CN116408238B - 一种耐原子氧溶液涂覆装置及涂覆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐原子氧溶液涂覆装置及涂覆工艺，涂覆装置包括浸渍槽，其内部设置有滚轮，浸渍槽内部靠近其槽口的位置设置有栅板，栅板上预留有进料口和出料口；固化通道，其位于浸渍槽的后侧，且固化通道是由上升段和下降段组成的拱形结构，上升段和下降段上方分别设置有进气口和抽气口。涂覆工艺包括电晕、浸渍和高温固化。本发明能够增加产品表面的附着力和极性，从而提升耐原子氧溶液涂覆的效果，有效保证产品表面耐原子氧涂层的均一性，提高产品的耐原子氧性能，可适于批量的规模化生产。

Description

一种耐原子氧溶液涂覆装置及涂覆工艺

技术领域

本发明属于耐氧原子涂覆技术领域，具体涉及一种耐原子氧溶液涂覆装置及涂覆工艺。

背景技术

低地球轨道环境复杂多变，在轨航天器运行速度极高，环境效应研究包括真空紫外光与紫外光辐射、带电粒子辐射、高真空、微流星体和空间碎片碰撞、高低温循环和原子氧效应等。在轨航天器高速运行时，原子氧的平均撞击能约为5eV，这一能量足以使许多材料的化学键断裂并发生氧化。太阳能柔性扁平电缆可用于航天器太阳能电池翼上，具有尺寸小、重量轻的特点。

现有技术中，聚酰亚胺等材料的薄膜通过添加改性剂使其具备耐原子氧侵蚀性能，但是这种方法技术要求以及所用的生产材料的成本都很高，无法实现大范围的推广应用。并且该方法不能改变材料基体有机结构，在原子氧的攻击下还会出现侵蚀效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐原子氧溶液涂覆装置及涂覆工艺，以解决原子氧侵蚀防护无法大规模实现的问题。

本发明的一种耐原子氧溶液涂覆装置及涂覆工艺是这样实现的：

一种耐原子氧溶液涂覆装置，包括

浸渍槽，其内部设置有滚轮，所述浸渍槽内部靠近其槽口的位置设置有栅板，所述栅板上预留有进料口和出料口；

固化通道，其位于所述浸渍槽的后侧，且所述固化通道是由上升段和下降段组成的拱形结构，所述上升段和下降段上方分别设置有进气口和抽气口。

进一步的，所述浸渍槽为上宽下窄的梯形槽结构。

进一步的，所述进料口与滚轮进料侧的竖向切线相对，所述出料口位于滚轮出料侧的竖向切线外侧。

进一步的，所述上升段和下降段对称设置，且所述上升段与水平方向的夹角为45°。

其次，本发明还提供了一种耐原子氧溶液涂覆工艺，包括以下步骤：

步骤一：电晕，即对产品表面进行电晕处理；

步骤二：浸渍，将电晕处理后的产品送入装有耐原子氧溶液的浸渍槽内进行浸渍；

步骤三：高温固化，将浸渍过的产品送入固化通道内进行加热固化。

进一步的，步骤二中，浸渍的方法为：

将产品竖直浸入所述浸渍槽内的耐原子氧溶液中，然后以倾斜的方向从所述浸渍槽中匀速牵出。

进一步的，所述固化通道的上升段为预热固化段，其内部温度逐渐升高；

所述固化通道的下降段为强化固化段，其内部温度逐渐降低。

进一步的，所述预热固化段的温度范围为120-155℃；

所述强化固化段的温度范围为110-135℃。

进一步的，所述预热固化段的进气与抽气速率为30-40L/min；

所述强化固化段的进气与抽气速率为30-35L/min。

进一步的，步骤二和步骤三可以多次循环进行。

采用了上述技术方案后，本发明具有的有益效果为：

(1)本发明通过拱形的固化通道，能够有效地保证产品表面耐原子氧涂层的均一性，保证固化效果，提高产品的耐原子氧性能；

(2)本发明通过栅板的设置，能够使浸渍槽中的耐原子氧溶液与栅板齐平，从而保持液面的平整度，减少因搅动导致的液面拨动，保证浸渍效果；

(3)本发明通过电晕处理，能够有效地增加产品表面的附着力和极性，从而提升耐原子氧溶液涂覆的效果，并且结合高温固化，能够有效保证产品表面耐原子氧涂层的均一性，进一步提高产品的耐原子氧性能，可适于批量的规模化生产。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明优选实施例的耐原子氧溶液涂覆装置的浸渍槽的结构图；

图2是本发明优选实施例的耐原子氧溶液涂覆装置的固化通道的结构图；

图3是本发明优选实施例的耐原子氧溶液涂覆工艺中耐原子氧溶液涂布润湿示意图；

图4是本发明优选实施例的耐原子氧溶液涂覆工艺中耐原子氧涂层形成示意图；

图中：浸渍槽1，固化通道2，上升段2-1，下降段2-2，滚轮3，栅板4，进料口5，出料口6，进气口7，抽气口8，薄膜9，耐原子氧溶液10，耐原子氧涂层11。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，一种耐原子氧溶液涂覆装置，包括浸渍槽1和固化通道2，浸渍槽1的内部设置有滚轮3，浸渍槽1内部靠近其槽口的位置设置有栅板4，栅板4上预留有进料口5和出料口6；固化通道2位于浸渍槽1的后侧，且固化通道2是由上升段2-1和下降段2-2组成的拱形结构，上升段2-1和下降段2-2上方分别设置有进气口2-3和抽气口2-4。

本实施例的产品以薄膜9为例，用于在薄膜9的表明进行耐原子氧溶液10的涂覆，以提高其耐原子氧性能。

在浸渍的过程中，为了提升薄膜9表面耐原子氧溶液10的均一性，进料口5与滚轮3进料侧的竖向切线相对，出料口6位于滚轮3出料侧的竖向切线外侧。

这样可以在浸渍过后，将薄膜9以倾斜的方向牵引出来，可有效减少耐原子氧溶液10在薄膜9表面的流挂现象，从而提升耐原子氧涂层11的均一性，并且为后续的高温固化做准备。

为了便于将出料口6设置于滚轮3出料侧竖向切线的外侧，达到倾斜牵引的效果，浸渍槽1为上宽下窄的梯形槽结构。

为了提高固化效果，上升段2-1和下降段2-2对称设置，且上升段2-1与水平方向的夹角为45°。

45°的倾斜设置，可以使耐原子氧溶液10在薄膜9表面逐渐固化，从而实现耐原子氧涂层11的均匀一致性，增强耐原子氧涂层11结构的稳定性。

在进行涂覆时，可以在浸渍槽1和固化通道2之间以及固化通道2后侧设置牵引机构，用于薄膜9的有效牵引，保证处理工序的进行。

其次，基于上述的耐原子氧涂覆装置，本实施例还提供了一种耐原子氧溶液涂覆工艺，包括以下步骤：

步骤一：电晕，即对产品即薄膜9的表面进行电晕处理。

对薄膜9表面进行电晕处理，以提高其表面能，有利于耐原子氧溶液10均匀地分布在膜面上，并且增加耐原子氧涂层11和薄膜9的附着力。

具体的，以厚度为50μm的薄膜9为例，在不同生产速度下其表面张力达到50mN/m以上所需要的电晕功率及电晕功率密度的变化如下表1：

表1：生产速度与电晕功率关系

由上表可知，生产速度降低，保持相同的表面张力，电晕功率逐渐降低，而电晕功率密度几乎保持一致。表面张力与生产速度变化的关系不大，因为生产速度降低，电晕功率就要调整降低，否则薄膜9容易击穿。因此，同一产品电晕处理后的表面张力与电晕功率密度有关，即电晕功率密度保持恒定，相应地表面张力相对平稳。

针对一台电晕处理机，可根据电晕功率密度进行工艺调整，以满足薄膜9表面张力要求，计算公式如下：

其中，ρ－电晕功率密度，单位为kJ/m²；

P－施加在薄膜9表面的实际功率，单位为kW(因电极、间隙不同，每一台电晕设备的施加的电晕功率不一样)；

v－生产速度，单位为m/min；

h－薄膜9电晕宽度，单位为m。

因此，按照上述方法针对厚度为50μm的薄膜9进行电晕处理，电晕功率为0.2-1.5kW，配合牵引速率1-10m/min，可实现薄膜9表面张力在50mN/m以上，满足后期耐原子氧溶液10浸渍的要求。

另外，电晕处理后的膜卷放置在一定条件下的环境中。除去表层1m后，取样测试薄膜9表面张力发现，当环境温度超过50℃，表面张力极易下降，达到非电晕水平。在高温高湿环境下，表面张力迅速消退。低温低湿环境下，随着存放时间而逐渐降低。因此电晕处理后的产品需接浸渍处理，如无法立即浸渍，应存放于低温干燥环境中，时间不超过48小时。

优选的，存放环境温度应低于25℃，湿度应低于45％RH。

步骤二：浸渍，将电晕处理后的产品即薄膜9送入装有耐原子氧溶液10的浸渍槽1内进行浸渍。

如图3所示，在浸渍加工过程中，当θ＜90°，则薄膜9的亲浸渍液好，即液体较易润湿薄膜9表面，其角θ越小，表示润湿性越好；若θ＞90°，则薄膜9表面是疏液性的，即浸渍液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。

γ_SV＝γ_SL+γ_LV·cosθ

F＝γ_LV*cosθ＝γ_SV-γ_SL

根据上述公式，润湿张力F受界面张力和润湿角度的影响。电晕处理增加了膜面张力，θ变小，有利于浸渍液的润湿铺展。

浸渍的方法为：

将产品竖直浸入浸渍槽1内的耐原子氧溶液10中，然后以倾斜的方向从浸渍槽1中匀速牵出。

具体的，耐原子氧溶液10盛放于梯形的浸渍槽1中，液面高度与栅板4的高度齐平，底部安装滚轮3，薄膜9竖直从进料口5浸入耐原子氧溶液10中，绕过滚轮3后倾斜着牵引出液面，薄膜9在进入和牵出过程中避免碰触栅板4。

栅板4的主要作用为保持液面的平整度，减少因搅动导致的液面波动。倾斜牵出浸渍液面，可减少耐原子氧溶液10在薄膜9表面的流挂现象，从而提升薄膜9上耐原子氧涂层11的均一性，同时也为后期高温固化做准备。

步骤三：高温固化，将浸渍过的产品即薄膜9送入固化通道2内进行加热固化。

固化通道2可以采用但不仅限于热电偶进行加热。

倾斜式固化通道2，能够保证薄膜9表面耐原子氧涂层11的均一性。其中，固化通道2的上升段2-1为预热固化段，其内部温度逐渐升高，且温度范围为120-155℃。

具体的，预热固化段为耐原子氧溶液10高温预热固化过程，可以由下至上分为三个递增的温度区，T1为120-125℃预热区，T2为130-135℃预热固化一区，对应耐原子氧溶液10中硅氮烷树脂固化温度，T3为150-155℃预热固化二区，对应耐原子氧溶液10中硅树脂固化温度。

固化通道2的下降段2-2为强化固化段，其内部温度逐渐降低，且温度范围为110-135℃。

具体的，强化固化段为耐原子氧涂层11固化后进一步固化过程，可以强化耐原子氧涂层11的结构，增强耐原子氧涂层11的紧实度。同时，高温条件下可以将耐原子氧涂层11中残余的溶剂挥发出来，减少耐原子氧涂层11表面的缺陷。强化固化段由上至下分为三个递减的温度段，T4为135-130℃，T5为125-120℃，T6为115-110℃。温度降低不宜过快，容易导致耐原子氧涂层11收缩不均出现裂纹。优选的，固化通道2总长为5.5米，薄膜9牵引速率为1-1.5m/min，预热固化段长度为2.75米，耐原子氧溶液10的凝胶时间调整到2分钟以内。

凝胶时间过短容易造成耐原子氧涂层11表面不均匀，凝胶时间过长容易导致耐原子氧涂层11固化不充分，降低结构稳定性。薄膜9牵引速率需严格保持匀速，不可出现过大波动。速率降低容易导致薄膜9牵引张力减小，薄膜9表面出现褶皱影响耐原子氧涂层11成膜效果。速率增大容易导致产品牵引张力突然增大，牵引连接装置和薄膜9容易断裂。

预热固化段的进气与抽气速率为30-40L/min，强化固化段的进气与抽气速率为30-35L/min。

进气和抽气的设置能够促进耐原子氧涂层11的固化，增强固化强度。其中，预热固化段的进气口2-3高度低于其抽气口2-4的高度，而强化固化段的进气口2-3的高度同样低于其抽气口2-4的高度。

预热固化段进气可提供空气中的水汽来参与耐原子氧涂层11固化过程，抽气可带走耐原子氧固化过程中产生的副产物以及溶液中的溶剂。强化固化段的进气为干燥空气，抽气可带走耐原子氧固化过程中产生的副产物以及溶液中的溶剂。

其中，c为溶质的浓度数值，实际为活度系数为1时的活度值，为无因次量；σ为溶液的表面张力；Γ为溶质的相对表面吸附量(也称为表面过剩量)，表示在单位面积的表面层中所含溶质的物质的量与具有相同数量的溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值。

根据上式Gibbs吸附等温式，可以推算饱和吸附量Γ。溶质的浓度越高，饱和吸附量越低，温度越高，饱和吸附量越低。为增大本工艺中涂覆后薄膜9对空气中水汽吸收速率，控制溶液中的溶质浓度，不得过高，同时在满足固化条件下选择适当低些的温度来促进溶液对水汽的吸收度。

上述电晕、浸渍和高温固化均为耐原子氧涂覆的单层工艺步骤，该工艺可根据耐原子氧侵蚀等级要求，涂覆多层耐原子氧涂层11，即将

步骤二和步骤三可以多次循环进行。

一般情况下，单层耐原子氧涂层11的厚度需大于100nm才能达到对原子氧侵蚀的有效防护。然而，单层涂覆技术存在一定的技术风险，即由于涂覆不均导致局部偏薄甚至局部缺少耐原子氧涂层11，该处将存在较大的隐患，无法满足航天器材的要求。本文的耐原子氧溶液10涂覆技术可实现多层涂覆，在满足厚度要求的前提下，耐原子氧溶液10涂覆的层数可为3-10层。考虑单层涂覆风险率为1％时,4层涂覆风险可降低为10^-8，极大地缩小了涂覆技术风险，提升产品的安全可靠性。此外，多层涂覆工艺可灵活调控护层厚度，可满足不同防原子氧侵蚀等级的要求。

本发明所公开的耐原子氧涂覆装置以及涂覆工艺具有以下特点：

(1)电晕操作可保证耐原子氧溶液10对薄膜9表面的附着力，增大薄膜9表面的极性；

(2)耐原子氧溶液10浸渍斜向牵引工艺，减少浸渍液流挂现象，提升薄膜9上耐原子氧涂层11的均一性，同时为后期高温固化做准备；

(3)如图4所示，高温固化过程中采用45°倾斜牵引薄膜9，高温条件下，耐原子氧溶液10在薄膜9表层逐渐固化。45°倾斜角可实现耐原子氧涂层11逐渐固化，随着溶剂的挥发，耐原子氧溶液10中的功能组分逐渐析出同时逐渐固化，从而实现薄膜9上耐原子氧涂层11的均匀一致性，增强耐原子氧涂层11结构的稳定性；

(4)采用双温区固化段，对应耐原子氧溶液10中双固化组分，可减少固化层薄膜9表面的缺陷，提升耐原子侵蚀能力；

(5)抽气和进气的设置可加快耐原子氧溶液10中溶剂的挥发，同时进气带入空气中的水汽可以促进耐原子氧涂层11的固化。控制抽气和进气速率可配合耐原子氧涂层11固化速率实现薄膜9表面的均一稳定性；

(6)可根据耐原子氧侵蚀等级要求，通过多层涂覆工艺操作满足性能要求，该种耐原子氧涂覆工艺可适用于批量连续化作业，保障产品质量的稳定性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种耐原子氧溶液涂覆装置，其特征在于，包括

浸渍槽（1），其内部设置有滚轮（3），所述浸渍槽（1）内部靠近其槽口的位置设置有栅板（4），所述栅板（4）上预留有进料口（5）和出料口（6）；

固化通道（2），其位于所述浸渍槽（1）的后侧，且所述固化通道（2）是由上升段（2-1）和下降段（2-2）组成的拱形结构，所述上升段（2-1）和下降段（2-2）上方分别设置有进气口（7）和抽气口（8）；

耐原子氧溶液（10）盛放于梯形的浸渍槽（1）中，液面高度与栅板（4）的高度齐平，底部安装滚轮（3）；

固化通道（2）的上升段（2-1）为预热固化段，其内部温度逐渐升高；

固化通道（2）的下降段（2-2）为强化固化段，其内部温度逐渐降低；

所述进料口（5）与滚轮（3）进料侧的竖向切线相对，所述出料口（6）位于滚轮（3）出料侧的竖向切线外侧。

2.根据权利要求1所述的耐原子氧溶液涂覆装置，其特征在于，所述浸渍槽（1）为上宽下窄的梯形槽结构。

3.根据权利要求1所述的耐原子氧溶液涂覆装置，其特征在于，所述上升段（2-1）和下降段（2-2）对称设置，且所述上升段（2-1）与水平方向的夹角为45°。

4.一种耐原子氧溶液涂覆工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：电晕，即对产品表面进行电晕处理；

步骤二：浸渍，将电晕处理后的产品送入装有耐原子氧溶液的浸渍槽（1）内进行浸渍；

步骤三：高温固化，将浸渍过的产品送入固化通道（2）内进行加热固化；

固化通道（2）是由上升段（2-1）和下降段（2-2）组成的拱形结构；

固化通道（2）的上升段（2-1）为预热固化段，其内部温度逐渐升高；

固化通道（2）的下降段（2-2）为强化固化段，其内部温度逐渐降低；

步骤二中，浸渍的方法为：

将产品竖直浸入所述浸渍槽（1）内的耐原子氧溶液（10）中，然后以倾斜的方向从所述浸渍槽（1）中匀速牵出。

5.根据权利要求4所述的耐原子氧溶液涂覆工艺，其特征在于，所述预热固化段的温度范围为120-155℃；

所述强化固化段的温度范围为110-135℃。

6.根据权利要求4所述的耐原子氧溶液涂覆工艺，其特征在于，所述预热固化段的进气与抽气速率为30-40L/min；

所述强化固化段的进气与抽气速率为30-35L/min。

7.根据权利要求4所述的耐原子氧溶液涂覆工艺，其特征在于，步骤二和步骤三可以多次循环进行。