SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料及制备方法 【技术领域】
本发明涉及近地球轨道飞行器表面防腐蚀、抗辐射防护技术，具体为一种SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料及制备方法。
背景技术
近地球轨道环境中的原子氧(AO)对长期运行于其间的近地球轨道飞行器(如卫星、载人飞船、空间站和航天飞机等航天器以及各类空间探测器)是一个十分重要的环境条件。由于原子氧是强氧化剂，它腐蚀飞行器表面材料使其损失质量、降低材料的强度，改变材料的化学和热学性能，从而对飞行器的正常飞行构成危害。
目前所应用的空间材料多数不具有抵抗原子氧侵蚀的能力，为了改善空间材料抵抗原子氧侵蚀能力，在航天器材料外部采用耐原子氧的保护膜，在不改变原基材性质的基础上起到对材料的保护作用，延长其使用寿命。因此，发展有效的防护涂层就成为重要的研究方向。
空间环境复杂，直接受着原子氧侵蚀、紫外辐照、带电粒子辐照等综合效应的影响，这就需要防护涂层具有多元性，既能避免原子氧对材料的腐蚀，又应具抗紫外辐照能力，同时还要有良好的导电性能-防静电性能。有机硅防护涂层具有良好的抗原子氧性，被国外广泛用于材料的防护，但它属于电绝缘体，由于静电作用使涂层表面吸附污物，造成污染，加之有机涂层在空间环境中易产生气体，紫外照后出现收缩，开裂，脆化，变色等破坏行为，这些环境因素的结果导致涂层变坏，防护失效。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种抗原子氧侵蚀、防静电和防辐射的SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料，它克服了传统无机涂层质脆，多孔，对于基材体积变化适应性差地缺点，采用氧化硅、氧化锌为颜料和硅酸钾、硅丙乳液结合，使其具有防护原子氧的作用，并可提高漆膜的致密性、柔软性和流平性。
本发明的另一目的在于提供SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料的制备方法。
本发明的技术方案是：
一种SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料，包括硅丙乳液和浆料，其重量比为0.4～0.9∶1，其中浆料以重量百分比计，含有如下成分：
硅酸钾10～25；二乙醇胺0.2～0.4；六偏磷酸钠0.1～0.3；分散剂0.2～0.6；消泡剂0.1～0.4；轻质碳酸钙2～8；重质碳酸钙5～12；滑石粉2～10；云母2～10；氧化硅20～50；氧化锌4～7；水为余量。
上述的硅丙乳液和浆料，其重量比优选为0.4～0.7∶1，其中的浆料以重量百分比计，优选：
硅酸钾15～20；二乙醇胺0.25～0.35；六偏磷酸钠0.15～0.25；分散剂0.3～0.5；消泡剂0.2～0.3；轻质碳酸钙3～6；重质碳酸钙6～10；滑石粉3～8；云母3～8；氧化硅25～45；氧化锌4.5～6.5；水为余量。
上述消泡剂为聚醚改性的甲基聚硅氧烷。
上述SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料的制备方法为：
(1)按所述涂料中的成分含量，称取硅酸钾溶于水，再加入稳定剂二乙醇胺搅拌均匀，调整pH值在11～13的范围内，得到酸改性的水玻璃基料；
(2)按所述涂料中的成分含量，加入六偏磷酸钠溶解后所得的水溶液，再投入消泡剂和分散剂；
(3)按所述涂料中的成分含量，加入填料轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉、云母、氧化硅和氧化锌，分散、研磨，制成浆料；
(4)按所述比例，将硅丙乳液加入到浆料中，均匀搅拌获得SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料。
步骤(1)中所述硅酸钾与水的比例，可根据需要进行调配，水多浆料稀，水少浆料干，通常硅酸钾与水的重量比为0.35～0.55∶1。
步骤(1)中所述pH值的调整采用硫酸、盐酸、磷酸或硝酸。
本发明的优点及效果：
本发明研制出了可防原子氧侵蚀、防静电和防辐射的无机涂料，提高了原子氧防护涂层的致密性、柔韧性、流平性。近地球轨道飞行器防护涂层的粘结剂在宇宙空间要有很高的稳定性，一般来说，无机粘结剂的抗紫外辐照能力较强，来源丰富，空间稳定性好，导电性好等优点，本发明以硅酸钾为粘结剂，采用氧化硅为颜料，研制的氧化硅-硅酸钾涂料用于原子氧防护，迄今为止尚无先例，涂层既具有防静电能力又能阻止原子氧侵蚀，是较理想的防护涂层，在制备氧化硅-硅酸钾涂料发现，如果单独选用SiO2作颜料，即使加入有机高分子乳液，得到的涂料也仍会出现裂纹，通过添加氧化锌后消除涂层易出现龟裂的现象，由于应力相应减少，弥补了上述的缺陷，经性能检测，达到满意的效果，具有无机涂料和有机涂料的长处，大量的试验证明：该涂层的空间行为稳定、抗原子氧效果显著，起到了对空间材料的保护作用。
【附图说明】
图1为本发明SiO2-硅酸钾涂层经AO辐照前的XRD谱图。
图2为本发明SiO2-硅酸钾涂层经AO辐照后的XRD谱图。
图3为本发明SiO2-硅酸钾涂层经AO辐照前后的FTIR谱图。
【具体实施方式】
实施例1
取硅酸钾80g和水200g投入到搅拌罐中，开动搅拌机搅拌均匀，再加入稳定剂二乙醇胺2g搅拌均匀，将工业硫酸稀释成为10％(体积浓度)的稀硫酸，慢慢加入到搅拌罐中，使pH值控制在11～13的范围内，加入量为2g，得到酸改性水玻璃基料。将六偏磷酸钠1.5g溶解成10％水溶液投入到搅拌罐中，再投入消泡剂聚醚改性的甲基聚硅氧烷1.5g(产自于德国Bayer公司，产品型号为VP3468)和ND型分散剂2g(磷酸盐/胺的化合物，产自于德国Bayer公司)搅拌均匀。将各种填料轻质碳酸钙15g、重质碳酸钙40g、滑石粉15g、云母15g、氧化锌28g和氧化硅150g投入到搅拌罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料。使用时按1∶0.4比例(浆料∶硅丙乳液)加入硅丙乳液，混合浆料要保持充分搅拌状态，均匀搅拌获得SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料。
实施例2
取硅酸钾86g和水180g投入到搅拌罐中，开动搅拌机搅拌均匀，再加入稳定剂二乙醇胺1.7g搅拌均匀，将工业硫酸稀释成为10％(体积浓度)的稀硫酸，慢慢加入到搅拌罐中，使pH值控制在11～13的范围内，加入量为2.5g，得到酸改性水玻璃基料。将六偏磷酸钠1g溶解成10％水溶液投入到搅拌罐中，再投入消泡剂聚醚改性的甲基聚硅氧烷1g(产自于德国Bayer公司，产品型号为VP3468)和ND型分散剂2g(磷酸盐/胺的化合物，产自于德国Bayer公司，即)搅拌均匀。将各种填料轻质碳酸钙25g、重质碳酸钙45g、滑石粉25g、云母25g、氧化锌28g和氧化硅140g投入到搅拌罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料。使用时按1∶0.6比例(浆料∶硅丙乳液)加入硅丙乳液，混合浆料要保持充分搅拌状态，均匀搅拌获得SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料。
实施例3
取硅酸钾105g和水200g投入到搅拌罐中，开动搅拌机搅拌均匀，再加入稳定剂二乙醇胺1.6g搅拌均匀，将工业硫酸稀释成为10％(体积浓度)的稀硫酸，慢慢加入到搅拌罐中，使pH值控制在11～13的范围内，加入量为3g，得到酸改性水玻璃基料。将六偏磷酸钠1g溶解成10％水溶液投入到搅拌罐中，再投入消泡剂聚醚改性的甲基聚硅氧烷1.2g(产自于德国Bayer公司，产品型号为VP3468)和ND型分散剂2g(磷酸盐/胺的化合物，产自于德国Bayer公司)搅拌均匀。将各种填料轻质碳酸钙20g、重质碳酸钙40g、滑石粉20g、云母20g、氧化锌28g和氧化硅180g投入到搅拌罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料。使用时按1∶0.9比例(浆料∶硅丙乳液)加入硅丙乳液，混合浆料要保持充分搅拌状态，均匀搅拌获得SiO2-硅酸钾原子氧防护涂料。
本发明所制备的防护涂层在北京卫星环境工程研究所的地面模拟空间原子氧环境装置中进行测试，以检验原子氧对涂层的影响，原子氧的辐照的参数为：原子氧通量，3.39×1015/cm2·s；真空度(工作状态)，8×10-3Pa；微波源电流，80～110mA；氧气的放电气压，10-1Pa；辐照时间，40h；原子氧能量，5～10eV，基本与近地球轨道环境原子氧参数相吻合。
1.涂层基本性能测试
涂层的附着力、冲击强度和漆膜弹性试验按GB1720-89、GB/T1732-93和GB1731-79标准测试。
将试样在漆膜弹性测试仪上进行弯曲试验，支点的曲率半径为1mm，样品涂层面朝外能弯曲至基本对叠而涂层无裂痕、无脱落。试验结果表明：该原子氧防护涂层与基材的附着力好(1级)，耐冲击性强(50kg/cm)，且柔软性好。
2.涂层抗热震性能及耐温试验
对该涂层进行冷热交变试验，将涂层试片在液氮中停留一分钟，放入120℃烘箱停留4分钟，这样反复20次，涂层无剥落和开裂，表面状态良好。
3.潮湿环境的影响
涂层试样在温度为35℃±2℃，湿度为75～80％的恒温恒湿箱内存放二星期，涂层保持原有光泽，表面没有任何变化。
4.抗静电能力
在地球同步轨道上，卫星表面因带电粒子的撞击而充电，若表面是电绝缘的，充电电位可达数千伏，到达一定电位后突然放电，会干扰卫星上电子设备工作，引起卫星故障，因此卫星上的热控涂层还要有抗静电能力，通过试验测量，该涂层表面电阻为104～105Ω/m，达到防静电指标要求(＜106Ω/m)。
实验证明及比较例：
将制备的涂层试样(实施例1所给出的配料比)，置于原子氧侵蚀模拟实验装置中进行辐照实验，辐照处理一段时间后，取样立即称重，对试样进行FTIR、XRD测试分析。
涂层经过原子氧辐照后，对涂层进行XRD分析，原子氧侵蚀前后SiO2-硅酸钾涂层(见图1、2)的各物质的特征衍射峰位基本没有变化，也没有新的物相生成，其晶态稳定。从XRD分析结果看，AO侵蚀前后涂层表面的物质结构没有改变，涂层在原子氧环境下很稳定。
对SiO2-硅酸钾涂层进行FTIR分析，SiO2-硅酸钾涂层(见图3)侵蚀前后所有的特征都未发生改变，可见该涂层在原子氧环境下是非常稳定的。
比较例：
选用不同的防护涂层(醇酸树脂、环氧树脂、聚胺脂、有机硅树脂和SiO2-硅酸钾)进行原子氧辐照后，测出试样的质量变化列于表1。从测试结果看，本发明SiO2-硅酸钾涂层和其它涂层经原子氧辐照质量损失相比，SiO2-硅酸钾涂层质量损失最小、最稳定。
表1
试样 原子氧辐照前 原子氧辐照后 ΔWg/cm2
W(g) W(g)
SiO2-硅酸钾 3.87075 3.86926 0.00149
Epoxy(环氧树脂) 2.21843 2.21663 0.00180
Alkyd(聚胺脂) 2.51072 2.50864 0.00208
Urethane(醇酸树脂) 2.54553 2.54365 0.00188
W30-1(有机硅树脂) 2.46257 2.46114 0.00172