【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种空间抗原子氧/防静电复合防护涂层及其制备方法与应用，具体涉及一种还原氧化石墨烯/水滑石的抗原子氧/防静电复合防护涂层及其制备方法，主要应用于满足低轨航天器防静电、抗原子氧防护需求，属于航天材料空间环境防护应用。
技术介绍
1、聚合物材料具有强度高、韧性好、高低温性能好等优异特点，在仿生、催化、功能转换等功能领域都具有广阔的应用前景。这其中，聚酰亚胺(polyimide,pi)是一种具有优异的耐高低温性能、力学性能、绝缘性能，耐辐照性能等的聚合物材料，广泛应用于航天器的电源、热控等系统表面。航天器在低地球轨道(low earth orbit，leo)服役的过程中，会受到环境中的原子氧(atomic oxygen，ao)的侵蚀，对暴露在航天器表面的聚合物材料具有破坏的侵蚀作用，以及环境中的等离子体短时间放电会导致结构故障。随着对高稳定、轻量化、长寿命航天器材料的需求，需要提高聚合物表面抗原子氧及防静电性能。
2、目前，对pi表面的抗原子氧防静电防护手段主要分为体材改性与表面改性两大类。体材改性是通过将具有导电能力、抗原子氧性能的物质加入聚酰亚胺的前驱体中，改变聚合物的主链或基团结构，降低相关力学性能，并且很难形成致密的组织结构，对抗原子氧性能的改善程度有限。而表面防护技术区别于体材防护，可以在保持聚合物基底机械性能的同时，结合涂层良好的防护性能，成为了当前应用最为广泛的抗原子氧复合防静电防护手段。氧化铟锡兼具优异的光学和电学性能，以及致密抗原子氧惰性结构，因此成为了改善航天器表面材料导电性和抗原子氧性能
3、因此，制备具有良好力学性能，兼具抗原子氧复合防静电需求的涂层材料，对于实现航天器在轨环境的长期运行具有重要的意义。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术提出了一种抗原子氧复合防静电功能的无机涂层及其制备方法，通过调控涂层的组成成分和微观结构，提高涂层的抗原子氧、防静电、机械性能，旨在满足空间环境中航天器材料的使用需求。
2、第一方面，本专利技术提供了一种抗原子氧/防静电复合防护涂层，包括：聚合物基体，以及形成在聚合物基体表面的还原氧化石墨烯/水滑石防护层；所述还原氧化石墨烯/水滑石防护层为包含硅烷偶联剂、还原氧化石墨烯和水滑石纳米片的复合层。
3、本专利技术中提供一种还原氧化石墨烯/水滑石复合体系进行抗原子氧复合防静电功能改性的方法。在本专利技术中，抗原子氧/防静电复合防护涂层包括：具有规则六边形结构的纳米片层水滑石、还原氧化石墨烯、少量硅烷偶联剂形成的柔性多元涂层。本方法利用硅烷偶联剂水解产生的氨基和羟基，与水滑石纳米片表面的羟基、pi表面的羟基、羧基分别键合，增加有机基体与无机涂层之间的结合性。还原氧化石墨烯/水滑石具有高度取向的层状结构，在面对应力集中问题时，可以通过二维材料层间的剪切和滑移变形释放应力，降低材料的脆性和刚性，提高抗剥落和开裂性能。特别是，还原氧化石墨烯与水滑石的叠层分布可以有效阻碍原子氧的入侵，以多次反弹或吸附的形式消耗原子氧入侵时的动能，具有优异的抗原子氧侵蚀性能。而且，还原氧化石墨烯与水滑石叠层形成的二维导电网络，可以有效防止局部放电导致的静电击穿。
4、较佳的，所述还原氧化石墨烯的厚度为0.5～3nm，直径为0.5～5μm；
5、所述水滑石纳米片的厚度为0.5～20nm，外接圆直径为50～400nm；
6、其中，还原氧化石墨烯和水滑石纳米片叠层形成二维导电网络。
7、较佳的，所述水滑石纳米片的摩尔化学组成为[m2+1-x m3+x(oh)2]x+an-x/n·mh2o，其中m2+为二价金属阳离子，优选为mg2+、ni2+、co2+、zn2+、cu2+中的至少一种；m3+为三价金属阳离子，优选为al3+、cr3+、fe3+、sc3+中的至少一种；an-为co32-、no3-、cl-、oh-、so42-、po43-、c6h4(coo)22-中的至少一种；x＝0.17～0.33。
8、较佳的，所述硅烷偶联剂选自氨烃基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的至少一种；所述氨烃基硅烷选自n-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷中至少一种，优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷；
9、其中，硅烷偶联剂同时分别与聚合物基体和还原氧化石墨烯发生键合反应。
10、本专利技术中，利用还原氧化石墨烯的高导电性以及良好的柔性，与具有层状结构的水滑石相结合，从微观结构层面实现了抗原子氧复合防静电功能。利用硅烷偶联剂与pi基体、还原氧化石墨烯/水滑石的键合作用，增加了涂层与基底间的结合性。利用对聚酰亚胺的改性处理，使其表面形成自由基团，易与无机涂层体系键合，提高结合力。
11、较佳的，所述还原氧化石墨烯和水滑石纳米片总质量和硅烷偶联剂体积的比为18mg:(1～8)μl。
12、较佳的，所述还原氧化石墨烯和水滑石纳米片的质量比为0.01～0.8，优选为0.043～0.396:1。
13、较佳的，所述还原氧化石墨烯/水滑石防护层的厚度为50nm～5μm。
14、较佳的，所述聚合物基体为含有羟基、羧基的聚合物基体或经改性表面生成羟基、羧基的聚合物基体，优选为聚酰亚胺基体、聚四氟乙烯基体或聚酯基体；
15、更优选地，改性为酸/碱改性。
16、第二方面，本专利技术提供了一种抗原子氧/防静电复合防护涂层的制备方法，包括：在含有还原氧化石墨烯/水滑石纳米片的水分散液中加入经水解后的硅烷偶联剂并混合，然后涂覆聚合物基体表面，最后在80～300℃下热处理3以上，得到所述抗原子氧/防静电复合防护涂层；优选地，所述热处理的温度为80～200℃，时间为3～12小时。
17、较佳的，所述聚合物基体通过表面改性形成含有羟基、羧基的基团；
18、优选地，所述聚合物基体表面经过酸碱改性；所述酸碱改性包括碱处理和酸处理。
19、更优选地，将聚合物基体分别在浓度为0.5～4mol/l的naoh溶液和浓度为0.5～4mol/l的醋酸溶液中处理0.5～4h，然后经清洗和干燥，得到具有表面活性基团(羟基、羧基)的聚合物基体。
20、较佳的，将硅烷偶联剂和水混合后搅拌1～48小时，得到经水解后的硅烷偶联剂；优选地，所述硅烷偶联剂和水的体积比为1:(0.01～1)。
21、较佳的，所述含有还原氧化石墨烯/水滑石纳米片的水分散液的制备方法包括：
22、将m2+盐、m3+盐作为水滑石前驱体加入还原氧化石墨烯水溶液中，再加入碱溶液并搅拌调节ph至9～10，继续搅拌均匀后静置，得到黑色悬浊液；
23、将所得到黑色悬浊液经过洗涤，得到沉淀物本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，包括：聚合物基体，以及形成在聚合物基体表面的还原氧化石墨烯/水滑石防护层；所述还原氧化石墨烯/水滑石防护层为包含硅烷偶联剂、还原氧化石墨烯和水滑石纳米片的复合层。
2.根据权利要求1所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯的厚度为0.5～3nm，直径为0.5～5μm；
3.根据权利要求1或2所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述水滑石纳米片的摩尔化学组成为[M2+1-x M3+x(OH)2]x+An-x/n·mH2O，其中M2+为二价金属阳离子，优选为Mg2+、Ni2+、Co2+、Zn2+、Cu2+中的至少一种；M3+为三价金属阳离子，优选为Al3+、Cr3+、Fe3+、Sc3+中的至少一种；An-为CO32-、NO3-、Cl-、OH-、SO42-、PO43-、C6H4(COO)22-中的至少一种；x＝0.17～0.33。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自氨烃基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷、γ
5.根据权利要求1-4中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯和水滑石纳米片总质量和硅烷偶联剂体积的比为18mg:(1～8)μL。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯和水滑石纳米片的质量比为0.01～0.8。
7.根据权利要求1所-6中任一项述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯/水滑石防护层的厚度为50nm～5μm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述聚合物基体为含有羟基、羧基的聚合物基体或经改性表面生成羟基、羧基的聚合物基体，优选为聚酰亚胺基体、聚四氟乙烯基体或聚酯基体；
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层的制备方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述含有还原氧化石墨烯/水滑石纳米片的水分散液的制备方法包括：
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物基体通过表面改性形成含有羟基、羧基的基团；
12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，将硅烷偶联剂和水混合后静置1～48小时，得到经水解后的硅烷偶联剂；优选地，所述硅烷偶联剂和水的质量比为1：(0.01～1)。
13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，含有还原氧化石墨烯/水滑石纳米片的水分散液中还原氧化石墨烯/水滑石纳米片的总浓度为0.5～20mg/mL，优选为6mg/mL；所述混合的方式为搅拌，所述搅拌的转速为100～900rpm。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆的次数至少为1次；
15.一种如权利要求1-8中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层的制备方法，其特征在于，包括：
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物基体通过表面改性形成含有羟基、羧基的基团；
17.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，将硅烷偶联剂和水混合后静置1～48小时，得到经水解后的硅烷偶联剂；优选地，所述硅烷偶联剂和水的质量比为1：(0.01～1)。
18.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，将氧化石墨烯分散液和水滑石纳米片溶液混合，得到所述含有氧化石墨烯/水滑石纳米片的水分散液；
19.根据权利要求15-18中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆的次数至少为1次；
...【技术特征摘要】
1.一种抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，包括：聚合物基体，以及形成在聚合物基体表面的还原氧化石墨烯/水滑石防护层；所述还原氧化石墨烯/水滑石防护层为包含硅烷偶联剂、还原氧化石墨烯和水滑石纳米片的复合层。
2.根据权利要求1所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯的厚度为0.5～3nm，直径为0.5～5μm；
3.根据权利要求1或2所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述水滑石纳米片的摩尔化学组成为[m2+1-x m3+x(oh)2]x+an-x/n·mh2o，其中m2+为二价金属阳离子，优选为mg2+、ni2+、co2+、zn2+、cu2+中的至少一种；m3+为三价金属阳离子，优选为al3+、cr3+、fe3+、sc3+中的至少一种；an-为co32-、no3-、cl-、oh-、so42-、po43-、c6h4(coo)22-中的至少一种；x＝0.17～0.33。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自氨烃基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的至少一种；所述氨烃基硅烷选自n-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷中至少一种，优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷；
5.根据权利要求1-4中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯和水滑石纳米片总质量和硅烷偶联剂体积的比为18mg:(1～8)μl。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯和水滑石纳米片的质量比为0.01～0.8。
7.根据权利要求1所-6中任一项述的抗原子氧/防静电复合防护涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯/水滑石防护层的厚度为50nm～5μm。
8.根据权利要求1-7...
【专利技术属性】
技术研发人员：谷红宇，徐梦芸，章俞之，张锦麟，吕少波，唐登航，孙瑞，李昊耕，宋力昕，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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