CN113604083B - 一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层及其制备方法 - Google Patents

一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层及其制备方法，属于新材料领域；本发明热控涂层材料主要组成为超宽禁带氧化物颜料、无机水玻璃粘结剂和功能性助剂，本发明中超宽禁带氧化物颜料的涂层宜具有优异的防护粒子辐射稳定性，制备的涂层为水性环保涂料，可空气喷涂、刷涂或刮涂，具有室温固化特性。涂层的太阳吸收比低至0.08~0.09，发射率为0.88~0.92，表面电阻率为105~107Ωm，可应用于空间高太阳热流、强粒子辐射、电离层充放电及原子氧环境等复杂苛刻环境协同作用效应下服役的各类航天器的热控***。

Description

一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层及其制备方法，属于新材料领域。
背景技术
热控涂层是航天器热控分***的重要组成部分，涂覆于航天器外表面，通过自身的热物理特性太阳吸收比（as）和半球发射率（eH）来调节航天器的表面热平衡温度（Ts），即Ts∝(as/eH)1/4，从而达到热控制目的。ZnO基热控涂层以其低吸收高发射性能和良好的工艺特性，广泛应用于国内外各个型号的航天器的热控***中。例如国产S781白漆、KSZ白漆、ACR白漆，和美国AZ Technology的Z-93白漆，均以ZnO为颜料，对应的太阳吸收比分别约为0.20、0.15、0.23和0.15。然而，ZnO涂层的太阳光谱反射率偏低，仅有85%左右，且对太阳辐射光谱中占据太阳辐射总能量约6.6%的高能紫外线部分（200~380 nm）几乎没有反射效果。这一方面难以满足快速发展的金星、水星及太阳等高强太阳辐照环境下服役的近日探测器的热防护任务；另一方面，由于涂层中ZnO等半导体颜料活跃的光催化活性和对紫外线的强烈吸收，在空间粒子辐射及真空冷热交替循环等综合环境作用下，不仅诱发涂层在可见光区的色心吸收和自由电子的近红外吸收，导致涂层太阳热流反射能力快速下降，还将造成涂层粘结剂的老化降解以及随之产生光学污染效应。此外，普通ZnO热控涂层不具备抗静电能力，其表面电阻率可达到1012Ωm。这将导致高能入射电子在涂层表面甚至内部沉积，因电势差而产生充放电效应。
国内外研究人员近年来先后提出了一系列的改性技术以提高热控涂层的太阳热流反射能力和抗静电性能，然而均存在两者此消彼长的困境，不能同时获得兼具太阳光谱高反射和低电阻率的热控涂层。例如专利（申请号CN109439186A一种光照全适应航天器热控涂层）采用SiO2空心微球、BaSO4为颜料制备了低吸收的热控白漆，但涂层表面电阻率远大于国军标GJB 2502《航天器热控涂层试验方法》中抗静电热控涂层<109Ωm的要求。专利（授权号CN103666248B新型防静电白色热控涂层及其制备方法）通过在ZnO涂层中加入金属微片制备出体积电阻率<107Ωm的抗静电涂层，但涂层太阳吸收比高达0.24~0.29。
因此，研究制备一种太阳光谱全反射，且兼具抗静电特性的热控涂层，将大幅提升现有热控涂层的热物理性能和轨道环境适用范围，从而提高空间飞行器热控精度和服役可靠性。
发明内容
本发明针对当前现役热控白漆太阳热流反射率偏低、表面电势差大，空间环境辐照稳定性差等不足之处，基于光谱设计和能带调控原理，旨在提供一种太阳光谱全反射型抗静电热控白漆及其制备方法，以同时获得高太阳热流反射率和抗静电特性的热控涂层，可应用于空间极端环境下服役的各类航天器表面热防护和工业被动辐射制冷等领域。
本发明是这样实现的：
一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层，其特征在于，按质量百分比计，所述的热控涂层由以下原料制成：超宽禁带氧化物颜料 30%~60%；水玻璃液体粘结剂 30%~50%；功能性助剂 2%~10%；其余为蒸馏水。超宽禁带氧化物颜料的涂层宜具有优异的防护粒子辐射稳定性，制备的涂层为水性环保涂料，可空气喷涂、刷涂或刮涂，具有室温固化特性。
进一步，所述的超宽禁带氧化物颜料为MgO、Ga2O3中的一种或两种的混合。
进一步，所述的水玻璃液体粘结剂为无机液态水玻璃粘结剂，所述的无机液态水玻璃粘结剂为钾水玻璃或者锂水玻璃。
进一步，所述的功能性助剂包括磷酸铝、氟化钙、KH560硅烷偶联剂中的一种或几种的混合。
本发明公开了太阳光谱全反射型抗静电热控涂层的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体为：
步骤一、取30%~60%的超宽禁带氧化物粉末颜料，将该颜料进行球磨处理；所述的超宽禁带氧化物粉末颜料为MgO、Ga2O3其中的一种或两种的混合物；
步骤二、称取30%~50%的水玻璃液体粘结剂，所述的水玻璃液体粘结剂为钾水玻璃或者锂水玻璃，将钾水玻璃或者锂水玻璃加入适量蒸馏水稀释，通过水解形成硅氧网络结构以使涂层成膜；
步骤三、将步骤一中的氧化物粉末均匀倒入步骤二的水玻璃液体粘结剂溶液中，加入再适量蒸馏水进行搅拌分散，转速控制在500~2000r/min，搅拌时间4h；
步骤四、称取2%~10%的功能性助剂加入到步骤三所述的溶液中并进行充分分散混合；所述的助剂为磷酸铝、氟化钙、KH560硅烷偶联剂其中的一种或几种混合；
步骤五、将所得涂层溶液进行200目过筛，通过空气喷涂、手工刷涂或刮涂制备热控涂层，进行80°干燥固化4h或静置室温干燥固化。
进一步，所述的步骤一中通过球磨将颜料粒径分布控制在100~800nm之间。
进一步，所述的水玻璃粘结剂制备通过将分析纯的碱金属氢氧化物和硅微粉粉末按摩尔比为2.5~5的比例加入蒸馏水中混合分散，放入水热反应釜于180℃静置100小时制备。
进一步，所述的碱金属氢氧化物为氢氧化锂或者氢氧化钠。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明通过光谱设计和能带调控，不仅实现对占据太阳辐照能量达99%以上的太阳辐射热流的全反射，同时基于无机氧化物半导体和离子化合物粘结剂的半导态特性，获得涂层的防静电性能。
本发明的涂层具有极高的太阳光谱全谱段反射能力、较低的表面电阻率和出色的空间环境辐照稳定性，涂层的太阳吸收比低至0.08~0.09，发射率为0.88~0.92，表面电阻率为105~107Ωm。可广泛应用于控温精度苛刻的航天器外表面热平衡控制和建筑物、大型油气罐、工业管道、武器战车辐射致冷等节能减排领域，特别适用于空间强光照、辐射、原子氧等环境下服役的平流层探测器及近地轨道航天器的服役需求。涂层制备工艺简单、水性环保、周期短、成本低、易于规模化生产。
附图说明
图1为本发明一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层及其制备方法的实施例1中制备的热控涂层表面形貌SEM照片；
图2为本发明一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层及其制备方法的实施例1制备的涂层样品在200nm～2500nm的光谱反射曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
（1）按质量百分比计，称取40%超宽禁带Ga2O3粉末颜料，通过球磨将颜料粒径分布控制在100~800nm；所述Ga2O3粉末颜料为分析纯及以上纯度。
（2）称取40%钾水玻璃粘结剂，加入10%蒸馏水稀释。钾水玻璃粘结剂制备方法为：将分析纯的氢氧化钾和硅微粉粉末按摩尔比为3的比例加入5%蒸馏水混合分散，放入水热反应釜于180℃静置100小时制备。
（3）将步骤（1）中研磨干燥的氧化镓粉末颜料均匀倒入钾水玻璃粘结剂溶液中，加入5%蒸馏水进行搅拌分散，转速控制在1000r/min，搅拌时间4h；
（4）称取5%的功能性助剂加入到步骤（3）所述的溶液中并进行充分分散混合。所述助剂为磷酸铝。
（5）将所得涂层溶液进行200目过筛，通过空气喷涂制备热控涂层，进行80°干燥固化4h。其中对该实施例制备的涂层进行检测，图1为热控涂层的表面形貌照片，可以看出，颜料被粘结剂完全包覆，涂层表面形貌均匀平坦。图2为太阳光谱全反射抗静电热控涂层的光谱反射率，图中下面的曲线为地球大气层外的标准太阳辐照光谱。可以看出，涂层在太阳辐射能量集中的200~1200nm波段内具有高达95%的太阳光谱反射率，表明本专利制备的涂层具有出色的太阳热流反射性能。制备的涂层厚度为200µm，涂层的太阳吸收比为0.088，发射率为0.086，涂层表面电阻率为107Ωm，经模拟GEO轨道10年的电子辐照注量后，as约退化量小于0.09。
实施例2
（1）按质量百分比计，称取30%的超宽禁带Ga2O3粉末颜料，通过球磨将颜料粒径分布控制在100~800nm；所述Ga2O3粉末颜料为分析纯及以上纯度。
（2）称取50%的锂水玻璃粘结剂，加入8%蒸馏水稀释。锂水玻璃粘结剂制备通过将分析纯的氢氧化锂和硅微粉粉末按摩尔比为2.5的比例加入4%蒸馏水混合分散，放入水热反应釜于180℃静置100小时制备。
（3）将步骤（1）中研磨干燥的氧化镓粉末颜料均匀倒入锂水玻璃粘结剂溶液中，加入4%蒸馏水进行搅拌分散，转速控制在1000r/min，搅拌时间4h；
（4）称取8%的功能性助剂加入到步骤（3）所述的溶液中并进行充分分散混合。所述助剂为KH560。
（5）将所得涂层溶液进行200目过筛，通过空气喷涂制备热控涂层，进行80°干燥固化4h。制备的涂层厚度为180µm，涂层的太阳吸收比为0.080，发射率为0.088，涂层表面电阻率为105Ωm。
实施例3
（1）按质量百分比计，称取50%超宽禁带MgO粉末颜料，通过球磨将颜料粒径分布控制在100~800nm；所述MgO粉末颜料为分析纯及以上纯度。
（2）称取40%钾水玻璃粘结剂，加入2%蒸馏水稀释。钾水玻璃粘结剂制备通过将分析纯的氢氧化钾和硅微粉粉末按摩尔比为4的比例加入2%蒸馏水混合分散，放入水热反应釜于180℃静置100小时制备。
（3）将步骤（1）中研磨干燥的MgO粉末颜料均匀倒入钾水玻璃粘结剂溶液中，加入3%蒸馏水进行搅拌分散，转速控制在800r/min，搅拌时间4h；
（4）称取5%的功能性助剂加入到步骤（3）所述的溶液中并进行充分分散混合。所述助剂为2%磷酸铝和3%氟化钙。
（5）将所得涂层溶液进行200目过筛，通过手动刷涂制备热控涂层，进行室温静置固化。制备的涂层厚度为350µm，涂层的太阳吸收比为0.088，发射率为0.92，涂层表面电阻率为107Ωm。
实施例4
（1）按质量百分比计，称取60%超宽禁带MgO粉末颜料，通过球磨将颜料粒径分布控制在100~800nm；所述MgO粉末颜料为分析纯及以上纯度。
（2）称取30%钾水玻璃粘结剂，加入6%蒸馏水稀释。钾水玻璃粘结剂制备通过将分析纯的氢氧化钾和硅微粉粉末按摩尔比为2.5的比例加入3%蒸馏水混合分散，放入水热反应釜于180℃静置100小时制备。
（3）将步骤（1）中研磨干燥的MgO粉末颜料均匀倒入钾水玻璃粘结剂溶液中，加入2%蒸馏水进行搅拌分散，转速控制在800r/min，搅拌时间4h；
（4）称取2%的功能性助剂加入到步骤（3）所述的溶液中并进行充分分散混合。所述助剂为2%磷酸铝和3%氟化钙。
（5）将所得涂层溶液进行200目过筛，通过手动刷涂制备热控涂层，进行室温静置固化。
实施例5
（1）按质量百分比计，称取40%超宽禁带Ga2O3粉末颜料，通过球磨将颜料粒径分布控制在100~800nm；所述Ga2O3粉末颜料为分析纯及以上纯度。
（2）称取40%钾水玻璃粘结剂，加入8%蒸馏水稀释。钾水玻璃粘结剂制备通过将分析纯的氢氧化钾和硅微粉粉末按摩尔比为5的比例加入4%蒸馏水混合分散，放入水热反应釜于180℃静置100小时制备。
（3）将步骤（1）中研磨干燥的氧化镓粉末颜料均匀倒入钾水玻璃粘结剂溶液中，加入2%蒸馏水进行搅拌分散，转速控制在1000r/min，搅拌时间4h；
（4）称取10%的功能性助剂加入到步骤（3）所述的溶液中并进行充分分散混合。所述助剂为磷酸铝。
（5）将所得涂层溶液进行200目过筛，通过空气喷涂制备热控涂层，进行80°干燥固化4h。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层，其特征在于，按质量百分比计，所述的热控涂层由以下原料制成：
超宽禁带氧化物颜料 30%~60%；
水玻璃液体粘结剂 30%~50%；
功能性助剂 2%~10%；
其余为蒸馏水；
所述的超宽禁带氧化物颜料为MgO、Ga2O3中的一种或两种的混合；所述的水玻璃液体粘结剂为无机液态水玻璃粘结剂，所述的无机液态水玻璃粘结剂为钾水玻璃或者锂水玻璃；
所述的热控涂层制备方法具体为：
步骤一、取30%~60%的超宽禁带氧化物颜料，将该颜料进行球磨处理；
步骤二、称取30%~50%的水玻璃液体粘结剂，所述的水玻璃液体粘结剂为钾水玻璃或者锂水玻璃，将钾水玻璃或者锂水玻璃加入适量蒸馏水稀释，通过水解形成硅氧网络结构以使涂层成膜；
步骤三、将步骤一中的氧化物粉末均匀倒入步骤二的水玻璃液体粘结剂溶液中，再加入适量蒸馏水进行搅拌分散，转速控制在500~2000r/min，搅拌时间4h；
步骤四、称取2%~10%的功能性助剂加入到步骤三所述的溶液中并进行充分分散混合；所述的助剂为磷酸铝、氟化钙、KH560硅烷偶联剂其中的一种或几种混合；
步骤五、将所得涂层溶液进行200目过筛，通过空气喷涂、手工刷涂或刮涂制备热控涂层，进行80℃ 干燥固化4h或静置室温干燥固化。
2.根据权利要求1所述的一种太阳光谱全反射型抗静电热控涂层，其特征在于，所述的步骤一中通过球磨将颜料粒径分布控制在100~800nm之间。
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