一种高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法。蒙皮材料是一种由耐侯层、双层单面镀铝高阻隔膜、承力层、焊接层胶结复合而成的高阻隔、高强度、低面密度材料。所述高空浮空器蒙皮材料的耐侯层具有高耐候性；双层单面镀铝高阻隔膜实现材料的高阻隔性和对太阳光谱低的吸收发射比，有效地阻挡可见光对蒙皮材料的破坏作用；芳族聚酯纤维织物层作为承力层，复合后实现蒙皮材料较好的力学性能；通过焊接层的高频焊接功能实现浮空器的加工成型。本发明采用多次膜复合工艺，工艺简单，可以实现膜与膜、膜与布之间的良好贴合。所生产的蒙皮材料质轻高强，氦气阻隔性高，面密度仅为144g/m2，能够更好的提高高空浮空器的耐候性和高空服役寿命。

说明书

技术领域

本发明属于航空航天材料领域，具体涉及一种高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法。

背景技术

高空浮空器是一种含推进装置、可控制飞行、依靠静升力驻空工作的新型近空间多功能飞行平台，工作高度海拔约20Km。浮空器的飞行特点决定了其在军事侦察、空间预警、通信中继和空间探测等领域具有广阔的应用前景，因而广受各国科学工作者青睐。然而浮空器的高空工作环境十分严酷：温度低（最低温度约-55℃）、昼夜温差大；大气密度仅为地面的1/14；紫外线辐射、臭氧作用强烈。在此种环境下工作，首先要求蒙皮材料具有极低的面密度，过高的材料面密度使浮空器的静升力极大的丧失，难以升到平流层高度；为了抵抗强紫外线辐射和臭氧氧化，要求蒙皮材料具有良好的耐候性；浮空器内部温度不断变化，造成蒙皮内外压差增大，对长航时浮空器而言，克服温度变化引起的压差尤为重要；浮空器多采用氦气作为浮升气体，长期驻空的工作特性要求蒙皮材料必须具有极佳的阻氦气渗漏性；由于浮空器在其服役过程中蒙皮内外存在压差，以及较多的工作载荷，因此蒙皮材料必须具有足够的力学性能；同时为保持浮空器外形还需要蒙皮材料具备优良的抗蠕变性能、缝合工艺性及易于修补的特性。

高空浮空器的蒙皮材料为了满足上述综合性能要求，通常采用多层复合结构，已经披露的主要为由耐候层、承力层、阻隔层和焊接层依次胶接复合的多层结构。

例如申请号为CN201010241130.6，申请日为2010年07月30日，公开号为CN101905557A的中国发明专利申请公开了了一种具有高强度和耐候性能的超轻平流层蒙皮材料。超轻平流层蒙皮材料从外至内由耐候层、承力层、阻隔层和热封层组成。所述耐候层材料为添加纳米TiO2的聚氨酯薄膜；所述承力层材料为Vectran纤维200丹尼尔平纹织物；所述阻隔层材料为EVOH薄膜；所述热封层材料为聚氨酯薄膜。该蒙皮材料的综合性能（阻隔性能、耐候性能等）还有待进一步提高。

还有申请号为201110240641.0，申请日为2011年08月19日公开号为CN102416739A的中国发明专利申请公开一种飞艇蒙皮材料及其制备方法，该蒙皮材料顺次包括防老化层、胶层、织物层、基底层、高阻隔层和焊接层；防老化层的材料为含耐质量分数为1～3％ZnO和质量分数为2.5～4％TiO₂的热塑性聚氨酯，厚度为25～35微米；高阻隔层的材料为含有质量分数为1.5～2.5％粒径尺寸为20～70nm的SiO₂纳米颗粒的聚乙烯醇，厚度为1～3微米；焊接层的材料为热塑性聚氨酯，厚度为20～30微米。所述高阻隔层的阻隔性能相对于作为阻隔层的普通薄膜有了一定提高，但是需要特别制备，工艺也并不易掌握（由于不同粒径和含量的SiO₂纳米颗粒对隔离性能有影响）。

本发明的发明人研究发现以上这些已披露的高空浮空器的蒙皮材料的各层材料类型和复合方式大多可以进行改进，以更好的满足强度高、质量轻、氦气渗透率低和耐候性好等性能要求，以及易于操作和控制的制备工艺要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种为了更好满足上述要求的高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法。

本发明提供的高空浮空器的蒙皮材料，主要包括：耐候层、阻隔层、承力层和焊接胶层，所述阻隔层的两面分别胶接耐候层和承力层，焊接胶层涂在承力层上，所述阻隔层包括第一阻隔膜和第二阻隔膜，第一阻隔膜和第二阻隔膜都为单面镀铝聚酯膜，通过镀铝面进行胶接贴合。

优选地，第一阻隔膜和第二阻隔膜的厚度各为5～10μm。

优选地，耐候层的材料为聚偏氟乙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜，耐候层的厚度为20～30μm。

优选地，耐候层和第一阻隔膜通过第一胶液层胶接，第一阻隔膜和第二阻隔膜通过第二胶液层胶接，第二阻隔膜和承力层通过第三胶液层胶接，第一胶液层、第二胶液层和第三胶液层采用相同的聚氨酯胶液，其中第三胶液层均匀混合18～22重量%氧化锌。

优选地，承力层为浸润了聚氨酯胶液的芳香族聚酯纤维织物，承力层厚度为0.15～0.17mm。芳香族聚酯纤维织物的编织方法优选采用Panama织法。

优选地，焊接胶层为具有高频焊接功能的聚氨酯胶层，厚度为40～50μm。

本发明提供的一种高空浮空器的蒙皮材料的制备方法为：首先将两层阻隔膜采用涂布上胶的方式进行贴合形成高阻隔层，所述两层阻隔膜都为单面镀铝阻隔膜，通过镀铝面进行贴合，再在高阻隔层的两面分别胶结和贴合耐候层和浸润有聚氨酯胶液的芳香族聚酯纤维织物，最后在织物上刮涂用以形成焊接层的胶液。

优选地，所述形成高阻隔层的方法是通过覆膜机对两层单面镀铝聚酯膜进行胶接复合，其中一层镀铝聚酯膜经电晕后，均匀涂布聚氨酯胶黏剂后，与另一层镀铝聚酯膜进行镀铝面之间的贴合，复合完毕后，收卷，熟化。

优选地，所述两层阻隔膜之间以及与耐候层和芳香族聚酯纤维织物之间都采用相同的双组份聚氨酯胶液进行胶结和贴合，其中阻隔膜与芳香族聚酯纤维织物之间的聚氨酯胶液均匀混合18～22重量%氧化锌，所述用以形成焊接层的胶液为单组分热熔型聚氨酯胶液。

所述的高空浮空器的蒙皮材料的制备方法的一种更具体的优选方案包括以下步骤：

步骤一：首先是通过覆膜机对两层单面镀铝聚酯膜进行胶接复合，其中一层镀铝聚酯膜经电晕后，均匀涂布聚氨酯胶黏剂后，与另一层镀铝聚酯膜进行镀铝面之间的贴合，复合完毕后，收卷，在80℃～100℃温度下熟化一天；

步骤二：将熟化完全的双层镀铝膜与乙烯-四氟乙烯共聚物膜或聚偏氟乙烯耐候层通过均匀涂布聚氨酯胶黏剂进行胶接复合，收卷，熟化同步骤一，得三层复合膜；

步骤三：进行三层复合膜与纤维织物的复合，先将步骤二得到的三层复合膜刮涂上胶，同时，聚酯纤维Panama织物经定型胶水浸渍，干燥定型后，与三层复合膜胶接，复合完毕后收卷，熟化，得层压复合材料；

步骤四：将步骤三得到的层压复合材料，在浸渍定型胶的芳香族聚酯纤维平纹织物刮涂聚氨酯胶黏剂，刮涂后层压复合织物经长烘道干燥贴合离型膜并收卷，为了确保胶黏剂溶剂的挥发完全，烘道长度为10～15m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了强度高、质量轻、氦气渗透率低和耐候性好等综合性能，制备方法易于操作和控制。分开来讲，主要体现在以下几个方面：

1、本发明涉及的一种适用高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法，高阻隔采用双层镀铝聚酯薄膜复合，与常用的单层镀铝聚酯膜相比，耐揉搓性、耐折压性显著提高，镀铝层不易转移，气体阻隔性提高。

2、本发明涉及的一种适用高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法，采用的镀铝聚酯膜具有较低的吸收发射比，有效地降低温度变化引起的蒙皮内外压差的波动，提高了对浮空器运行的安全性。

3、本发明涉及的一种适用高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法，承重层选用超高强度的芳香族聚酯纤维Panama织物，采用Panama编织，所得织物面密度仅为48～51g/m²，达到了质轻高强的要求。

4、本发明涉及的一种适用高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法，承力层选用的Panama织物在与膜复合前，经定型胶水作浸渍处理，提高了织物的抗拉能力，有利于织物与膜的复合。

5、本发明涉及的一种适用高空浮空器的蒙皮材料及其制备方法，最外层复合含氟薄膜的同时加入了氧化锌，进一步保护纤维免受紫外线辐射，保证承重层的力学强度，提高材料寿命。

附图说明

图1为本发明一种高空浮空器蒙皮材料的结构形式示意图；

其中：1-耐候层，2-第一胶液层，3-第一阻隔膜层，4-第二胶液层，5-第二阻隔膜，6-第三胶液层，7-承力层，8-焊接胶层。

图2a、2b和2c为本发明一种高空浮空器蒙皮材料的制备工艺几个主要步骤的流程图。

具体实施方式

本发明提供的一种适用于高空浮空器的蒙皮材料的具体实施方式为，由外至内分别由耐候层、阻隔层、承力层和焊接胶层（或简称焊接层）胶接复合而成，同时具备强度高、质量轻、氦气渗透率低和耐候性好的性能特点。

所述高空浮空器蒙皮材料的耐候层位于蒙皮材料的最外层，以抵抗高空强紫外线辐射和臭氧腐蚀，所选用材质为聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜或乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）薄膜，具有优异的耐候性、抗折皱性，耐磨损性，阻氦性及使用寿命。经过电晕处理的薄膜作为耐候层，也易于和其他膜层粘结。

所述阻隔层为用聚氨酯胶黏剂胶结的双层复合单面镀铝聚酯膜（AL-PET），提高了蒙皮材料的阻氦性、抗剪切强度、韧性及光反射率，可有效的保护纤维织物，维持稳定浮空器内部温度。单层镀铝聚酯膜面密度为10～12g/m²，厚度优选为6～8μm。

所述承力层为芳香族聚酯纤维织物，主要用来承受浮空器内压并确保蒙皮材料的强度。该织物的编织方法采用Panama织法，即一次编织多根纤维，因此所得织物面密度仅在48～51g/m²。该织物具有优异的力学性能，在绝大多数有机溶剂中都比较稳定，利于干式复合生产。

所述粘结层选用双组份聚氨酯胶黏剂，具有良好的粘结强度，以及出色的抗紫外线性能，同时在膜与承力层织物复合用胶黏剂中混入19～21%氧化锌，可使纤维织物在外膜刺破的情况下免于被紫外线直射。

所述焊接层选用具有反复热熔可熔特点的单组份聚氨酯胶黏剂，粘结强度较高，利于后期的缝合工艺性及修补性。

为了更直观的了解所述的高空浮空器的蒙皮材料的结构，下面结合附图进行说明。如图1所示，各层结构依次为：耐候层1，第一胶液层2，第一阻隔膜层3，第二胶液层4，第二阻隔膜5，第三胶液层6，承力层7和焊接胶层8。

下面将结合附图和实施例对本发明的制备工艺作进一步的详细说明。

步骤一：如图2a所示，首先是通过覆膜机对两层7μm单面镀铝聚酯膜进行胶接复合。其中一层镀铝聚酯膜经电晕后，均匀涂布聚氨酯胶黏剂后，与另一层镀铝聚酯膜进行镀铝面之间的贴合。复合完毕后，收卷，在80℃的熟化温度下熟化24h。

步骤二：如图2b所示，将熟化完全的双层镀铝膜（图中表示为复合膜1）与乙烯-四氟乙烯共聚物膜或聚偏氟乙烯耐候性膜进行胶接复合，复合方法与步骤一类似。收卷，熟化同步骤一。

步骤三：如图2c所示，进行三层复合膜与纤维织物的复合。先将步骤二得到的三层复合膜（图中表示为复合膜2）刮涂上胶。同时，聚酯纤维Panama织物经定型胶水浸渍，干燥定型后，与三层复合膜胶接。复合完毕后收卷，熟化。

步骤四：将步骤三得到的层压复合材料，在浸渍定型胶的芳香族聚酯纤维平纹织物刮涂聚氨酯胶黏剂。刮涂后层压复合织物经长烘道干燥贴合离型膜并收卷。为了确保胶黏剂溶剂的挥发完全，烘道长度在15m左右为宜。

本实施方式中氦气阻隔层，选用双层7μm镀铝聚酯膜复合代替单层镀铝聚酯膜，复合后阻氦性测试发现，氦气渗透率仅为6ml/m²·24h·0.1MPa，远低于要求的0.5L/m²·24h·0.1MPa，而且采用聚醚型双组份聚氨酯胶黏剂对两层7μm镀铝聚酯膜复合，与普通蒙皮材料相比更加柔软，双层7μm复合镀铝聚酯膜与12μm镀铝聚酯膜经揉搓试验对比，发现经揉搓后12μm镀铝聚酯膜镀铝层已经发生剥离转移，而双层7μm复合镀铝聚酯膜仍保持较好的粘结效果。和单层镀铝聚酯膜相比，本发明的高空浮空器蒙皮材料更有利于后期加工制作而不损失原有阻隔性能。

本实施方式中创新的采用含氟薄膜与内涂层中添加氧化锌协同作用，提高蒙皮材料的耐候性，以保证浮空器在高空高紫外线辐射和臭氧腐蚀环境下长期驻空，而力学性能与阻氦气渗漏性能不下降。选用的乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜具有优良的耐候性，经加速老化试验证明其使用寿命可达20年以上，粘结层中添加氧化锌可有效的吸收紫外线，提高蒙皮材料的使用寿命。

本实施方式中使用芳香族聚酯纤维Panama织物作为蒙皮材料的承力层，可有效的达到材料的轻质高强。蒙皮材料具体的性能数据如下：

1、具体实施后所得蒙皮材料，依据ASTM D1434标准，测试阻氦气渗漏性实验得出结果分别是：6.015ml/（m²·24h·0.1MPa）、6.971ml/（m²·24h·0.1MPa）、6.032ml/（m²·24h·0.1MPa）。

2、具体实施后所得蒙皮材料，面密度测试实验结果如下表：

蒙皮材料总计克重为144g/㎡。

3、具体实施后所得蒙皮材料，与自制热合带采用热焊接技术焊接，测得剥离强度达到100N/80mm。

4、具体实施后所得蒙皮材料的抗拉强度测试依据GB/T3820-1997，经拉伸试验机测试，蒙皮材料的经向抗拉强度为1105.2N/cm，纬向抗拉强度为1307.5N/cm。