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抗原子氧用含磷聚芳醚和聚酰亚胺材料的制备及研究

李清明  
【摘要】:随着航天工业的发展,低地球轨道运行的卫星、空间站等航天器越来越多。但由于低地轨道空间环境非常恶劣,尤其原子氧的侵蚀作用对航天器的寿命影响很大,因此对于在此空间环境下使用材料的研究越来越重要和紧迫。近年来,航天发达国家对材料的原子氧的侵蚀作用机理以及改性方法做了大量的工作,也取得了一定进展;而在国内,这方面的研究很少。材料空间性能的研究主要集中在有机聚合物的抗原子氧性能的研究和改性上。目前抗原子氧性能良好的有机材料有含氟聚合物、含硅聚合物和含磷聚合物材料。其中全氟聚丙-乙烯(FEP Teflon)和有机硅树脂已经在航天器上得到应用,在短期的飞行暴露实验中表现出较好的抗AO性能。然而在长期空间暴露实验LDEF和地面模拟加速暴露实验中发现,含氟聚合物在长期紫外线的辐照下,与AO的反应速率大幅提高;同时,硅树脂由于本身机械性能较差,在LEO的热循环、真空紫外和AO的协同作用下,容易老化,开裂,导致材料性能严重下降,并生产深褐色的可凝挥发物,对附近的光学仪器和太阳能动力系统造成污染。因此,含氟和含硅聚合物均无法满足航天器的长期在轨运行的要求,而短期和长期的空间暴露实验均证明,含苯磷氧结构的聚合物表现出了优异的抗原子氧性能,具有长期的空间环境稳定性。 本论文的目的就是:设计并制备出具有含磷结构的聚合物薄膜材料,在研究其基本性能的基础上考察他们的空间抗原子氧性能,期望能制备得到一种或多种既能满足航天器性能要求又能很好地适应低地球轨道上复杂的空间环境的高性能聚合物材料。 聚芳醚具有高耐热性、耐环境性、良好的化学稳定性和优异的高低温机械强度等特性成为重要的特种工程塑料,本论文首先从分子设计角度出发,将对溴氟苯和苯磷酰二氯通过镁金属格氏反应合成了一种具有三苯基磷氧结构的双氟单体——4,4'-二氟二苯苯磷氧(BFPPO)。在碱催化作用下,将BFPPO分别与两种双酚单体Bis A和Bis AF进行芳香亲核缩聚反应,得到两种主链结构含磷的聚芳醚材料PAEPO和6F-PAEPO。对两种聚合物的分子结构进行了表征,并对两种聚芳醚的有机溶剂溶解性、热性能、高低温机械性能、阻燃性以及光透过性测试。结果表明:与普通聚芳醚相比,三苯基磷氧结构的引入,改善了聚合物的有机溶剂溶解性,提高聚合物薄膜的热稳定性能、阻燃性和光透过性能,其中6F-PAEPO中氟元素的存在进一步提高了聚合物的上述性能。然而两种聚芳醚玻璃转变温度在200-211℃之间,120℃的高温时,最大强度不到33MPa,机械性能下降比较厉害,而且在-150℃-120℃范围内二者的线膨胀系数变化较大,无法适应低地球轨道航天器表面热循环剧烈的空间环境。 聚酰亚胺是目前有报道的有机聚合物材料中具有最高耐温等级的聚合物。因此,以BFPPO为原料,在碱催化作用下与间氨基苯酚进行亲核取代反应,成功制备出一种含磷二胺单体——双[4-(3-氨基苯氧基)苯]苯磷氧(m-BAPPO)。将m-BAPPO和4,4'-二氨基二苯醚(ODA)跟联苯四甲酸酐(s-BPDA)在非质子性溶剂中进行无规共聚,根据m-BAPPO占二胺总量的不同,分别得到了PP1-0、PPI-20、PPI-40、PPI-60、PPI-80、PPI-100六种不同含磷的聚酰亚胺薄膜,对其基本性能进行了考察。结果发现:含磷二胺含量的增加,提高了共聚物薄膜的光透过性能,但降低了聚合物的热性能、热稳定性能和机械性能,但各项性能仍优于含磷聚芳醚材料。少量的含磷二胺有助于提高聚酰亚胺的阻燃性能。 由于含磷二胺的制备成本很高,而且纯m-BAPPO制备的聚酰亚胺机械性能偏低,为此采用聚酰亚胺二次涂覆技术,通过控制基底层的热亚胺化温度为210℃下一个小时,成功地将含磷聚酰亚胺生长在已应用于航天器的传统聚酰亚胺薄膜一侧,得到含磷聚酰亚胺复合膜,并且通过控制聚酰胺酸的黏度以及湿膜的厚度,实现了对复合膜各层厚度的精确控制,采用了SEM-EDX的元素面分析模式对薄膜的各层厚度进行了表征。其中,PPI_PI.10表现出了优异的机械性能,线膨胀系数甚至优于传统聚酰亚胺。 为了考察含磷聚合物薄膜的空间抗原子氧性能,对所有的含磷聚合物薄膜进行了8小时原子氧地面模拟实验(通量为2.14-2.62×1020atoms/cm2),结果发现含磷聚酰亚胺抗原子氧性能整体上优于含磷聚芳醚,含磷聚酰亚胺复合膜具有最佳抗原子氧性能,侵蚀率(Ey)不到Kapton薄膜的1/3,PPI_PI-10复合膜同时具备了优异的基本性能和抗原子氧性能,有望作为航天器表面材料得到应用。 最后对含磷共聚聚酰亚胺进行了长达32小时的AO辐照,分析了聚合物的侵蚀率随时间的变化。对其表面形貌,元素组成变化进行了SEM.EDX和XPS表征,对三苯基磷氧结构的抗原子氧机理进行简单的分析,推测含磷聚合物薄膜在原子氧作用下,生成了一层致密的聚磷酸酯网,从而阻止了下层聚合物受到AO的进一步的侵蚀。


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