聚硼硅氧烷及SiO2f/SiO2复合材料表面防潮涂层制备与性能研究

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SiO2f/SiO2复合材料具有优异的抗热震耐烧蚀和透波性能,是重要的天线罩材料。但是SiO2f/SiO2复合材料具有多孔亲水性,使得SiO2f/SiO2复合材料天线罩极易吸潮,造成天线罩介电性能不稳定,严重影响航天器微波通讯功能。涂覆是改善SiO2f/SiO2复合材料吸潮问题的简单有效的手段。聚硼硅氧烷作为有机硅树脂的改性聚合物,在以-Si-O-Si-为主链的硅树脂上引入化学键能更高的-Si-O-B-,在保持有机硅树脂优异性能的同时,提高树脂的耐热性能以及粘结性能。本文首先以甲基三乙氧基硅烷(MTES)和硼酸(B(OH)3)为原料通过脱水或者脱醇缩合反应制备聚硼硅氧烷树脂胶液,B原子成功地以Si-O-B结构引入到Si-O-Si网络结构中,凝胶先驱体热稳定性提高,1000℃质量保留由有机硅树脂的34.91%提高到75%以上,分解温度提高了100℃左右。以制备得到的溶解在乙醇中的聚硼硅氧烷通过浸渍方式对SiO2f/SiO2复合材料制备涂层改善吸潮问题,聚硼硅氧烷浸入复合材料内部,填充复合材料内部缝隙,表面的树脂对复合材料表面进行部分或者全部封孔,减少复合材料对水分的物理吸附;热处理过程中树脂的羟基消耗复合材料的羟基,引入疏水甲基基团,降低对水分的化学吸附,从而达到防潮的效果。B元素的引入加强涂层与复合材料的物理交联,提高涂层与基材结合力。结果表明,B(OH)3/MTES为0.4、200℃热处理时,综合性能最佳,涂层呈疏水性,附着力达到1级,复合材料吸水率由1.15%下降到0.33%。优化原料比为B(OH)3/MTES=0.4(M10B4)。利用正硅酸乙酯(TEOS)作为无机相对聚硼硅氧烷树脂改性得到有机-无机复合杂化涂层,TEOS自缩聚得到亲水纳米粒子,甲基修饰得到疏水性粒子。TEOS/MTES提高,凝胶先驱体柔韧性下降,B元素以硼酸或者B-OH的形式并入网络结构中;凝胶先驱体1000℃质量保留在TEOS/MTES为3:7时达到最高为83.3%;但TEOS预水解不利于Si-O-B生成,凝胶先驱体分解温度降低。采用有机无机复合溶胶制备涂层,TEOS作为无机相构筑微观粗糙结构,但由于甲基减少、羟基增多,涂层表面能提高,两者综合效应,涂层改善SiO2f/SiO2复合材料的防潮性能下降。以M10B4为涂层原料,设计了三种浸渍处理方式,研究在浸渍过程中乙醇、水等蒸发逸出程度对于涂层效果的影响。结果发现,浸渍过程中乙醇以及水蒸发逸出越彻底,对复合材料的内部填充越有效,越有利于防潮性能的改善;但是采用浸渍热处理的方式制备涂层,复合材料经受浸渍及热处理长时间的湿热和硼酸的侵蚀,造成弯曲性能下降。综合防潮性能以及弯曲强度,在浸渍过程中采用乙醇和少量水分自然挥发,浸渍次数少于3次,综合性能最佳,此时弯曲强度在30MPa以上,吸水率下降到0.33%。
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