本發(fā)明涉及新材料，具體涉及一種耐紫外輻照的有機(jī)白色熱控涂料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在航天領(lǐng)域的熱控技術(shù)中，有機(jī)白色熱控涂層在航天器熱控系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。有機(jī)熱控涂層不僅能夠有效地反射太陽輻射，降低航天器的溫度，維持其正常的工作狀態(tài)。同時(shí)，有機(jī)熱控涂層通常具有良好的柔韌性，有助于涂層在航天器金屬基材表面形成良好的附著力，確保涂層在航天器表面的穩(wěn)定性和可靠性，防止涂層在長期使用過程中的脫落或剝離。此外，有機(jī)熱控涂層還具有良好的加工性和應(yīng)用性，能夠方便地涂覆在航天器的各種表面上，使得涂層在航天器的制造和維護(hù)過程中更加便捷和高效。

2、有機(jī)熱控涂料的主要成分通常由氧化鋅白色顏料和有機(jī)硅樹脂粘合劑構(gòu)成。然而，在長期的空間惡劣環(huán)境下，特別是在強(qiáng)烈的紫外輻照下，有機(jī)熱控涂層的性能可能會受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，氧化鋅作為一種半導(dǎo)體材料，其內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)在紫外輻照下會發(fā)生顯著變化。當(dāng)氧化鋅遭受紫外輻照時(shí)，會激發(fā)其內(nèi)部的電子躍遷到導(dǎo)帶，形成光生電子和空穴。這些光生載流子在氧化鋅內(nèi)部遷移過程中會與晶格中的缺陷或雜質(zhì)發(fā)生復(fù)合，釋放出能量并以熱能的形式散失。如果光生載流子的復(fù)合速率過快，就會導(dǎo)致氧化鋅的表面溫度升高，進(jìn)而引發(fā)一系列物理和化學(xué)變化，如晶格畸變、熱分解等，最終導(dǎo)致其耐紫外輻照性能下降。另一方面，有機(jī)硅樹脂的耐紫外輻照性能也面臨挑戰(zhàn)。有機(jī)硅樹脂中的c-c鍵是連接各個(gè)硅原子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在紫外線的照射下容易發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂，不僅會導(dǎo)致樹脂的機(jī)械性能下降，還可能引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，如氧化、交聯(lián)等，最終導(dǎo)致涂層整體性能的惡化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一方面在于提供一種耐紫外輻照的有機(jī)白色熱控涂料，解決了現(xiàn)有技術(shù)中無機(jī)熱控涂料不耐紫外輻照的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一種耐紫外輻照的有機(jī)白色熱控涂料，包括漿料a、漿料b，漿料a與漿料b的質(zhì)量比為100：2~8；

4、其中：

5、漿料a包括：金屬離子摻雜氧化鋅、抗紫外單體改性有機(jī)硅樹脂、分散劑；抗紫外單體改性有機(jī)硅樹脂與金屬離子摻雜氧化鋅的質(zhì)量比為1：0.5~2；金屬離子摻雜氧化鋅與分散劑的質(zhì)量比為100：5~15；

6、漿料b包括：正硅酸乙酯和鈦酸四丁酯；正硅酸乙酯與鈦酸四丁酯之間的質(zhì)量比為（1~4）：1。

7、作為一種具體實(shí)施方案，抗紫外單體包括丙烯酸酯、苯乙烯磺酸鈉、甲基丙烯酸甲酯。

8、作為一種具體實(shí)施方案，金屬離子摻雜氧化鋅中的金屬離子前驅(qū)體為硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸鈰中的任意一種或幾種。

9、作為一種具體實(shí)施方案，分散劑包括聚醚改性硅油和聚醚改性聚硅氧烷。

10、本發(fā)明的第二方面提供一種耐紫外輻照的有機(jī)白色熱控涂料的制備方法，其實(shí)現(xiàn)包括以下過程：

11、金屬離子摻雜氧化鋅制備過程a，過程a的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：

12、步驟a1：稱取的氧化鋅粉體分散在無水乙醇中，加入金屬硝酸鹽作為金屬摻雜離子前驅(qū)體，攪拌均勻形成反應(yīng)體系；

13、步驟a2：將步驟a1中的反應(yīng)體系轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中，在120℃~200℃下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)3~8小時(shí)，使金屬摻雜離子進(jìn)入氧化鋅晶格，形成金屬離子摻雜氧化鋅；

14、步驟a3：反應(yīng)結(jié)束后，離心分離、洗滌、干燥，獲得改性氧化鋅粉體。

15、在一些具體實(shí)施方案中，氧化鋅粉體的粒徑范圍為50~200nm，氧化鋅在無水乙醇中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~40%，金屬硝酸鹽的用量為氧化鋅粉體的5%~10%；

16、抗紫外單體改性有機(jī)硅樹脂制備過程b，過程b的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：

17、步驟b1：稱取有機(jī)硅樹脂溶解于有機(jī)溶劑中，有機(jī)硅樹脂溶解在有機(jī)溶劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%~80%；加入抗紫外單體，以及催化劑和交聯(lián)劑；有機(jī)硅樹脂與抗紫外單體的質(zhì)量比為100：5~20，有機(jī)硅樹脂與催化劑之間的質(zhì)量比為100：0.5~2，有機(jī)硅樹脂與交聯(lián)劑的質(zhì)量比為100：20~40；

18、步驟b2：在惰性氣體氛圍和持續(xù)攪拌的條件下，加熱至一定溫度，進(jìn)行共聚反應(yīng)，直至反應(yīng)完全。反應(yīng)結(jié)束后，通過減壓蒸餾的方式去除溶劑，獲得改性有機(jī)硅樹脂。

19、在一些具體實(shí)施方案中，惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

20、在一些具體實(shí)施方案中，催化劑為二月桂酸二丁基錫；交聯(lián)劑為聚甲基氫硅氧烷或二甲基丙烯酸酯，溶解有機(jī)硅樹脂的有機(jī)溶劑為甲苯、二甲苯。

21、在一些具體實(shí)施方案中，

22、涂料制備過程c，過程c的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：

23、步驟c1：將制備的金屬離子摻雜氧化鋅加入到改性有機(jī)硅樹脂中，并加入分散劑，采用高速攪拌機(jī)進(jìn)行分散，攪拌轉(zhuǎn)速為1200rpm~2000rpm，分散時(shí)間為3~8小時(shí)；獲得漿料a；

24、步驟c2：在漿料a中加入漿料b混合攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速為100~300rpm，混合時(shí)間為10~30分鐘；獲得涂料噴涂液。

25、本發(fā)明的第三方面提供一種耐紫外輻照的有機(jī)白色熱控涂層的制備方法，其實(shí)現(xiàn)包括以下過程：

26、將制備的涂料噴涂液噴涂在金屬基材表面，并進(jìn)行熱固化，獲得具有耐紫外輻照特性的航天有機(jī)熱控涂層。

27、其中，使用的金屬基材為鋁基碳化硅鋁合金或鋁合金；噴涂設(shè)定條件：空氣壓力為1~3atm，噴涂距離為10~30cm，噴涂次數(shù)為4~10遍。

28、其中，熱固化的條件為在80℃下保溫1~3小時(shí)，然后升溫至160℃下保溫4~8小時(shí)，涂層厚度控制在100~200um。

29、本發(fā)明所述一種耐紫外輻照的有機(jī)白色熱控涂料的用途，用于噴涂在航天器金屬基材表面，形成涂層。

30、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

31、本發(fā)明中，使金屬摻雜離子子進(jìn)入氧化鋅晶格，形成金屬離子摻雜氧化鋅。金屬離子摻雜會在氧化鋅禁帶中引入新的能級，這些能級可以作為電子或空穴的陷阱，延長光生載流子（電子和空穴）的壽命。同時(shí)，金屬離子的摻雜還能引起氧化鋅的晶格畸變，進(jìn)一步影響其能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬離子摻雜后，由于能帶結(jié)構(gòu)的改變和光生載流子壽命的延長，氧化鋅內(nèi)部的光生電子和空穴能夠更有效地分離并遷移到表面參與氧化還原反應(yīng)。這降低了光生載流子在氧化鋅內(nèi)部的復(fù)合速率，從而減少了因復(fù)合而釋放出的能量和熱能。因此，金屬離子摻雜后的氧化鋅在面臨紫外輻照時(shí)能夠更穩(wěn)定地存在，不易發(fā)生老化或降解現(xiàn)象，從而有效提高了其耐紫外輻照性能。

32、本發(fā)明中，通過將有機(jī)硅樹脂與抗紫外單體進(jìn)行共聚反應(yīng)，在有機(jī)硅樹脂的分子鏈中引入了更多的抗紫外線基團(tuán)，能夠在涂料形成的涂層表面或內(nèi)部形成一層“保護(hù)層”。這層“保護(hù)層”能夠有效地吸收、反射或散射紫外線，從而減少紫外線對涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。同時(shí)，這些基團(tuán)通過與有機(jī)硅樹脂分子鏈形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以顯著增強(qiáng)涂層內(nèi)部的分子間作用力和提高涂層的網(wǎng)絡(luò)密度，從而提高涂層的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐候性。這種結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性有助于防止涂層在長時(shí)間紫外線輻照下發(fā)生老化、開裂或脫落等問題。

33、本發(fā)明中，通過金屬離子摻雜氧化鋅與抗紫外單體改性有機(jī)硅樹脂，利用兩者之間的協(xié)同作用機(jī)制，獲得具有優(yōu)異耐紫外輻照特性的有機(jī)熱控涂層。傳統(tǒng)技術(shù)路線通常單獨(dú)優(yōu)化無機(jī)填料或有機(jī)樹脂，而本發(fā)明通過界面化學(xué)鍵合、能量協(xié)同耗散和雙組分固化體系實(shí)現(xiàn)了熱控涂層耐紫外輻照性能的有效提升。

34、金屬摻雜氧化鋅可與抗紫外基團(tuán)改性的有機(jī)硅樹脂在界面處形成si-o-zn共價(jià)鍵。當(dāng)金屬離子進(jìn)入氧化鋅晶格后，其外層空軌道可與有機(jī)硅樹脂中的氧原子形成配位鍵，這種強(qiáng)相互作用可以有效改變界面處的電荷分布狀態(tài)。在紫外輻照作用下，摻雜氧化鋅產(chǎn)生的光生電子通過界面si-o-zn鍵迅速轉(zhuǎn)移至有機(jī)硅樹脂的抗紫外基團(tuán)。這些基團(tuán)中的富電子雜環(huán)作為“電子陷阱”，有效延長了載流子壽命。同時(shí)，在紫外老化過程中，改性有機(jī)硅樹脂釋放的活性硅醇(si-oh)可修復(fù)氧化鋅的表面氧空位缺陷。這些缺陷通常是光催化降解的活性位點(diǎn)，通過形成si-o-zn鍵填補(bǔ)氧空位，可顯著抑制·o2?自由基的產(chǎn)生，提升抗紫外輻照性能。

35、此外，金屬摻雜氧化鋅的缺陷能級與抗紫外單體的激發(fā)態(tài)能級相匹配，形成高效的能量傳遞通道。紫外光子能量首先被氧化鋅吸收，通過d-d躍遷轉(zhuǎn)化為低能光子，而未被吸收的殘余紫外光則被抗紫外單體以熱能形式耗散。這種分級能量耗散機(jī)制可以有效降低涂層的熱累積率，顯著抑制了熱老化現(xiàn)象。

36、本發(fā)明中，采用雙組分固化體系進(jìn)行有機(jī)硅樹脂的固化。正硅酸乙酯（teos）水解過程形成si-oh柔性鏈段，與有機(jī)硅樹脂縮合形成彈性基體；鈦酸四丁酯（tbt）水解過程形成ti-oh剛性節(jié)點(diǎn)，與摻雜氧化鋅表面鍵合，增強(qiáng)界面強(qiáng)度。最終通過ti-o-si鍵的連接，形成具有剛性和柔性交互的成膜樹脂體系，解決了涂層硬度和韌性直接的矛盾。此外，正硅酸乙酯通過si-oh與氧化鋅表面的zn-oh脫水縮合形成si-o-zn鍵，鈦酸四丁酯通過水解產(chǎn)生的ti4+填充氧化鋅空位形成ti-o-zn鍵，兩者可協(xié)同降低氧化鋅中氧空位的缺陷態(tài)密度，提升涂層的耐紫外輻照特性。