。采用溶膠凝膠方法制備有機無機復合抗原子氧涂層，即采用正硅酸乙酯、納米氧化硅、納米氧化鋁和硅烷偶聯(lián)劑原料，通過溶膠凝膠途徑來獲得抗原子氧涂層。
本發(fā)明的方法利用了有機和無機的優(yōu)勢性能。在形成涂層中有機硅烷偶聯(lián)劑具有良好的成膜性能，形成具有可控厚度的薄膜，表面光滑，無裂縫產(chǎn)生。無機部分，正硅酸乙酯最終水解形成二氧化硅的網(wǎng)絡結構，具有堅固的強度，納米氧化硅、納米氧化鋁則由于結晶充分，硬度堅固，使得涂層具有耐沖擊的性能，而柔軟度與厚度的缺陷則通過有機部分的形成得到彌補。采用有機無機復合的保護涂層之所以能起到保護作用，溶膠凝膠法已形成的二氧化硅與納米氧化硅和納米氧化鋁構成抗原子氧的保護層，與有機硅形成的均勻薄膜涂層，使得有機硅在一定程度上已得到了保護，當少量有機硅結構受到原子氧攻擊時，硅氧鍵又形成了新的二氧化硅，又多了新的保護層，因此有機硅中的有機部分因原子氧進攻而損失的量則降低到最少。由溶膠凝膠法形成的二氧化硅，納米氧化硅，納米氧化鋁，和有機硅在原子氧轟擊下形成的二氧化硅一起構成了致密的二氧化硅和氧化鋁的交聯(lián)層，牢固地附著在表面，四價的硅具有較高的熱力學穩(wěn)定價態(tài)，不與原子氧反應，阻礙原子氧滲透到聚合物材料表面，這也就達到了涂層保護的良好效果。
本發(fā)明提供一種復合抗原子氧涂層溶液合成及抗原子氧涂層制備的方法，其中抗原子氧涂層溶液制備方法為制備涂層用的溶液的合成原料采用正硅酸乙酯、納米氧化硅、納米氧化鋁和硅烷偶聯(lián)劑，其中硅酸乙酯的重量比例為20至80％，納米氧化硅的重量比例為2至10％，粒徑為10-80納米，納米氧化鋁的重量比例為0至8％，粒徑為10-80納米，硅烷偶聯(lián)劑采用下列硅烷偶聯(lián)劑中的任一種KH550，KH560，KH570，重量比例為10至50％。溶劑采用乙醇，乙醇的用量為正硅酸乙酯、納米氧化硅、納米氧化鋁和硅烷偶聯(lián)劑總量的1至100倍。添加去離子水1-10％。所添加無機酸為下列無機酸中任一種鹽酸，醋酸，其用量在總量的0.1～5％。PH值范圍控制在4到10?；旌虾蟮姆磻^程采用機械或磁力攪拌，攪拌時間在30至500分鐘。
溶液靜置30至300分鐘后，倒入容器中密封，30至60小時后，溶液用于涂層。涂層采用提拉法制備，提拉速度為5至15cm/分鐘，提拉次數(shù)為1至20次，提拉間隙為2至10分鐘。在空氣中干燥5至40分鐘后，放入熱處理爐中，溫度為80至150℃，熱處理時間為10至100分鐘。
采用本發(fā)明的方法制備的抗原子氧涂層具有很高的抗原子氧特性。經(jīng)過原子氧總輻照量達5.4×1020/cm2輻照實驗表明，有抗原子氧涂層保護的樣品，原子氧輻照前后，其掃描的電鏡形貌無區(qū)別。即經(jīng)過保護涂層處理后的表面在經(jīng)過原子氧照射后無損傷。
具體實施例方式
從以下說明性實施將進一步理解本發(fā)明。
采用正硅酸乙酯、納米氧化硅、納米氧化鋁和硅烷偶聯(lián)劑(如KH570)復合抗原子氧涂層溶液合成及抗原子氧涂層制備的方法實施例1原料配比為乙醇，50克，正硅酸乙酯10克，納米氧化硅0.5克，納米氧化鋁0.3克，KH-570，5克，去離子水1克，醋酸0.1克?；旌虾笥么帕嚢铏C攪拌200分鐘，將溶液靜置100分鐘后，倒入容器中密封，40小時后，倒出部分溶液用于涂層。涂層采用提拉法制備，提拉速度為10cm/分鐘，提拉次數(shù)為10次，提拉間隙為5分鐘。在空氣中干燥20分鐘后，放入熱處理爐中，溫度為120℃，熱處理時間為60分鐘。經(jīng)過原子氧總輻照量達5.4×1020/cm2輻照實驗表明，有抗原子氧涂層保護的樣品，原子氧輻照前后，其掃描的電鏡形貌無區(qū)別。即經(jīng)過保護涂層處理后的表面在經(jīng)過原子氧照射后無損傷。
實施例2原料配比為乙醇，20克，正硅酸乙酯10克，納米氧化硅0.2克，納米氧化鋁0.1克，KH-570，5克，去離子水1克，醋酸0.2克?；旌虾笥么帕嚢铏C攪拌400分鐘，將溶液靜置30分鐘后，倒入容器中密封，30小時后，倒出部分溶液用于涂層。涂層采用提拉法制備，提拉速度為5cm/分鐘，提拉次數(shù)為2次，提拉間隙為2分鐘。在空氣中干燥10分鐘后，放入熱處理爐中，溫度為85℃，熱處理時間為20分鐘。經(jīng)過原子氧總輻照量達5.4×1020/cm2輻照實驗表明，有抗原子氧涂層保護的樣品，原子氧輻照前后，其掃描的電鏡形貌無區(qū)別。即經(jīng)過保護涂層處理后的表面在經(jīng)過原子氧照射后無損傷。
實施例3原料配比為乙醇，200克，正硅酸乙酯10克，納米氧化硅0.7克，納米氧化鋁0.0克，KH-570，2克，去離子水1克，鹽酸0.1克?；旌虾笥么帕嚢铏C攪拌80分鐘，將溶液靜置240分鐘后，倒入容器中密封，40小時后，倒出部分溶液用于涂層。涂層采用提拉法制備，提拉速度為8cm/分鐘，提拉次數(shù)為15次，提拉間隙為8分鐘。在空氣中干燥40分鐘后，放入熱處理爐中，溫度為140℃，熱處理時間為80分鐘。經(jīng)過原子氧總輻照量達5.4×1020/cm2輻照實驗表明，有抗原子氧涂層保護的樣品，原子氧輻照前后，其掃描的電鏡形貌無區(qū)別。即經(jīng)過保護涂層處理后的表面在經(jīng)過原子氧照射后無損傷。
實施例4原料配比為乙醇，500克，正硅酸乙酯10克，納米氧化硅0.1克，納米氧化鋁0.3克，KH-570，7克，去離子水1克，醋酸0.3克?；旌虾笥么帕嚢铏C攪拌600分鐘，將溶液靜置150分鐘后，倒入容器中密封，60小時后，倒出部分溶液用于涂層。涂層采用提拉法制備，提拉速度為15cm/分鐘，提拉次數(shù)為20次，提拉間隙為10分鐘。在空氣中干燥30分鐘后，放入熱處理爐中，溫度為130℃，熱處理時間為50分鐘。經(jīng)過原子氧總輻照量達5.4×1020/cm2輻照實驗表明，有抗原子氧涂層保護的樣品，原子氧輻照前后，其掃描的電鏡形貌無區(qū)別。即經(jīng)過保護涂層處理后的表面在經(jīng)過原子氧照射后無損傷。
實施例5原料配比為乙醇，50克，正硅酸乙酯10克，納米氧化硅0.5克，納米氧化鋁0.1克，KH-570，8克，去離子水1克，醋酸0.1克?；旌虾笥么帕嚢铏C攪拌100分鐘，將溶液靜置100分鐘后，倒入容器中密封，50小時后，倒出部分溶液用于涂層。涂層采用提拉法制備，提拉速度為10cm/分鐘，提拉次數(shù)為10次，提拉間隙為5分鐘。在空氣中干燥5分鐘后，放入熱處理爐中，溫度為100℃，熱處理時間為90分鐘。經(jīng)過原子氧總輻照量達5.4×1020/cm2輻照實驗表明，有抗原子氧涂層保護的樣品，原子氧輻照前后，其掃描的電鏡形貌無區(qū)別。即經(jīng)過保護涂層處理后的表面在經(jīng)過原子氧照射后無損傷。
權利要求
1.一種制備復合抗原子氧涂層溶液的方法，其特征在于將正硅酸乙酯、納米氧化硅、納米氧化鋁和硅烷偶聯(lián)劑復合的溶液用于抗原子氧涂層的制備。
2.根據(jù)權利要求1所描述的制備方法，其特征在于制備涂層用的溶液的合成原料硅酸乙酯的重量比例為20至80％。
3.根據(jù)權利要求1所描述的制備方法，其特征在于制備涂層用的溶液的合成原料納米氧化硅的重量比例為2至10％，粒徑為10-80納米。納米氧化鋁的重量比例為0至8％，粒徑為10-80納米。硅烷偶聯(lián)劑的重量比例為10至50％。硅烷偶聯(lián)劑包括KH550，KH560，KH570。
4.根據(jù)權利要求1所描述的制備方法，其特征在于溶劑采用乙醇，乙醇的用量為正硅酸乙酯、納米氧化硅、納米氧化鋁和硅烷偶聯(lián)劑總量的1至100倍。
5.根據(jù)權利要求1所描述的制備方法，其特征在于其添加無機酸為下列無機酸中任一種鹽酸，醋酸，其用量在總量的0.1～5％。
6.根據(jù)權利要求1所描述的制備方法，其特征在于添加去離子水的量為1～10％。
7.根據(jù)權利要求1所描述的制備方法，其特征在于涂膜采用噴涂，或浸涂，或刷涂，或提拉法，或旋覆涂。
8.根據(jù)權利要求1所描述的制備方法，其特征在于所涂制的涂層經(jīng)過溫度處理，溫度范圍為80至250℃。
9.根據(jù)權利要求8所描述的制備方法，其特征在于在溫度熱處理時，處理時間為10-100分鐘。
全文摘要
抗原子氧涂層溶液的制備將正硅酸乙酯、納米氧化硅、納米氧化鋁和硅烷偶聯(lián)劑(如KH570)通過一定的比例混合，溶解在乙醇溶液中，用磁力攪拌機攪拌，期間加入一定量的水和無機酸，然后再將所制得的溶液靜置一個小時，即得到抗原子氧涂層溶液。該溶液可用于聚酰亞胺表面的涂層，通過噴涂，或浸涂，或刷涂，或提拉法，或旋覆涂來獲得涂層。所獲得的涂層具有抗原子氧性能，可用于低軌道空間的航空器。
文檔編號C09D1/04GK1629225SQ20031011256
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月16日 優(yōu)先權日2003年12月16日
發(fā)明者羅仲寬, 劉劍洪, 洪偉良, 田德余 申請人:深圳大學