蒙皮材料防靜電性能探索研究

武國(guó)軍，陳 思，劉圣千，鄭 磊，易懷強(qiáng)，吳家紅

(中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院四十六所，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

平流層飛艇是指飛行于大氣平流層的飛艇，工作高度一般為18～24 km左右，主要依靠靜升力駐空工作。平流層飛艇的工作環(huán)境十分苛刻，環(huán)境溫度低，大氣密度約為地表的1/14，紫外輻射和臭氧作用強(qiáng)烈[1-2]。在這種環(huán)境下長(zhǎng)期工作，飛艇蒙皮材料必須具有高的強(qiáng)度和耐候性以及低的面密度和氦氣滲透率，因此采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)一般包括承力層、阻隔層、耐候?qū)右约案鲗又g的粘結(jié)層[3-5]。日本航空宇宙研究機(jī)構(gòu)Komatsu等[6]進(jìn)行了高強(qiáng)纖維基質(zhì)平流層飛艇蒙皮材料的研究，采用芳香族聚酯(Vectran)纖維、芳綸(Kevlar)、聚對(duì)苯撐苯并二惡唑(PBO)纖維等織物作為承重層，聚氟乙烯(PVF)薄膜作為耐候?qū)?，聚酯薄?Mylar)、乙烯-乙烯醇聚合物(EVOH)等作為阻氦層，形成不同組合，制備了多種蒙皮材料試樣。

飛艇是利用輕于空氣的氣體為介質(zhì)的浮空器。輕于空氣的氣體很多，如甲烷、氮?dú)?、氫氣、氦氣甚至?jīng)過(guò)加熱的空氣。但要作為平流層飛艇的浮升氣體，從目前來(lái)看主要是氫氣與氦氣。1937年興登堡D-L129充氫飛艇在美國(guó)新澤西州萊克赫斯特基地著陸時(shí)，因靜電富集引起著火爆炸，30多人罹難。自此之后，氫氣己退出應(yīng)用于飛艇的歷史舞臺(tái)，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局也禁止使用氫氣作為飛艇的浮力氣體。但如今科技的發(fā)展，浮升氣體的用途越來(lái)越廣，量也越來(lái)越大，因此，許多學(xué)者重新提出使用氫氣作為飛艇的浮升氣體，況且在出現(xiàn)興登堡飛艇災(zāi)難前，用氫氣作為浮升氣體已經(jīng)安全地工作在幾十艘飛艇上?？茖W(xué)的發(fā)展，使得使用氫氣為浮力氣體的飛艇又有了希望。

前人對(duì)于充氫飛艇蒙皮材料的研究多集中于輕質(zhì)、高強(qiáng)、低透氣率、耐候、抗紫外等性能。但影響充氫飛艇蒙皮材料穩(wěn)定應(yīng)用的另兩個(gè)因素還有防靜電(表面電阻率為106～109Ω)及阻燃性能。目前，對(duì)于蒙皮材料防靜電及阻燃性能的報(bào)道仍較少，多集中于單一聚合物如聚氨酯、聚氯乙烯等材料的研究。相比于聚氯乙烯，聚氨酯材料因其良好的韌性、耐磨性、耐老化性和黏合性，已被應(yīng)用于蒙皮材料的耐候?qū)雍秃附硬牧现小?/p>

嘗試以環(huán)保型的聚氨酯為基體，通過(guò)添加導(dǎo)電劑提高聚氨酯的防靜電性能，并將其以涂層的方式涂覆于自制的蒙皮材料表面，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試分析，開(kāi)展了蒙皮材料防靜電性能的探索性研究。

1 試驗(yàn)部分

采用層壓復(fù)合設(shè)備，將Vectran纖維與PVF薄片進(jìn)行層壓復(fù)合處理，然后將其裁成面積為100 cm2的蒙皮若干塊，面密度約為140 g/m2。將體積電阻率為～1×103Ω的導(dǎo)電添加劑(導(dǎo)電云母、導(dǎo)電氧化鋅、導(dǎo)電針狀二氧化鈦、多臂碳納米管)按不同質(zhì)量百分比分散至聚氨酯中，制成防靜電聚氨酯材料。將制成的防靜電聚氨酯材料以刷涂的方式，按照聚氨酯與蒙皮材料質(zhì)量比0.5∶1、1∶1、2∶1、3∶1的比例，涂覆于裁好的蒙皮材料表面，經(jīng)常溫干燥后制成防靜電蒙皮材料。

利用電阻率測(cè)試儀器(EST121型數(shù)字超高電阻、微電流測(cè)量?jī)x)測(cè)試聚氨酯和蒙皮材料表面電阻率。

2 結(jié)果與討論

未添加與添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為～20%導(dǎo)電云母、導(dǎo)電氧化鋅、導(dǎo)電針狀二氧化鈦和碳納米管聚氨酯的表面電阻率變化如圖1所示。

圖1 不同導(dǎo)電填料的聚氨酯表面電阻率變化圖

由圖1可以看出，未添加聚氨酯時(shí)表面電阻率為～1.4×1012Ω。隨著導(dǎo)電添加劑的加入聚氨酯表面電阻率都有大幅度的降低，其中添加導(dǎo)電云母的聚氨酯表面電阻率最小，降低至～1.6×107Ω，已達(dá)到防靜電效果。添加碳納米管樣品的降低幅度最小，僅降低至～3.84×109Ω。一般情況，對(duì)于碳納米管材料，因其結(jié)構(gòu)的特殊性，相比于其他導(dǎo)電粉體應(yīng)該具有更加優(yōu)異的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)果顯示剛好相反，這可能是因?yàn)樘技{米管并沒(méi)有均勻地分散在聚氨酯中。

碳納米管雖不能大幅度降低聚氨酯的表面電阻率，但其本身質(zhì)量較輕，添加后不易增加材料面密度。為了進(jìn)一步優(yōu)化聚氨酯的表面電阻率，通過(guò)將導(dǎo)電云母及碳納米管共混的方式分散于聚氨酯中，導(dǎo)電云母與碳納米管的總質(zhì)量仍占聚氨酯的20%。添加碳納米管與導(dǎo)電云母質(zhì)量比為1∶10、3∶7、5∶5、7∶3的聚氨酯表面電阻率變化如圖2所示。

圖2 碳納米管與導(dǎo)電云母不同添加質(zhì)量比的聚氨酯表面電阻率變化圖

由圖2可以看出，隨著碳納米管與導(dǎo)電云母質(zhì)量比的增加，聚氨酯表面電阻率呈先減小后增加的趨勢(shì)，納米管與導(dǎo)電云母質(zhì)量比3∶7時(shí)，聚氨酯表面電阻率最低為～6.1×106Ω，該值相比于單獨(dú)混合導(dǎo)電云母時(shí)的～1.6×107Ω，又有明顯的降低。

將上述電阻率最低的～6.1×106Ω聚氨酯按照與蒙皮材料質(zhì)量比為0.5∶1、1∶1、2∶1、3∶1的比例涂覆時(shí)，蒙皮材料表面電阻率變化如圖3所示。

圖3 不同涂覆比的蒙皮材料表面電阻率變化圖

由圖3可以看出，隨著聚氨酯涂覆量的增加，蒙皮材料的表面電阻率呈先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。當(dāng)聚氨酯與蒙皮材料質(zhì)量比為1∶1時(shí)，蒙皮材料的表面電阻即可由未涂覆前的～6.8×1012Ω降低至～8.5×106Ω。隨著聚氨酯與蒙皮材料質(zhì)量比的進(jìn)一步增加，表面電阻率變化不明顯，且電阻值均已接近聚氨酯的電阻率～6.1×106Ω。結(jié)果表明，聚氨酯與蒙皮材料質(zhì)量比為1∶1時(shí)，聚氨酯已可以實(shí)現(xiàn)在蒙皮材料上的均勻涂覆。

聚氨酯在涂覆后，在蒙皮材料干燥中存在水的揮發(fā)，因此實(shí)際得到的防靜電蒙皮材料的面密度為190、240、350和460 g/m2。綜合性能較為優(yōu)異的是面密度為240 g/m2、表面電阻率低至～8.5×106Ω的防靜電蒙皮材料，距離充氫飛艇的應(yīng)用仍存在距離。對(duì)于導(dǎo)電添加劑和聚氨酯及其與蒙皮材料復(fù)合后的綜合性能還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

以聚氨酯為基體，通過(guò)添加導(dǎo)電劑提高聚氨酯的防靜電性能。在聚氨酯中添加導(dǎo)電云母、導(dǎo)電氧化鋅、導(dǎo)電針狀二氧化鈦、多臂碳納米管，制備了表面電阻率低至～6.1×106Ω的聚氨酯材料。將其涂覆于蒙皮材料后，當(dāng)聚氨酯與蒙皮材料的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，蒙皮材料表面電阻率低至～8.5×106Ω，實(shí)現(xiàn)了蒙皮材料的防靜電性能。同時(shí)，蒙皮材料面密度由～140 g/m2增加至～240 g/m2。目前，該材料距離充氫飛艇蒙皮材料的應(yīng)用仍存在距離，進(jìn)一步優(yōu)化原材料制備及工藝調(diào)控，將有望繼續(xù)提升防靜電蒙皮材料的綜合性能。此外，對(duì)于蒙皮材料阻燃性能的研究，也將有利于其在充氫飛艇上的應(yīng)用。