[发明专利]一种原位水解法制备耐原子氧聚酰亚胺材料的方法

说明书

一种原位水解法制备耐原子氧聚酰亚胺材料的方法，制得的聚酰亚胺材料由SiO₂和聚酰亚胺组成，整体为致密SiO₂层@(SiO₂/PI互穿网络层)@(SiO₂颗粒/PI杂化层)的结构特征，具有三级抗原子氧功能，抗原子氧性能优异。该材料的制备方法包括首先将硅化合物加入到聚酰胺酸溶液中，搅拌形成均一混合溶液，然后经过流延成膜、预环化和热诱导迁移聚集、原位水解和高温热处理，最终制得耐原子氧聚酰亚胺膜层材料。本发明的方法实施过程简单，条件易满足，适用于所有体系的聚酰亚胺，并且所制得的耐原子氧聚酰亚胺膜层材料具有结构致密、无开裂和界面粘结性能优异的优点。

技术领域

本发明属于聚酰亚胺薄膜技术领域，尤其是涉及一种原位水解法制备耐原子氧聚酰亚胺材料的方法。

背景技术

聚酰亚胺(PI)薄膜作为一类综合性能十分优异的芳杂环聚合物材料，以其优异的耐高低温性能、力学性能、绝缘性能、耐空间辐照性能和阻燃自熄的特性，成为航空航天领域不可或缺的高性能材料之一，被大量应用于空间飞行器的热控材料、轻质太阳能电池阵列的柔性基板以及电路系统的绝缘保护层等。

然而，空间站、太空飞船、航天飞机以及大多数卫星等空间飞行器主要运行于低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)，而该环境中的主要成分之一就是具有强氧化能力的原子氧(atomic oxygen)。航天器是长时间高速度运行在LEO中，所以加强了原子氧侵蚀撞击航天器表面的能力，导致PI薄膜化学键的断裂和表面元素的变化，进一步造成PI薄膜的厚度和质量的逐渐减小，致使热学、光学和力学性能退化和逐步失效。由于原子氧是一种极强氧化剂，可与材料发生多种相互作用，原子氧与紫外的协合作用能够显著加快材料的损伤过程，并诱发各种表面化学或物理损伤。如果将PI薄膜直接暴露于富含原子氧的环境中，长时间服役最终将会导致其完全氧化分解成为碳氧和碳氮等气体挥发物，这些逸出物还有可能对航天器造成后果更为严重的二次污染，从而严重影响航天器的设计状态和使用寿命。

因此，原子氧成为PI薄膜在LEO中工作影响最为严重的空间环境因素之一。提高PI薄膜的抗原子氧能力，开发出具有优异耐原子氧性能的PI膜层材料，对于保障我国LEO轨道空间飞行器的在轨使用寿命及可靠性具有直接而重要的意义，也是当前我国航空航天发展的迫切需求。目前改性PI薄膜材料的方法主要有两种：一是通过在PI分子结构中引入某些特定的基团或原子(如磷、硅)，利用它们可与原子氧作用生成钝化层的特性，赋予PI抗原子氧性能，如专利CN101402796A曾采用此方法制备出抗原子氧剥蚀的聚酰亚胺材料。该方法虽然可改善PI的抗原子氧特性，但是实际效果并不尽理想。二是在聚酰亚胺薄膜的表面直接涂覆具有抗原子氧特性的涂层，如SiO₂、Al₂O₃等。在新的可替代的耐原子材料研制出来以前，在聚酰亚胺表面涂覆抗原子氧涂层被认为是当前最为便捷有效的途径，如专利CN1629225A曾公开了一种在聚酰亚胺薄膜表面涂覆抗原子氧涂层的方法。但是因异质界面的存在，当前采用直接外部涂覆法所制得的材料，涂层与PI基体之间往往呈完全分离的状态，没有很强的相互作用，极易发生涂层断裂、分层、脱落的现象，尤其是在剧烈的冷热循环情况下。

发明内容

本发明的目的在于解决现有材料和技术的不足，提供一种原位水解法制备耐原子氧聚酰亚胺材料的方法。本发明的方法实施过程简单，条件易满足，适用于所有体系的聚酰亚胺，并且所制得的耐原子氧聚酰亚胺膜层材料具有结构致密、无开裂和界面粘结性能优异的特点。

原位水解法制备的耐原子氧聚酰亚胺材料，由SiO₂和聚酰亚胺组成，该膜层材料在厚度方向上自上而下由三层组成，SiO₂浓度呈梯度递减分布；最上层为致密SiO₂层，中间过渡层是由SiO₂层与聚酰亚胺基体之间形成的互穿网络互锁结构层，下层是由SiO₂颗粒与聚酰亚胺形成的掺杂结构。