专利名称：一种纳米有机无机复合抗原子氧涂层制备的方法
技术领域：
抗原子氧涂层溶液，抗原子氧涂层制备，空间低轨道航空器抗原子氧保护
背景技术：
目前应用的空间材料多数不具有抵抗原子氧侵蚀的能力。改善材料性能时，在其表 面施加防护涂层是一条便捷有效的途径。但对空间应用的涂层性能要求严格，具体包 括:(l)能提供良好的抗原子氧侵蚀和紫外辐射的能力，且不应改变基体材料的基本性 能;(2)既薄又轻且与基体结合牢固;(3)没有缺陷、气孔和裂痕;(4)具有良好的抗弯曲和抗 剥落性能;(5)在低地球轨道空间环境长期暴露时能保持稳定性;(6)具有很低的挥发性且 应满足真空排气要求;(7)制备涂层的技术满足成本低廉而效率高，且易扩大到大尺寸工 件上。
在早期航天飞机飞行时，在低地球轨道空间环境下暴露后得到的试验数据表明，有 机硅的侵蚀速率比聚酰亚胺低1 2个数量级。有机硅涂层和原子氧反应失去有机成分 形成氧化硅。由于密度增加，涂层表面收縮，产生了一个微观多孔结构，并不能阻止氧 化。无机涂层具有的脆性、热膨胀系数的不匹配和由于原子氧掏蚀引起的表面外形的改 变等缺点。
近年来随着溶胶凝胶技术在无机材料、玻璃、陶瓷、光涂层领域中的广泛应用该项 技术得到了更大的发展，将有机与无机材料通过溶胶凝胶技术复合来获得更合适的优异 材料在目前材料领域，尤其在材料表面处理上。
因此通过溶胶凝胶方法来合成具备优异抗原子氧的有机无机复合涂层是一条便捷 而实在的途径。
发明内容
本发明的目的正对上述问题，提供一种复合抗原子氧涂层溶液合成及抗原子氧涂层 制备的方法。采用溶胶凝胶方法制备有机无机复合抗原子氧涂层，即采用正硅酸乙酯、 纳米氧化硅、纳米氧化铝和硅垸偶联剂原料，通过溶胶凝胶途径来获得抗原子氧涂层。
本发明的方法利用了有机和无机的优势性能。在形成涂层中有机硅烷偶联剂具有良好的成膜性能，形成具有可控厚度的薄膜，表面光滑，无裂缝产生。无机部分，正硅酸 乙酯最终水解形成二氧化硅的网络结构，具有坚固的强度，纳米氧化硅、纳米氧化铝则 由于结晶充分，硬度坚固，使得涂层具有耐冲击的性能，而柔软度与厚度的缺陷则通过 有机部分的形成得到弥补。采用有机无机复合的保护涂层之所以能起到保护作用，溶胶 凝胶法已形成的二氧化硅与纳米氧化硅和纳米氧化铝构成抗原子氧的保护层，与有机硅 形成的均匀薄膜涂层，使得有机硅在一定程度上已得到了保护，当少量有机硅结构受到 原子氧攻击时，硅氧键又形成了新的二氧化硅，又多了新的保护层，因此有机硅中的有 机部分因原子氧进攻而损失的量则降低到最少。由溶胶凝胶法形成的二氧化硅，纳米氧 化硅，纳米氧化铝，和有机硅在原子氧轰击下形成的二氧化硅一起构成了致密的二氧化 硅和氧化铝的交联层，牢固地附着在表面，四价的硅具有较高的热力学稳定价态，不与 原子氧反应，阻碍原子氧渗透到聚合物材料表面，这也就达到了涂层保护的良好效果。
本发明提供一种复合抗原子氧涂层溶液合成及抗原子氧涂层制备的方法，其中抗原 子氧涂层溶液制备方法为制备涂层用的溶液的合成原料采用正硅酸乙酯、纳米氧化硅、 纳米氧化铝和硅垸偶联剂，其中硅酸乙酯的重量比例为20至80%，纳米氧化硅的重量 比例为2至10%，粒径为10-80纳米，纳米氧化铝的重量比例为0至8%，粒径为10-80 纳米，硅垸偶联剂采用下列硅垸偶联剂中的任一种KH550， KH560， KH570，重量比 例为10至50%。溶剂采用乙醇，乙醇的用量为正硅酸乙酯、纳米氧化硅、纳米氧化铝 和硅烷偶联剂总量的1至100倍。添加去离子水1-10%。所添加无机酸为下列无机酸中 任一种盐酸，醋酸，其用量在总量的0.1~5%。 PH值范围控制在4到10。混合后的反 应过程采用机械或磁力搅拌，搅拌时间在30至500分钟。
溶液静置30至300分钟后，倒入容器中密封，30至60小时后，溶液用于涂层。涂 层采用提拉法制备，提拉速度为5至15cm/分钟，提拉次数为1至20次，提拉间隙为2 至10分钟。在空气中干燥5至40分钟后，放入热处理炉中，温度为80至15(TC，热处 理时间为10至100分钟。
采用本发明的方法制备的抗原子氧涂层具有很高的抗原子氧特性。经过原子氧总辐 照量达5.4X10，ci^辐照实验表明，有抗原子氧涂层保护的样品，原子氧辐照前后，其 扫描的电镜形貌无区别。即经过保护涂层处理后的表面在经过原子氧照射后无损伤。
具体实施例方式
从以下说明性实施将进一步理解本发明。采用正硅酸乙酯、纳米氧化硅、纳米氧化铝和硅垸偶联剂(如KH570)复合抗原子 氧涂层溶液合成及抗原子氧涂层制备的方法 实施例1
原料配比为乙醇，50克，正硅酸乙酯10克，纳米氧化硅0.5克，纳米氧化铝0.3 克，KH-570， 5克，去离子水1克，醋酸0.1克。混合后用磁力搅拌机搅拌200分钟， 将溶液静置100分钟后，倒入容器中密封，40小时后，倒出部分溶液用于涂层。涂层采 用提拉法制备，提拉速度为10cm/分钟，提拉次数为10次，提拉间隙为5分钟。在空气 中干燥20分钟后，放入热处理炉中，温度为120'C，热处理时间为60分钟。经过原子 氧总辐照量达5.4X10，cn^辐照实验表明，有抗原子氧涂层保护的样品，原子氧辐照前 后，其扫描的电镜形貌无区别。即经过保护涂层处理后的表面在经过原子氧照射后无损 伤。
实施例2
原料配比为乙醇，20克，正硅酸乙酯10克，纳米氧化硅0.2克，纳米氧化铝O.l 克，KH-570， 5克，去离子水1克，醋酸0.2克。混合后用磁力搅拌机搅拌400分钟， 将溶液静置30分钟后，倒入容器中密封，30小时后，倒出部分溶液用于涂层。涂层采 用提拉法制备，提拉速度为5cm/分钟，提拉次数为2次，提拉间隙为2分钟。在空气中 干燥10分钟后，放入热处理炉中，温度为85'C，热处理时间为20分钟。经过原子氧总 辐照量达5.4X10，cr^辐照实验表明，有抗原子氧涂层保护的样品，原子氧辐照前后， 其扫描的电镜形貌无区别。即经过保护涂层处理后的表面在经过原子氧照射后无损伤。
实施例3
原料配比为乙醇，200克，正硅酸乙酯10克，纳米氧化硅0.7克，纳米氧化铝O.O 克，KH-570， 2克，去离子水1克，盐酸0.1克。混合后用磁力搅拌机搅拌80分钟，将 溶液静置240分钟后，倒入容器中密封，40小时后，倒出部分溶液用于涂层。涂层采用 提拉法制备，提拉速度为8cm/分钟，提拉次数为15次，提拉间隙为8分钟。在空气中 干燥40分钟后，放入热处理炉中，温度为140'C,热处理时间为80分钟。经过原子氧 总辐照量达5.4X 102()/咖2辐照实验表明，有抗原子氧涂层保护的样品，原子氧辐照前后， 其扫描的电镜形貌无区别。即经过保护涂层处理后的表面在经过原子氧照射后无损伤。
实施例4
原料配比为乙醇，500克，正硅酸乙酯10克，纳米氧化硅0.1克，纳米氧化铝0.3 克，KH-570， 7克，去离子水1克，醋酸0.3克。混合后用磁力搅拌机搅拌600分钟，将溶液静置150分钟后，倒入容器中密封，60小时后，倒出部分溶液用于涂层。涂层采 用提拉法制备，提拉速度为15cm/分钟，提拉次数为20次，提拉间隙为10分钟。在空 气中干燥30分钟后，放入热处理炉中，温度为130。C，热处理时间为50分钟。经过原 子氧总辐照量达5.4X10,crr^辐照实验表明，有抗原子氧涂层保护的样品，原子氧辐照 前后，其扫描的电镜形貌无区别。即经过保护涂层处理后的表面在经过原子氧照射后无 损伤。
实施例5
原料配比为乙醇，50克，正硅酸乙酯10克，纳米氧化硅0.5克，纳米氧化铝O.l 克，KH-570， 8克，去离子水1克，醋酸0.1克。混合后用磁力搅拌机搅拌100分钟， 将溶液静置100分钟后，倒入容器中密封，50小时后，倒出部分溶液用于涂层。涂层采 用提拉法制备，提拉速度为10cm/分钟，提拉次数为10次，提拉间隙为5分钟。在空气 中干燥5分钟后，放入热处理炉中，温度为10(TC,热处理时间为卯分钟。经过原子氧 总辐照量达5.4X 10，ci^辐照实验表明，有抗原子氧涂层保护的样品，原子氧辐照前后， 其扫描的电镜形貌无区别。即经过保护涂层处理后的表面在经过原子氧照射后无损伤。
权利要求
1、一种制备复合抗原子氧涂层溶液的方法，其特征在于将正硅酸乙酯、纳米氧化硅、纳米氧化铝和硅烷偶联剂复合的溶液用于抗原子氧涂层的制备。
2、 根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于制备涂层用的溶液的合成原料硅 酸乙酯的重量比例为20至80%。
3、 根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于制备涂层用的溶液的合成原料纳米氧化硅的重量比例为2至10%，粒径为10-80纳米。纳米氧化铝的重量比例为0 至8%，粒径为10-80纳米。硅垸偶联剂的重量比例为10至50%。硅烷偶联剂包括 KH550， KH560， KH570。
4、 根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于溶剂采用乙醇，乙醇的用量为正硅酸乙酯、纳米氧化硅、纳米氧化铝和硅垸偶联剂总量的1至100倍。
5、 根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于其添加无机酸为下列无机酸中任 一种盐酸，醋酸，其用量在总量的0.1~5%。
6、 根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于添加去离子水的量为1~10%。
7、 根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于涂膜采用喷涂，或浸涂，或刷涂， 或提拉法，或旋覆涂。
8、 根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于所涂制的涂层经过温度处理，温度范围为80至25(TC。
9、 根据权利要求8所描述的制备方法，其特征在于在温度热处理时，处理时间为 10-100分钟。
全文摘要
纳米有机无机复合抗原子氧涂层溶液的制备将一定比例的正硅酸乙酯、纳米氧化硅、纳米氧化铝和硅烷偶联剂(如KH560)混合，加入一定量的乙醇作溶剂，然后用磁力搅拌机机械搅拌，搅拌过程中加入适量的去离子水和无机酸，一定时间之后将所制得得溶液静置一段时间，即得纳米有机无机复合抗原子氧涂层溶液。该溶液可用于聚酰亚胺表面得涂层，通过浸涂，或刷涂，或喷涂，或提拉涂，或旋覆涂来获得涂层。所获得的涂层具有抗原子氧性能，可用于低轨道空间的航空器。
文档编号C09D1/00GK101429350SQ20071012437
公开日2009年5月13日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年11月8日
发明者任祥忠, 刘剑洪, 洪伟良, 田德余, 罗仲宽, 蔡弘华 申请人:深圳大学