CN111732869B - 一种抗原子氧剥蚀用组合物及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体的，涉及一种抗原子氧剥蚀用组合物及其制备方法、应用。本发明提供了一种抗原子氧剥蚀组合物，按重量份计，包括树脂10‑60份、氮化硼纳米片1‑80份、溶剂1‑80份，助剂0.1‑20份。所述抗原子氧剥蚀组合物对基材层起到很好的保护作用，能够有效抵抗原子氧的剥蚀；而且密度低，质量轻，在航空航天领域具有广泛的应用前景。

Description

一种抗原子氧剥蚀用组合物及其制备方法、应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体的，涉及一种抗原子氧剥蚀用组合物及其制备方法、应用。
背景技术
低地轨道(low Earth orbit，LEO)通常是指距离地球表面距离较近的轨道，是对地观测卫星、气象卫星和空间站等设备的主要运行区域。然而由于距离地球较近，空间环境比较复杂，航天器容易受多种因素影响，如原子氧侵蚀、紫外线辐射、带电粒子辐射以及大温差等，在诸多因素中，原子氧侵蚀的危害最大。在飞行过程中，航天器与大量原子氧撞击，由于相对速度高，因此在表面产生较高温度。同时由于原子氧活性强，能量高，可以与大部分材料直接发生氧化反应，这严重损害了航天器的材料性能和寿命。
航空器材料的抗原子氧侵蚀主要通过开发新型材料及增加防护膜为主，其中防护膜主要为无机涂层。无机涂层主要为无机氧化物防护涂层(如SiO2和Al2O3)，它具有耐磨、高硬度、高透光性、化学性质稳定等优异性能，然而也存在柔韧性差、制备成本高、无机与有界面结合力弱和密度大等缺点。因此，有必要开发新的抗腐蚀材料或腐蚀防护的新方法，这种抗腐蚀材料需要具有适用范围广、厚度极小、环境友好、抗腐蚀能力强等特点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种抗原子氧剥蚀组合物，按重量份计，包括树脂10-60份、氮化硼纳米片1-80份、溶剂1-80份，助剂0.1-20份。
作为一种优选的技术方案，按重量份计，包括树脂25-40份、氮化硼纳米片10-30份、溶剂35-60份，助剂1-3份。
作为一种优选的技术方案，所述树脂选自天然树脂、合成树脂、改性树脂中的一种或多种；优选的，所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯类低聚物、醇酸树脂、乙烯基树脂、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、合成橡胶中的一种或多种。
作为一种优选的技术方案，所述氮化硼纳米片的平均厚度小于等于100nm。
作为一种优选的技术方案，所述氮化硼纳米片的平均横向尺寸大于等于2微米。
作为一种优选的技术方案，所述氮化硼纳米片的平均厚度为20-100nm，平均横向尺寸为2-10微米。
作为一种优选的技术方案，所述溶剂选自水、芳香烃类、脂肪烃类、脂环烃类、卤代烃类、醇醚类、酯类、酮类、二醇衍生物、矿物油中的一种或多种。
作为一种优选的技术方案，所述助剂选自分散剂、稳定剂、保护剂、成膜剂、偶联剂、增塑剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、流平剂、触变剂、交联剂、杀菌剂、光引发剂、热引发剂、紫外吸收剂、促进剂中的一种或多种。
本发明的第二方面提供了所述的抗原子氧剥蚀组合物的制备方法，包括以下步骤：将树脂、氮化硼、溶剂，助剂混合均匀，即得。
本发明的第三方面提供了所述的抗原子氧剥蚀组合物的应用，将所述抗原子氧剥蚀用组合物涂覆在基材上面形成涂层。
有益效果：所述抗原子氧剥蚀组合物对基材层起到很好的保护作用，能够有效抵抗原子氧的剥蚀；而且密度低，质量轻，在航空航天领域具有广泛的应用前景。
具体实施方式
为了下面的详细描述的目的，应当理解，本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序，除非明确规定相反。此外，除了在任何操作实例中，或者以其他方式指出的情况下，表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非相反指出，否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。
尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。
为了解决上述问题，本发明提供了一种抗原子氧剥蚀组合物，按重量份计，包括树脂10-60份、氮化硼纳米片1-80份、溶剂1-80份，助剂0.1-20份。
优选的，所述抗原子氧剥蚀组合物，按重量份计，包括树脂25-40份、氮化硼纳米片10-30份、溶剂35-60份，助剂1-3份。
所述树脂选自天然树脂、合成树脂、改性树脂中的一种或多种；所述树脂为市售商品；优选的，所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯类低聚物、醇酸树脂、乙烯基树脂、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、合成橡胶中的一种或多种。
在一种优选的实施方式中，所述树脂为聚偏氟乙烯树脂。所述聚偏氟乙烯树脂为偏氟乙烯的均聚物或偏氟乙烯与其他少量含氟乙烯基单体的共聚物；结构中含有乙烯基和二氟乙烯基。
在一种优选的实施方式中，所述树脂为环氧树脂和/或有机硅树脂；进一步的，所述环氧树脂和有机硅树脂的重量比为1：1-3。
所述环氧树脂分子中含有两个以上环氧基团，为环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物，分子中还含有羟基；所述有机硅树脂为由硅原子和氧原子交替连结组成骨架，不同的有机基团再与硅原子连结的聚合物，能够形成高度交联的立体网络结构。
所述氮化硼纳米片的平均厚度小于100nm，平均横向尺寸大于2微米；优选的，所述氮化硼纳米片的平均厚度为20-100nm，平均横向尺寸为2-10微米。
所述横向尺寸指氮化硼纳米片同一平面的最长尺寸。
所述氮化硼纳米片的制备方法无特别限制，可以列举的有液相剥离法，气相沉积法等；本申请中，所述氮化硼纳米片的制备方法为液相剥离法。
所述液相剥离法制备氮化硼纳米片，包括以下步骤：将氮化硼加入到第一溶剂中，利用超声波进行剥离，剥离一定时间后，测试氮化硼纳米片的厚度和横向尺寸，符合尺寸要求后，停止超声。
所述溶剂选自水、芳香烃类、脂肪烃类、脂环烃类、卤代烃类、醇醚类、酯类、酮类、二醇衍生物、矿物油中的一种或多种。作为芳香烃类溶剂的实例，可以列举的有二甲苯、甲苯、乙苯、硝基苯；作为脂肪烃类溶剂的实例，可以列举的有己烷、戊烷、辛烷、庚烷；作为脂环烃类溶剂的实例，可以列举的有环己烷、环戊烷；作为卤代烃类溶剂的实例，可以列举的有氯苯、对苯二甲酰氯、氯苯酚；作为醇醚类溶剂的实例，可以列举的有乙二醇单丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯；作为酯类溶剂的实例，可以列举的有乙酸乙酯、乙酸甲酯、丙酸乙酯；作为酮类溶剂的实例，可以列举的有丙酮、丁酮。
优选的，所述溶剂包括二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯、乙二醇单丁醚中的至少一种。
为了更好的实现本发明的目的，所述组合物还包括助剂；所述助剂选自分散剂、稳定剂、保护剂、成膜剂、偶联剂、增塑剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、流平剂、触变剂、交联剂、杀菌剂、光引发剂、热引发剂、紫外吸收剂、促进剂中的一种或更多种。
在一些实施方式中，所述助剂包括偶联剂和/或促进剂。
所述偶联剂为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂；所述硅烷偶联剂的型号包括KH550、A172、KH560，KH570，KH792，DL602，DL171中的至少一种。所述钛酸酯偶联剂的型号包括TMC-201、TMC-102、TMC-101、TMC-105、TMC-311、TMC-TTS中的至少一种。
所述促进剂为胺类促进剂；所述胺类促进剂包括二乙烯三胺一丙烯腈共聚物、N,N,N',N”,N”-五甲基二乙烯三胺、四甲基乙二胺中的至少一种。
本发明的第二方面提供了所述抗原子氧剥蚀用组合物的制备方法，包括以下步骤：将树脂、氮化硼、溶剂，助剂混合均匀，即得。
优选的，用砂磨机300-1000转/min下处理2-4小时混合均匀。
本发明的第三方面提高了所述抗原子氧剥蚀用组合物的应用，将所述抗原子氧剥蚀用组合物涂覆在基材上面形成涂层。
所述涂覆方法包括喷涂、印刷、浸涂、辊涂中的一种。
所述基材包括PET薄膜、PC薄膜、LDPE薄膜、PVC薄膜中的至少一种。
所述PET为热塑性聚酯，是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚物。
所述PC薄膜指聚碳酸酯薄膜。
氮化硼纳米片是一种新型的二维纳米材料，在一个晶面上具有较大的表面积，形成较致密的保护层。而且氮化硼纳米片每一层都是有B原子和N原子交替排列组成的无限延伸的六边形蜂窝结构；本申请人发现，一定尺寸的氮化硼纳米片和树脂材料、助剂等相互协同形成具有很好力学强度的复合材料，避免了填充物对高分子材料力学性能的破坏。特别是涂覆在PET薄膜基材上后，极大程度降低了原子氧对薄膜的损害；而且二维纳米材料质地较轻，还可以减轻航天器重量，能够很好的满足设计要求。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售得到的。
实施例
实施例1
一种抗原子氧剥蚀组合物，按重量份计，包括树脂40份、氮化硼纳米片30份、溶剂二甲苯50份，助剂硅烷偶联剂KH550 1份。
所述树脂为环氧树脂，型号为Epon Resin1001，厂商为美国瀚森；
所述氮化硼纳米片的制备方法包括以下步骤：将氮化硼加入到异丙醇(浓度为1mg/mL)中，利用超声波进行剥离，剥离一定时间后，测试六方氮化硼的厚度和横向尺寸，得到氮化硼纳米片的平均厚度为80nm，平均横向尺寸为5微米，停止超声，抽滤，干燥。
所述抗原子氧剥蚀用组合物的制备方法，包括以下步骤：将树脂、氮化硼纳米片、溶剂，助剂用砂磨机500转/min下处理3小时混合均匀，即得。
将所述抗原子氧剥蚀用组合物涂覆于PET薄膜；
将纯PET薄膜及涂覆有抗原子氧剥蚀用组合物的PET薄膜同时放入原子氧通量密度为1.6×1020atoms/cm2的原子氧地效模拟器上处理20小时，结果为：纯PET薄膜质量损失为46％，涂覆有抗原子氧剥蚀用组合物的PET薄膜重量损失为0.6％。
通过百格法测试组合物与PET薄膜的附着力，其中，组合物无脱落，附着力好。
实施例2
一种抗原子氧剥蚀组合物，按重量份计，包括树脂25份、氮化硼纳米片15份、溶剂60份，助剂钛酸酯偶联剂TMC-201 1份。
所述树脂为聚偏氟乙烯树脂，型号为HSV900，厂商为法国阿科玛；
所述溶剂包括二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯、乙二醇单丁醚；所述二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯、乙二醇单丁醚的重量比为3：2：1。
所述氮化硼纳米片的制备方法包括以下步骤：将氮化硼加入到异丙醇(浓度为1mg/mL)中，利用超声波进行剥离，剥离一定时间后，测试六方氮化硼的厚度和横向尺寸，得到氮化硼纳米片的平均厚度为20nm，平均横向尺寸为2微米时，停止超声，抽滤，干燥。
所述抗原子氧剥蚀用组合物的制备方法，包括以下步骤：将树脂、氮化硼、溶剂，助剂用砂磨机300转/min下处理8小时混合均匀，即得。
将所述抗原子氧剥蚀用组合物涂覆于PET薄膜；
将纯PET薄膜及涂覆有抗原子氧剥蚀用组合物的PET薄膜同时放入原子氧通量密度为1.2×1020atoms/cm2的原子氧地效模拟器上处理10小时，结果为：纯PET薄膜质量损失为26％，涂覆有抗原子氧剥蚀用组合物的PET薄膜重量损失为0.4％。
通过百格法测试组合物与PET薄膜的附着力，其中，组合物无脱落，附着力好。
实施例3
一种抗原子氧剥蚀组合物，按重量份计，包括树脂30份、氮化硼纳米片10份、溶剂二甲苯35份，助剂硅烷偶联剂A172 2份，助剂促进剂二乙烯三胺-丙烯腈共聚物1份。
所述二乙烯三胺-丙烯腈共聚物购买于张家港雅瑞化工有限公司，型号为591#。
所述树脂为有机硅树脂和环氧树脂，有机硅树脂型号为道康宁RSN0808，环氧树脂型号为巴陵石化，E12；所述有机硅树脂和环氧树脂的重量比为2：1；
所述氮化硼纳米片的制备方法包括以下步骤：将氮化硼加入到异丙醇(浓度为1mg/mL)中，利用超声波进行剥离，剥离一定时间后，测试六方氮化硼的厚度和横向尺寸，得到氮化硼纳米片的平均厚度为100nm，平均横向尺寸为8微米时，停止超声，抽滤，干燥。
所述抗原子氧剥蚀用组合物的制备方法，包括以下步骤：将树脂、氮化硼、溶剂，助剂用砂磨机800转/min下处理4小时混合均匀，即得。
将所述抗原子氧剥蚀用组合物涂覆于PC薄膜；
将纯PET薄膜及涂覆有抗原子氧剥蚀用组合物的PET薄膜同时放入原子氧通量密度为0.9×1020atoms/cm2的原子氧地效模拟器上处理30小时，结果为：纯PET薄膜质量损失为49％，涂覆有抗原子氧剥蚀用组合物的PET薄膜重量损失为0.3％。
通过百格法测试组合物与PET薄膜的附着力，其中，组合物无脱落，附着力好。
对比例1
一种组合物，具体实施方式同实施例3，不同点在于，无氮化硼纳米片，将纯PET薄膜及涂覆有组合物的PET薄膜同时放入原子氧通量密度为0.9×1020atoms/cm2的原子氧地效模拟器上处理30小时，结果为：纯PET薄膜质量损失为49％，涂覆有组合物的PET薄膜重量损失为2.5％。
对比例2
一种组合物，具体实施方式同实施例3，不同点在于，氮化硼纳米片100份，将纯PET薄膜及涂覆有组合物的PET薄膜同时放入原子氧通量密度为0.9×1020atoms/cm2的原子氧地效模拟器上处理30小时，结果为：纯PET薄膜质量损失为48％，涂覆有组合物的PET薄膜重量损失为0.2％；通过百格法测试组合物与PET薄膜的附着力，其中，组合物脱落面积占总面积73％，附着力差。
对比例3
一种组合物，具体实施方式同实施例3，不同点在于，所述氮化硼纳米片的平均厚度为20nm，平均横向尺寸为1微米，将纯PET薄膜及涂覆有组合物的PET薄膜同时放入原子氧通量密度为0.9×1020atoms/cm2的原子氧地效模拟器上处理30小时，结果为：纯PET薄膜质量损失为49％，涂覆有组合物的PET薄膜重量损失为0.9％。
对比例4
一种组合物，具体实施方式同实施例3，不同点在于，所述氮化硼纳米片的平均厚度为400nm，平均横向尺寸为10微米，将纯PET薄膜及涂覆有组合物的PET薄膜同时放入原子氧通量密度为0.9×1020atoms/cm2的原子氧地效模拟器上处理30小时，结果为：纯PET薄膜质量损失为50％，涂覆有组合物的PET薄膜重量损失为1.2％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或更改为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗原子氧剥蚀组合物，其特征在于，按重量份计，包括树脂25-40份、氮化硼纳米片10-30份、溶剂35-60份、助剂1-3份；
所述氮化硼纳米片的平均厚度为20-100nm，平均横向尺寸为2-10微米。
2.如权利要求1所述的抗原子氧剥蚀组合物，其特征在于，所述树脂选自天然树脂、合成树脂、改性树脂中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的抗原子氧剥蚀组合物，其特征在于，所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、丙烯酸树脂、醇酸树脂、乙烯基树脂、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、合成橡胶中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的抗原子氧剥蚀组合物，其特征在于，所述溶剂选自水、芳香烃类、脂肪烃类、脂环烃类、卤代烃类、醇醚类、酯类、酮类、二醇衍生物、矿物油中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的抗原子氧剥蚀组合物，其特征在于，所述助剂选自分散剂、稳定剂、保护剂、成膜剂、偶联剂、增塑剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、流平剂、触变剂、交联剂、杀菌剂、光引发剂、热引发剂、紫外吸收剂、促进剂中的一种或多种。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的抗原子氧剥蚀组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将树脂、氮化硼纳米片、溶剂、助剂混合均匀，即得。
7.一种如权利要求1-5任一项所述的抗原子氧剥蚀组合物的应用，其特征在于，将所述抗原子氧剥蚀组合物涂覆在基材上面形成涂层。
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