CN117903475B - 一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备及在空间充气展开结构中的应用 - Google Patents

Abstract

一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备及在空间充气展开结构中的应用，属于空间充气复合材料技术领域，具体方案包括以下步骤：步骤一、将氧杂环类树脂、氧杂环类稀释剂、光阳离子引发剂、自由基热引发剂、异氰酸酯和多元醇混合后超声处理，然后转入真空干燥箱除去气泡得到树脂混合物；步骤二：向配制好的树脂混合物中加入催化剂，混合均匀后涂覆在碳纤维上，并完全浸润，在20‑130℃下预固化0.5‑10h，得到大面积自支撑可刚化复合薄膜；所述大面积自支撑可刚化复合薄膜包裹在充气内胆外部，通过光触发或热触发完成局部固化并通过自维持固化可以实现大面积、自支撑、低能量固化，大大降低了额外触发装置重量和能源消耗，适用于复杂、大型空间充气展开结构。

Description

一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备及在空间充气展开 结构中的应用

技术领域

本发明涉及空间充气复合材料技术领域，具体涉及一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备及在空间充气展开结构中的应用。

背景技术

空间充气展开结构因质量轻、可折叠等特点在现代空间结构(太阳帆、太阳能电池、雷达天线、充气基地等)中扮演着重要角色，为了实现功能的多样性，空间充气结构也向复杂、大型方向发展。空间充气展开结构一般由充气内胆、复合材料层、功能层、蒙皮层等多层叠合而成，在地面时，将其折叠进收纳仓内，仅需占据非常小的发射体积；升空后，通过燃气发生器或其它方式对充气内胆进行充气，充气结构展开至原始形状，通过复合材料层刚化来固定结构形状，使其不需要持续充气即可自我维持形状。

目前复合材料固化一般基于热或光触发，其中热触发需要携带额外加热装置，并且需要完全覆盖充气展开结构才能完成复合材料层的固化。光触发存在两种方式，使用外部光源(如太阳光)固化或者使用内部光源固化，使用外部光源固化存在阴影区，导致复合材料层存在未固化部分，且固化时间非常长，使用内部光源固化，其需要携带额外的全覆盖发光装置。加热和内部光源装置均需要完全覆盖充气展开结构内部，两种方式均需消耗大量能量和增加发射重量。

空间结构的复杂化加大了多层材料的叠合难度，也阻碍了触发装置的安装。空间结构的大型化大大增加能源消耗，需要携带更重的触发装置，大型化的空间结构也容易产生结构塌陷，在复合材料层完全固化前自身形状需要持续保气来维持。除了空间结构应用问题，复合材料层折叠过程中易产生折痕，会导致产生应力缺陷区域。

以上问题均对现有材料提出了新的挑战，研发一种可柔性折叠、可自支撑、可大面积自推进刚化和适用于复杂、大型空间结构的复合材料薄膜至关重要。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决复合材料中树脂易流动、大面积刚化易坍塌的技术问题，提供一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备方法。

本发明的第二个目的是为了解决空间充气展开结构中的复合薄膜在复杂、大型空间结构应用中存在耗能高、过多携带触发装置、维持形状难、固化过程需要保气等技术问题，提供一种大面积自支撑可刚化复合薄膜在空间充气展开结构中的应用。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将氧杂环类树脂、氧杂环类稀释剂、光阳离子引发剂、自由基热引发剂、异氰酸酯和多元醇混合后超声处理，然后转入真空干燥箱除去气泡得到树脂混合物；

步骤二：向配制好的树脂混合物中加入催化剂，混合均匀后涂覆在碳纤维上，并完全浸润，在20-130℃下预固化0.5-10h，得到大面积自支撑可刚化复合薄膜；预固化后的大面积自支撑可刚化复合薄膜具有柔性-可折叠的性能，在折叠的过程中树脂不会流动；

按质量份计，所述氧杂环类树脂10-60份，氧杂环类稀释剂0-90份，光阳离子引发剂1-15份，自由基热引发剂1-15份，异氰酸酯10-60份，多元醇10-60份，催化剂0.1-30份。

进一步的，所述氧杂环类树脂包括双酚A型缩水甘油醚、双酚F型缩水甘油醚、脂肪族缩水甘油醚中的一种或多种的组合。

进一步的，所述氧杂环类稀释剂包括3-乙基-3-氧杂丁环甲醇，3,3'-[氧基双亚甲基]双[3-乙基]氧杂环丁烷，3-乙基-3-[(氧化乙烯-2-甲氧基)甲基]氧杂环丁烷，3-乙基-3-[4-[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]丁氧基甲基]氧杂环丁烷中的一种或多种的组合。

进一步的，所述光阳离子引发剂包括4-辛氧基二苯碘六氟锑酸盐、二苯基碘鎓六氟砷酸盐、四氟硼酸二叔丁基苯基膦鎓盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟锑酸盐中的一种或多种的组合。

进一步的，所述自由基热引发剂包括过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐、异丙苯过氧化氢、过氧化二碳酸二异丙酯、叔丁基过氧化氢和苯频哪醇中的一种或多种的组合。

进一步的，所述异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种的组合。

进一步的，所述催化剂使用碱类聚氨酯催化剂或者有机金属类聚氨酯催化剂。

一种所述的制备方法制备的复合薄膜在空间充气展开结构中的应用，所述空间充气展开结构包括充气内胆、复合薄膜和功能层，所述复合薄膜包裹在充气状态下的充气内胆外部，所述功能层粘结在复合薄膜的外部，所述应用包括以下步骤：

步骤1、将光触发装置或热触发装置以点状或条带的形式布置在充气内胆的内侧壁上或充气内胆与复合薄膜之间或复合薄膜与功能层之间，条带的布置形状与位置使复合薄膜先固化区域对整个空间结构起到支撑作用；触发装置为柔性可折叠状态；

步骤2、使用时，对充气内胆进行充气，将空间充气展开结构展开到位，向光触发装置或热触发装置通电，触发复合薄膜的局部区域固化，条带状的率先固化区域对整个空间充气展开结构起到支撑效果，此时空间充气展开结构既不需要保气，也不需要再通电，通过自推进固化将整个空间充气展开结构中的复合薄膜固化；以点状布置的光触发装置或热触发装置适用于复杂空间充气展开结构。

进一步的，光触发装置包括柔性灯带或灯珠，所述热触发装置包括电加热膜。

进一步的，所述充气内胆为柔性透明薄膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过异氰酸酯和多元醇形成的第一网络限制了树脂流动，又保持了柔性-可折叠性能；通过合理布置触发区域，降低了触发装置的重量，在极短时间内对空间充气展开结构起到自支撑效果，即空间充气展开结构在触发区域固化后就不需要持续保气，也不需要额外输入固化能量。通过自推进固化后形成的第二网络进行复合材料性能加强，减少了能源消耗。

本发明公开了一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备及在空间充气展开结构中的应用，其不仅具有长储存期、可柔性折叠-展开的优点，还具有点触发固化的特点。即按需使用加热装置或者光源装置触发固化，触发固化区可以对空间结构起到自支撑效果，通过自推进固化向前推进，完成整个结构固化。通过合理设置触发区域对结构起到自支撑，通过自推进固化实现大面积、低能量固化，大大降低了额外触发装置重量和能源消耗，适用于复杂、大型充气展开结构。

附图说明

图1是狭小空间点触发示意图；

图2是自支撑骨架大型机翼触发过程示意图。

图3是自支撑骨架大型空间结构触发过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将氧杂环类树脂、氧杂环类稀释剂、光阳离子引发剂、自由基热引发剂、异氰酸酯和多元醇混合后超声处理5-50min，然后转入真空干燥箱，在0-100℃条件下除去气泡得到树脂混合物；

步骤二：向配制好的树脂混合物中加入催化剂，混合均匀后涂覆在剪裁成预定形状的碳纤维上，并完全浸润，使用外力压复合材料，达到需要的厚度，在20-130℃下预固化0.5-10h完成第一阶段固化，得到大面积自支撑可刚化复合薄膜，所述复合薄膜柔性可折叠，且内部树脂不会随意流动；

按质量份计，所述氧杂环类树脂10-60份，氧杂环类稀释剂0-90份，光阳离子引发剂1-15份，自由基热引发剂1-15份，异氰酸酯10-60份，多元醇10-60份，催化剂0.1-30份，所述氧杂环类树脂、氧杂环类稀释剂、光阳离子引发剂、自由基热引发剂的组合起到点触发固化效果；所述异氰酸酯、多元醇和催化剂的添加能够起到固定树脂的效果。

进一步的，所述氧杂环类树脂包括双酚A型缩水甘油醚(E44/E51等)、双酚F型缩水甘油醚、脂肪族缩水甘油醚中的一种或多种的组合。

进一步的，所述氧杂环类稀释剂包括3-乙基-3-氧杂丁环甲醇，3,3'-[氧基双亚甲基]双[3-乙基]氧杂环丁烷，3-乙基-3-[(氧化乙烯-2-甲氧基)甲基]氧杂环丁烷，3-乙基-3-[4-[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]丁氧基甲基]氧杂环丁烷中的一种或多种的组合。

进一步的，所述光阳离子引发剂包括4-辛氧基二苯碘六氟锑酸盐、二苯基碘鎓六氟砷酸盐、四氟硼酸二叔丁基苯基膦鎓盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟锑酸盐中的一种或多种的组合。

进一步的，所述自由基热引发剂包括过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐、异丙苯过氧化氢、过氧化二碳酸二异丙酯、叔丁基过氧化氢和苯频哪醇中的一种或多种的组合。

进一步的，所述异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种的组合。

进一步的，所述催化剂使用碱类聚氨酯催化剂或者有机金属类聚氨酯催化剂。

实施例2

一种实施例1所述的制备方法制备的复合薄膜在空间充气展开结构中的应用。

所述空间充气展开结构包括充气内胆，所述充气内胆由透明柔性薄膜通过胶水粘结或加热熔融的方式密封制成，其形状由宽变窄，结构示意图如图1所示。

所述应用包括以下步骤：

步骤1、将光触发装置或热触发装置以点状的形态安装在充气内胆的内部侧壁上，电源线通过充气内胆的充气管引出，将制备的复合薄膜包裹在充气状态下的充气内胆外部；

步骤2、在复合薄膜的外部粘结功能层，制备得到空间充气展开结构；所用材料均为柔性材料，因此，所述空间充气展开结构放气后可随意柔性折叠；

步骤3、使用时，对充气内胆进行充气，将空间充气展开结构展开到位，向光触发装置或热触发装置通电，触发复合薄膜的局部区域固化，通过自推进固化将整个空间展开结构中的复合薄膜固化。

进一步的，所述光触发装置为直径可调的灯珠，所述热触发装置为可调的电加热片。

进一步的，所述功能层为保温层，具有隔热和吸光的作用，可以维持空间充气展开结构内部的温度。

实施例3

一种实施例1所述的制备方法制备的复合薄膜在空间充气展开结构中的应用，所述空间充气展开结构包括充气内胆、复合薄膜和功能层，所述复合薄膜包裹在充气状态下的充气内胆外部，所述功能层粘结在复合薄膜的外部，本实施例中大型空间充气展开结构可以以任意形式进行折叠收纳。具体应用包括以下步骤：

在所述充气内胆和复合薄膜之间设置有条带状的热触发装置或光触发装置，条带状的所述热触发装置或光触发装置固定在预设定的若干个支撑位置处，如图2所示，所述条带状的热触发装置或光触发装置可以跟随空间充气展开结构折叠-展开，触发装置引发复合薄膜的局部固化形成自支撑骨架，对空间充气展开结构起到支撑作用。

具体使用时，通过对充气内胆充气，展开空间结构，打开电源，接通光触发装置或热触发装置触发区域固化形成自支撑骨架，极短时间后此区域可对整个大型空间充气展开结构进行支撑，此时空间充气展开结构不需要保气，也不需要再额外输入能量，通过自推进固化将整个空间充气展开结构中的复合薄膜固化，实现空间充气展开结构的完全固化。本发明解决了大型空间充气展开结构易塌陷、固化过程需要持续保气的问题，也大大降低了能源消耗和额外携带重量。

进一步的，所述光触发装置为条带状的灯带，所述热触发装置为条带状的电加热膜。

进一步的，所述功能层为保温层，具有隔热和吸光的作用，可以维持空间充气展开结构内部的温度。

实施例4

一种实施例1所述的制备方法制备的复合薄膜在空间充气展开结构中的应用，所述空间充气展开结构包括充气内胆、复合薄膜和功能层，所述复合薄膜包裹在充气状态下的充气内胆外部，所述功能层粘结在复合薄膜的外部，所述应用包括以下步骤：在所述充气内胆和复合薄膜之间设置有条带状的热触发装置或光触发装置，所述条带状的热触发装置或光触发装置可以跟随空间充气展开结构折叠-展开，如图3所示，在圆球形大型空间充气展开结构中，以圆球的球心为圆心在球面对称设置有若干条条带形的触发装置。通过合理设计触发装置的位置，使触发装置引发复合薄膜的局部固化形成自支撑骨架，对空间充气展开结构起到支撑作用。

具体使用时，通过对充气内胆充气，展开空间结构，打开电源，接通光触发装置或热触发装置触发复合薄膜的局部区域固化，触发固化区域形成结构自支撑肋，对整个结构球体进行支撑，此时不再需要保气和通电，然后从自支撑肋区域进行自推进固化，一段时间后将整个球体空间充气展开结构中的复合薄膜固化，实现复合材料层的完全固化。本发明解决了大型空间结构易塌陷的问题，也大大降低了能源消耗和额外携带重量。

进一步的，所述光触发装置为条带状的灯带，所述热触发装置为条带状的电加热膜。

进一步的，所述功能层为保温层，具有隔热和吸光的作用，可以维持空间充气展开结构内部的温度。

本发明通过对充气内胆进行充气，可以将空间充气展开结构展开为各种复杂结构。通过在复杂结构中任意区域处触发复合薄膜的固化，一段时间后整个空间充气展开结构即可完全刚化。图1由宽变窄的空间充气展开结构，其较窄的一端不方便安装光触发装置或者热触发装置，使用本发明的复合薄膜仅需要在较宽一端处触发固化即可完成整个结构的刚化。对于大型空间充气展开结构，本发明将触发装置设计为条带式，条带式的固化区域本身对大型空间充气展开结构提供前期的结构支撑，如图2所示，展示了自支撑骨架大型机翼触发过程示意图；图3展示了一种可自支撑式球形空间充气展开结构，通过合理排布触发区域在短时间内即可形成自支撑肋，通过自推进固化完成整个结构定型，使用本发明的复合薄膜可以解决大型空间结构易塌陷、高耗能问题。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、将氧杂环类树脂、氧杂环类稀释剂、光阳离子引发剂、自由基热引发剂、异氰酸酯和多元醇混合后超声处理，然后转入真空干燥箱除去气泡得到树脂混合物；

步骤二：向配制好的树脂混合物中加入催化剂，混合均匀后涂覆在碳纤维上，并完全浸润，在20-130℃下预固化0.5-10h，得到大面积自支撑可刚化复合薄膜；按质量份计，所述氧杂环类树脂10-60份，氧杂环类稀释剂0-90份，光阳离子引发剂1-15份，自由基热引发剂1-15份，异氰酸酯10-60份，多元醇10-60份，催化剂0.1-30份；

所述氧杂环类树脂包括双酚A型缩水甘油醚、双酚F型缩水甘油醚、脂肪族缩水甘油醚中的一种或多种的组合；所述异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种的组合；所述催化剂使用碱类聚氨酯催化剂或者有机金属类聚氨酯催化剂。

2.根据权利要求1所述的一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述氧杂环类稀释剂包括3-乙基-3-氧杂丁环甲醇，3,3'-[氧基双亚甲基]双[3-乙基]氧杂环丁烷，3-乙基-3-[(氧化乙烯-2-甲氧基)甲基]氧杂环丁烷，3-乙基-3-[4-[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]丁氧基甲基]氧杂环丁烷中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述光阳离子引发剂包括4-辛氧基二苯碘六氟锑酸盐、二苯基碘鎓六氟砷酸盐、四氟硼酸二叔丁基苯基膦鎓盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟锑酸盐中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种大面积自支撑可刚化复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述自由基热引发剂包括过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐、异丙苯过氧化氢、过氧化二碳酸二异丙酯、叔丁基过氧化氢和苯频哪醇中的一种或多种的组合。

5.一种权利要求1-4任一权利要求所述的制备方法制备的复合薄膜在空间充气展开结构中的应用，所述空间充气展开结构包括充气内胆、复合薄膜和功能层，所述复合薄膜包裹在充气状态下的充气内胆外部，所述功能层粘结在复合薄膜的外部，其特征在于所述应用包括以下步骤：

步骤1、将光触发装置或热触发装置以点状或条带的形式布置在充气内胆的内侧壁上或充气内胆与复合薄膜之间或复合薄膜与功能层之间，条带的布置形状与位置使复合薄膜先固化区域对整个空间结构起到支撑作用；

步骤2、使用时，对充气内胆进行充气，将空间充气展开结构展开到位，向光触发装置或热触发装置通电，触发复合薄膜的局部区域固化，条带状的率先固化区域对整个空间充气展开结构起到支撑效果，此时空间充气展开结构既不需要保气，也不需要再通电，通过自推进固化将整个空间充气展开结构中的复合薄膜固化。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述光触发装置包括柔性灯带或灯珠，所述热触发装置包括电加热膜。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述充气内胆为柔性透明薄膜。