一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜，所述聚合物复合薄膜包括聚合物薄膜层和镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层，通过在所述聚合物薄膜层的至少一面均匀镶嵌空心SiO2纳米粒子，在聚合物薄膜层表面形成所述镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层。还公开了所述聚合物复合薄膜的制备方法，包括：依次在刚性基材上制备空心SiO2纳米粒子层和聚合物薄膜层，固化后剥离刚性基材，得到单面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜，在单面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜的基础上可进一步制备双面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜。所得聚合物复合薄膜能同时实现增透与抗原子氧剥蚀的性能，制备操作简单。

Polymer composite film for enhancing and resisting atomic oxygen denudation and preparation method thereof

The invention discloses a polymer composite film antireflection and atomic oxygen resistance, the polymer composite film comprises a polymeric film layer and inlaid with hollow SiO2 nanoparticles organic inorganic compound layer, the polymer film layer and at least one side of the hollow SiO2 nanoparticles are uniformly embedded in the mosaic, forming polymer film layer the surface layer of organic and inorganic composite hollow SiO2 nanoparticles. Including the preparation method, also discloses the polymer composite films are on rigid substrates prepared hollow SiO2 nanoparticles layer and the polymer film layer after curing, stripping the rigid substrate, polymer composite film embedded single hollow SiO2 nanoparticles, polymer based composite film hollow SiO2 nanoparticles embedded in the side with the further preparation of polymer composite films by double inlaid hollow SiO2 nanoparticles. The obtained polymer composite film can realize the performance of antireflection and atomic oxygen denudation at the same time, and the preparation is simple.

【技术实现步骤摘要】
一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜及其制备方法
本专利技术属于聚合物薄膜材料领域，具体涉及一种同时实现增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜及其制备方法。
技术介绍
聚合物薄膜由于其在重量、柔韧性、比强度、比刚度及热膨胀系数等方面的优势，而被广泛地用作航天器表面材料、轻质基底和结构材料。大量空间飞行试验及地面模拟试验表明，当航天器在空间低地球轨道环境中运行时，原子氧对航天器表面的高温氧化、高速撞击会使大部分聚合物材料受到严重侵蚀，产生质量损失、厚度损失、光学、热学、电学及机械参数退化，以上效应会导致航天器性能下降、寿命缩短、系统设计目标失败，从而影响航天器的正常工作和使用寿命。为了保障航天器在轨长期可靠运行，提高航天器用聚合物薄膜材料的抗原子氧剥蚀性能是十分重要和必要的。目前，提高航天器材料抗原子氧剥蚀性能的方法大体可以分为两类。一是从体相改变材料，包括通过共混或共聚添加抗原子氧剥蚀组分获得体相复合材料，或是重新设计材料的分子组成和结构，构造出抗原子剥蚀的新材料。中国专利CN1583874A公开了一种通过在聚合物基体中共混添加不与原子氧反应的纳米颗粒材料，获得了具有较好抗原子氧剥蚀性能的聚合物/纳米颗粒复合材料。中国专利CN105906813A通过复杂的共聚反应，获得的聚酰亚胺/聚二甲硅氧烷规整嵌段聚合物薄膜相比传统方法制备的聚酰亚胺薄膜具有更好的抗原子氧性能。然而这类从体相改变材料的组分或者结构提高材料的方法对抗原子氧性能提高有限，且存在使基体材料的力、热或光学性能下降的问题。另外一类则是通过涂覆、离子注入、电子辐照、激光融覆等方法在材料的表面形成抗原子氧防护层，其中防护层可以是耐原子氧的金属或金属氧化物(如Ge、TiO2、SiO2和Al2O3等)，也可以是与原子氧作用形成耐原子氧的无机或有机化合物。美国专利US5312685公开了一种有效的抗原子氧防护涂层，其中的有机物基质包含两种以上界面，其中一个界面含有混合金属催化剂，促使原子氧反应生成分子氧，另外一个界面为氧化铝、氧化硅等抗原子氧防护涂层；美国专利US006872457B2公开了一种聚酰亚胺硅氧烷与树脂的复合涂层，涂覆于聚酰亚胺表面上，有效地提高了聚酰亚胺的抗原子性能。尽管涂覆层能在不影响基体的机械和热学性能的基础上一定程度地起到抗原子氧刻蚀的作用，但是这种方法普遍存在一些问题：(一)因加工、运输、储存、空间碎片撞击以及原子氧作用后发生收缩等原因容易造成缺陷和裂痕，从而导致基底材料出现“淘蚀”现象；(二)防护层与基底结合不牢固。为规避这些问题，最近中国专利CN105835498A公布了一种通过转移的方法，实现了将玻璃上的表面改性后的二氧化硅气凝胶薄膜转移至聚酰亚胺薄膜基底上，获得了一种单面抗原子氧的聚酰亚胺薄膜。这一方法有效地解决了防护层与基底结合不牢的问题，并且在一定程度上可以避免材料由于出现缺陷和裂痕造成的“淘蚀”现象。显然，即使是通过制备防护层保护基体材料不受原子氧侵蚀的方法，也还是不可避免地造成基体材料的光学性能下降，这对于航天器中一些需要透光的部位，如太阳能帆板来说将直接影响太阳帆板的发电效率。目前尚未有专利涉及同时提高聚合物薄膜的透光率和抗原子氧剥蚀性能的方案。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服现有技术中的不能同时提高聚合物薄膜的透光率和抗原子氧剥蚀性能的不足，提供了一种聚合物复合薄膜及其制备方法，该聚合物复合薄膜能同时实现增透与抗原子氧剥蚀。一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜，所述聚合物复合薄膜包括聚合物薄膜层和镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层，通过在所述聚合物薄膜层的至少一面镶嵌空心SiO2纳米粒子，在所述聚合物薄膜层表面形成所述镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层。本专利技术制备的聚合物复合薄膜可同时实现增透与抗原子氧剥蚀，在不明显影响聚合物薄膜的热学、机械性能的基础上，实现了在聚合物薄膜层表面形成镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层。由于空心SiO2纳米粒子具有封闭的内部孔隙因而具有较低的折射率，且其是镶嵌在聚合物薄膜表面500纳米以内的深度，因此有效地降低了聚合物表面层的折射率，不仅提高了聚合物薄膜的光学透过率，也增强了聚合物薄膜基体的抗原子氧剥蚀性能。所述聚合物包括但不限于聚酰亚胺，环氧树脂，聚碳酸酯，聚对苯二甲酸乙二酯，聚醚醚酮或聚甲基丙烯酸甲酯。所述聚合物薄膜层的厚度为5～2000微米；所述镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层的厚度为50～500纳米。此处镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层的厚度指的是单面厚度，若所述聚合物复合薄膜的两面均镶嵌了空心SiO2纳米粒子，对应的有机无机复合层的总厚度应为两个单面有机无机复合层厚度的总和，应为100～1000纳米。本专利技术中镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层提高聚合物薄膜透过率的机理是是所形成的有机无机复合层的折射率介于空气与聚合物薄膜基底之间，当其厚度介于80～200纳米时，在可见光至近红外波段400～1600纳米范围内能起到更优的减反效果，而当薄膜越厚时，抗原子氧剥蚀的性能越好，因此考虑增透与抗原子氧剥蚀性能的平衡，作为优选，所述镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层的厚度为80～300纳米。所述空心SiO2纳米粒子的平均粒径为20～200纳米，平均壁厚为5～50纳米。由于粒径为100纳米及以上的纳米粒子瑞利散射将无法忽略，这将直接影响聚合物复合薄膜的透明度，因此作为优选，所述空心SiO2纳米粒子的平均粒径为20～100纳米。而壁厚一方面影响空心纳米粒子的内部孔隙率，在粒径一定时壁厚越小孔隙率越大，大孔隙率的空心SiO2纳米粒子对降低复合薄膜折射率的作用更优，因此对提高复合薄膜的光学透过率作用更优；另一方面壁厚越大，其他条件相同时，抗原子氧的效果更优，作为优选，所述空心SiO2纳米粒子的平均壁厚为6～20纳米。本专利技术的另一目的是提供一种上述聚合物复合薄膜的制备方法，包括：依次在刚性基材上制备空心SiO2纳米粒子层、聚合物薄膜层，固化后剥离刚性基材，得到单面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜，具体步骤如下：(1)制备空心SiO2纳米粒子涂覆的刚性基材；(2)配制聚合物溶液，并将聚合物溶液涂覆在空心SiO2纳米粒子涂覆的刚性基材表面，得到复合材料Ⅰ；(3)在50～300℃下进行固化，待完全固化后剥离刚性基材，得到单面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜。所述聚合物复合薄膜的制备方法还包括：(4)将步骤(3)得到的聚合物复合薄膜中未镶嵌空心SiO2纳米粒子的一面覆于步骤(2)制备的复合材料Ⅰ的聚合物涂层上，在50～300℃下进行固化，待完全固化后剥离刚性基材，得到双面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜。作为另一方案，所述聚合物复合薄膜的制备方法还包括：(4’)将步骤(1)中制备的空心SiO2纳米粒子涂覆的刚性基材中具有空心SiO2纳米粒子的一面覆于步骤(2)制备的复合材料Ⅰ的聚合物涂层上，在50～300℃下进行固化，待完全固化后剥离刚性基材，得到双面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜。所述刚性基材包括但不限于玻璃或硅片。当空心SiO2纳米粒子的平均粒径小于60纳米时，对刚性基材进行疏水处理，有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜，其特征在于，所述聚合物复合薄膜包括聚合物薄膜层和镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层，通过在所述聚合物薄膜层的至少一面镶嵌空心SiO2纳米粒子，在所述聚合物薄膜层表面形成所述镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层。

【技术特征摘要】
1.一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜，其特征在于，所述聚合物复合薄膜包括聚合物薄膜层和镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层，通过在所述聚合物薄膜层的至少一面镶嵌空心SiO2纳米粒子，在所述聚合物薄膜层表面形成所述镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层。2.根据权利要求1所述的增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜，其特征在于，所述聚合物薄膜层的厚度为5～2000微米；所述镶嵌有空心SiO2纳米粒子的有机无机复合层的厚度为50～500纳米。3.根据权利要求1所述的增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜，其特征在于，所述空心SiO2纳米粒子的平均粒径为20～200纳米，平均壁厚为5～50纳米。4.一种根据权利要求1所述的聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括：依次在刚性基材上制备空心SiO2纳米粒子层、聚合物薄膜层，固化后剥离刚性基材，得到单面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜，具体步骤如下：(1)制备空心SiO2纳米粒子涂覆的刚性基材；(2)配制聚合物溶液，并将聚合物溶液涂覆在空心SiO2纳米粒子涂覆的刚性基材表面，得到复合材料Ⅰ；(3)在50～300℃下进行固化，待完全固化后剥离刚性基材，得到单面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜。5.根据权利要求4所述的聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于，还包括：(4)将步骤(3)得到的聚合物复合薄膜中未镶嵌空心SiO2纳米粒子的一面覆于步骤(2)制备的复合材料Ⅰ的聚合物涂层上，在50～300℃下进行固化，待完全固化后剥离刚性基材，得到双面镶嵌空心SiO2纳米粒子的聚合物复合薄膜。6.根据权利要求4所述的聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于，还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋伟杰，张景，张贤鹏，鲁越晖，艾玲，李啸，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33