一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜、制备方法及其应用与流程

1.本发明涉及功能性聚酰亚胺薄膜技术领域，尤其涉及一种高强度耐原子氧聚酰亚胺 透明薄膜、制备方法及其应用。


背景技术：

2.大部分航天器运行在距地面200～700km的低地球轨道(low earth orbit，leo)。在 这个轨道高度上有诸多环境因素影响航天器的运行和工作寿命，例如热循环、空间碎片、 紫外辐照和空间原子氧，其中原子氧(atomic oxygen，ao)被证明是最重要和最危险的影 响因素。低地球轨道运行的航天器与运行轨道中的原子氧发生撞击，其相对速度大约为 8km/s，撞击冲量大约为1014～1015/cm2·
s，会在航天器表面产生大约4～5ev的撞 击能，这足以使航天器表面的多数有机材料发生化学断键并被氧化，导致其性能退化。
3.近年来，聚合物材料的原子氧效应研究受到了越来越广泛的重视，它不仅是leo空间 环境效应研究中的一项重要内容，同时也是航天器设计所必须考虑的关键因素之一。聚酰 亚胺(polyimide，pi)是航空航天领域中的一种常见材料，为了能够有效降低原子氧对航 天器表面产生的侵蚀，常用的方法有以下两种：一是表面涂层法，即在高聚物表面涂覆不 与原子氧反应的保护涂层，如sio2与al2o3等来改善ao对空间材料的侵蚀；二是基体强 化法，即将抗原子氧侵蚀性能好的硅、磷、锆、锡等元素，引入到聚合物基体中，利用上 述元素在空间原子氧环境中具有“自愈合”或“自修复”功能来提高空间材料的抗原子氧 性能。
4.聚酰亚胺(pi)材料因其突出的热稳定性和机械性能等特性，在航空航天领域具有重 要应用，例如可作为航天飞行器的结构复合材料、太阳能电池阵列的柔性基板等。航天飞 行器在低地轨道(leo)面临诸多恶劣环境考验，包括真空紫外线(vuv)辐射、原子氧(ao) 攻击和高低温热循环等，这会严重影响pi材料的使用性能和航天飞行器的安全及寿命。 其中，ao侵蚀破坏是pi材料在近地轨道环境下面临的最严重危害之一。因此，如何提高 pi材料的耐原子氧性能是面临的重要技术挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜、制备方法及其应用， 其力学性能和机械性能好，拉伸强度高，最高抗拉强度均高达89mpa左右，具有优异的耐 原子氧性，因此可以解决背景技术中涉及的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜，通过在聚丙烯酸中按重量百分比掺杂2-3％ 的2,5-双{[4-氨基苯氧基]苯基}二苯基氧膦、10-15％的超支化聚硅氧烷以及4-6％的纳米 sio2制备而成。
[0008]
作为本发明的一种优选改进：按重量百分比掺杂2％的2,5-双{[4-氨基苯氧基]苯基} 二苯基氧膦、10％的超支化聚硅氧烷以及4％的纳米sio2。
[0009]
作为本发明的一种优选改进：按重量百分比掺杂3％的2,5-双{[4-氨基苯氧基]苯
基} 二苯基氧膦、15％的超支化聚硅氧烷以及6％的纳米sio2。
[0010]
本发明还提供了一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0011]
步骤一、将二苯基氧膦溶于非质子强极性溶剂中，搅拌后形成均相溶液，加入二氧化 硅前驱体，在30-45℃温度下搅拌，制成浆液；
[0012]
步骤二、将上述浆液中加入聚酰氨酸前驱体，加热到170-180℃，反应8-10小时后， 得到浅表层富集二氧化硅前驱体的聚酰亚胺薄膜；
[0013]
步骤三、对所述的聚酰亚胺薄膜进行表面酸化处理，在聚酰亚胺薄膜表面原位诱导生 成二氧化硅溶胶层；
[0014]
步骤四、继续加热，直至熔化，搅拌，得到聚酰氨酸胶浆；
[0015]
步骤五、按重量百分比，将10-15％的超支化聚硅氧烷、2-3％的2,5-双{[4-氨基苯氧 基]苯基}二苯基氧膦以及4-6％的纳米sio2加入至聚酰氨酸胶浆，搅拌均匀；
[0016]
步骤六、流延，得到高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜。
[0017]
作为本发明的一种优选改进：在步骤一中，搅拌速度为600-800转/分钟。
[0018]
作为本发明的一种优选改进：在步骤三中，酸化处理时间为12-15小时。
[0019]
作为本发明的一种优选改进：在步骤四中，加热温度变化率为5-7℃/分钟。
[0020]
作为本发明的一种优选改进：在步骤四中，搅拌速度为200-250转/分钟。
[0021]
作为本发明的一种优选改进：在步骤六中，流延厚度为0.1-0.15毫米。
[0022]
本发明还提供了一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜的应用，将提供的高强度耐原 子氧聚酰亚胺透明薄膜用于航天飞行器表面保护。
[0023]
与相关技术相比，本发明提供的一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜、制备方法及 其应用具有如下优点：力学性能和机械性能好，拉伸强度高，最高抗拉强度均高达89mpa 左右，具有优异的耐原子氧性。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于 本发明保护的范围。
[0025]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅 用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发 生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0026]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解 为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、
ꢀ“
第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个
”ꢀ
的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0027]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解， 例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也 可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的 连通
或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0028]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技 术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术 方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0029]
本发明提供了一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜，通过在聚丙烯酸中按重量百分 比掺杂2-3％的2,5-双{[4-氨基苯氧基]苯基}二苯基氧膦、10-15％的超支化聚硅氧烷以及 4-6％的纳米sio2制备而成。
[0030]
下面以具体实施例1和2对本发明提供的一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜进行 详细说明。
[0031]
实施例1
[0032]
本发明提供了一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜，通过在聚丙烯酸中按重量百分 比掺杂2％的2,5-双{[4-氨基苯氧基]苯基}二苯基氧膦、10％的超支化聚硅氧烷以及4％的纳 米sio2制备而成。
[0033]
实施例2
[0034]
本发明提供了一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜，通过在聚丙烯酸中按重量百分 比掺杂3％的2,5-双{[4-氨基苯氧基]苯基}二苯基氧膦、15％的超支化聚硅氧烷以及6％的纳 米sio2制备而成。
[0035]
本发明还提供了一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0036]
步骤一、将二苯基氧膦溶于非质子强极性溶剂中，搅拌后形成均相溶液，加入二氧化 硅前驱体，在30-45℃温度下搅拌，制成浆液；
[0037]
步骤二、将上述浆液中加入聚酰氨酸前驱体，加热到170-180℃，反应8-10小时后， 得到浅表层富集二氧化硅前驱体的聚酰亚胺薄膜；
[0038]
需要进一步说明的是，使用搅拌机进行搅拌，且搅拌速度为600-800转/分钟。
[0039]
步骤三、对所述的聚酰亚胺薄膜进行表面酸化处理，在聚酰亚胺薄膜表面原位诱导生 成二氧化硅溶胶层；
[0040]
需要进一步说明的是，酸化处理时间为12-15小时。
[0041]
步骤四、继续加热，直至熔化，搅拌，得到聚酰氨酸胶浆；
[0042]
需要进一步说明的是，在反应釜中进行加热，且加热温度变化率为5-7℃/分钟；使用 搅拌机进行搅拌，且搅拌速度为600-800转/分钟。
[0043]
步骤五、按重量百分比，将10-15％的超支化聚硅氧烷、2-3％的2,5-双{[4-氨基苯氧 基]苯基}二苯基氧膦以及4-6％的纳米sio2加入至聚酰氨酸胶浆，搅拌均匀；
[0044]
步骤六、流延，得到高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜。
[0045]
需要进一步说明的是，在步骤六中，流延厚度为0.1-0.15毫米。
[0046]
本发明还提供了一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜的应用，将提供的高强度耐原 子氧聚酰亚胺透明薄膜用于航天飞行器表面保护，经过检测发明，本发明提供的高强度耐 原子氧聚酰亚胺透明薄膜贴附在航空航天器的表面上，可以经受住高温的炙烤，且脱落少， 散温快，薄膜的物理性能稳定，不但可以抗高温炙烤，还可以经受住宇宙中低温的考
验， 且不容易脱落，并且，也不容易与其它物质产生化学反应，经受住诸多恶劣环境考验，包 括真空紫外线(vuv)辐射、原子氧(ao)攻击和高低温热循环等，可以有效提高航天飞 行器的安全及寿命。
[0047]
事实上，经过研究发现，本发明提供的高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜，反应性超 支化聚硅氧烷(hbpsi)的引入聚酰胺酸(paa)中，可显著提高pi薄膜的耐原子氧性能， 但随着hbpsi加入量的不断增加，杂化薄膜的机械性能逐渐降低，特别是当加入量超过 20wt％时力学性能降低明显。
[0048]
为平衡薄膜的耐原子氧性和机械性能，研究人员对pi薄膜上下表面的hbpsi含量进 行了针对性设计。顶面设计成高的hbpsi含量，而衬底面则含有低的hbpsi含量，以保持 薄膜高的机械强度，研究发现，独特结构的两面性pi复合薄膜兼具出色耐原子氧性和良 好机械性能。xps结果表明，反应性hbpsi在pi复合薄膜的最表面形成了二氧化硅保护层， 可有效防止下面pi基体材料的进一步降解。也就是说，两面性pi复合薄膜的力学性能得 到明显改善。
[0049]
sem与afm结果表明，两面性pi复合薄膜在侵蚀后能很好地保持其表面形态和完整性， 并且表现出更高的透光率。
[0050]
与相关技术相比，本发明提供的一种高强度耐原子氧聚酰亚胺透明薄膜、制备方法及 其应用具有如下优点：力学性能和机械性能好，拉伸强度高，最高抗拉强度均高达89mpa 左右，具有优异的耐原子氧性。
[0051]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用， 它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现 另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特 定的细节。