JPH03500423A - 宇宙船のための静電放電防御を提供する方法およびそのための組成物 - Google Patents
宇宙船のための静電放電防御を提供する方法およびそのための組成物Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、静電放電及び熱的効果から宇宙船を保護する方法及び組成物に係り、
特にリチウム塩及び任意に五酸化タンタルを含むポリマー組成物、及びそのよう
な組成物の使用方法に関する。
従来の技術及び発明が解決しようとする課題衛星及び宇宙船は、長期間にわたる
極端な温度差(例えば−156又は−250℃〜121又は250℃)及び真空
のような宇宙環境により付与された厳しい条件に耐えねばならない。特に、宇宙
船のための進行する問題は、その性能を最適化するために、宇宙船の電子装置及
びバツ≠リーを室温又はその付近の温度に維持するための温度制御を行う上での
困難性である。加えて、宇宙船に用いた構造部品は、例えば200°F(93℃
)以上の温度にさらされたときに損傷を受け得る有機材料から構成されている。
その結果、これらの部品は、構造上の損傷を避けるために冷却されなければなら
ない。
宇宙船の温度制御の中心問題は、宇宙環境には対流がないということであり、そ
こでは物体は放射によってのみ冷却されるが、それは熱伝導に比べ熱移動は非常
に効果的ではない。
この問題は、極端な温度差がしばしば生ずるような太陽光の照射による熱負荷が
非常に高いという事実により更に複雑なものとなっている。
どのような物体も、すべての方向に電磁放射を一定に発する。もし物体が約10
00’ F (538℃)以下であるならば、そのエネルギーは、肉眼では検知
出来ない赤外線である。
放射されたエネルギーの量は、通常「ε」で示される「放射率」と呼ばれるパラ
メーターに直接関係する。表面が太陽光のような電磁放射にさらされるとき、そ
の放射は一部吸収され、一部反射される。もし物体が透明又は半透明であるなら
ば、一部透過する。これら3つのエネルギー成分間の関係は、次の保存式により
与えられる。
α十p十τ■1
式中、α−吸収率:物体に吸収された入射光の割合ρ−反射率二表面から反射さ
れた入射光の割合τ−透過率:物体を透過する入射光の割合α、ρ、τの相対的
な大きさは、単に物性、温度、配置に依存するだけでなく、放射線の波長又はス
ペクトルにも依存する。現在関心がもたれる多くの材料の場合、τは小さく(0
,01未満)、ゼロとみなすことが出来る。一般に、低いαを有する材料は、比
較的太陽光に影響されない。高いεを有する表面は、良好な熱の拒否体である。
また、低いα/ε比を有する表面は、照射されたとき、冷却状態にとどまる傾向
にある。
宇宙船の熱的制御は、カプトン(Kapton) (デュポン社の登録商標であ
るポリイミド)又はテフロン(デュポン社の登録商標であるポリテトラフルオロ
エチレン)のような誘電材料の膜又は多層ブランケットを用いることにより達成
された。
これらの膜は・高い反射率及び低い吸収率を達成するために、膜の内面にアルミ
ニウム又は銀が被覆されている。熱制御ブランケットは、例えば、一方の面にア
ルミニウムがコートされ〜隣接する層間の接触が最小となるように集成された、
カプロン膜の数層(例えば3〜6層)から形成され得る。熱制御ブランケットは
、保護される部品の外面に適用される。しかし、そのような熱制御ブランケット
の誘電内層は、宇宙空間内の高エネルギー粒子がメタライズ外層を透過し、ブラ
ンケットの内層に付着したときに帯電してしまう。この電荷は、以下に示すよう
に、静電放電が生じ得る高レベルに蓄積し得る。
宇宙環境内の宇宙船は、多くの荷電粒子及び放射線にさらされる。静電荷は、宇
宙船の部分に過剰の電子の形で蓄積する。電圧差が宇宙船の異なる部分間に生じ
、宇宙船の種々の表面間に静電放電を生ずるか又は構造体グラウンドにアークを
生ずるに十分なレベルに到達し得る。これらの放電は、電子回路に損傷を与える
か又は劣化させ、出力停止、地上への通信の一時的喪失、又はシステムコントロ
ール機能の喪失のような重大な問題を生じ得る。
幸運にも静電放電の問題は、太陽からの放射線が貯蔵された電子を放出させ、静
電荷の蓄積を中和するので、ある場合にはかなり軽減される。その結果、連続的
に回転する衛星、即ち回転安定化された衛星の場合には、衛星の極くわずかな部
分のみが静電放電を生ずるに十分長く陰となり、この電荷はどの回転サイクルに
おいても太陽のフォトンにより消失するので、静電荷の蓄積はかなり軽減される
。しかし、連続的に回転しない衛星、即ちボディー安定化衛星の場合には、衛星
の半分が常に陰となる。陰の領域は、隣接する太陽光が照射された領域に比べ、
貯蔵された電子を効果的に放出することが出来ない。このようにして電圧差が生
じ、静電放電の問題を生ずる。加えて、衛星に用いられた平らなソーラーパネル
の裏面は、地磁気プラズマがボディー安定化衛星内のソーラーパネルを帯電させ
るよりも大きい率で静電荷を放出することが出来ない。
現在、衛星内の静電放電を減少させる試みは、表面導電性のみを有する外側コー
ティング(酸化インジウムスズ、ゲルマニウム)の使用、又はワイヤーハーネス
コネクターにおけるフィルタービンの使用を含む。ワイヤーハーネスコネクター
におけるフィルタービンは、静電放電問題を軽減するが、それを防止しないとい
う欠点を有している。薄いコーティング(100〜200OA)いついては、そ
れらは脆く、高価であり、表面導電性のみを提供する。それらは5keVという
低いエネルギーを有する電子により容易に透過され、下地の構造体を静電的に荷
電し得るので、地磁気プラズマの嵐がらの防御を提供しない。
このように、熱的制御を提供し、かつ同時に宇宙空間内の静電放電に対し防御す
ることが出来る組成物に対する要求が、宇宙船及び衛星の分野で存在する。
従って、本発明の一般的目的は、宇宙環境内の物体に対し、熱的制御及び静電放
電防御を提供する新規な組成物、及びそのような組成物を用いる方法を提供する
ことにある。この組成物及び方法は、従来技術の利点の多くを、すべてではない
としても、有するとともに、上述の欠点を解決するものである。
発明の概要
上述の本発明の一般的目的は、(a)電子絶縁体であり、宇宙の適用に適するポ
リマーを形成する選択されたポリマー又は樹脂、及び(b)層(膜又はコーティ
ング)に形成されるときに、前記組成物が約106〜1011Ω・cmの体積抵
抗率と、約0.305〜0.595の範囲の太陽光吸収率/トータルノーマルエ
ミツタンスを有する半導電性膜またはコーティングを提供する、ドーパントとし
ての選択されたリチウム塩を含む新規な組成物を提供することにより達成される
。
本発明の組成物は、宇宙船に対する熱的制御及び静電放電防御を提供する膜又は
コーティングに形成される。基本的なポリマーは、基本的なポリマーは、宇宙へ
の適用に適切であるように、即ち紫外線、高エネルギー粒子、及び高温に対する
耐性を有するものであるように選択される。加えて、本発明の組成物に用いられ
るポリマーの樹脂は、良好な操作性又は加工性のパラメーターを持たなければな
らない。(本明細書で用いられているように、「樹脂」なる藷は、それからポリ
マーが形成されるポリマー先駆体を含む混合物を意味する。
本発明で用いられるポリマーは、特定の光学特性を有する脆くない膜又はコーテ
ィングを形成しなければならない。例えば、幾つかの用途には、光学的に透明な
材料有することが望ましく、一方、他の用途には、白色材料が満足すべきもので
あろう。しかし、ポリマーの色彩がスペクトルの黒色端に向かうに従って、ポリ
マーは、太陽光の放射線をより多く吸収するようになるので、本発明には不適切
である。本発明に用いるに適切なポリマーとしは、これらに限定されるのではな
いが、エポキシ、エポキシシロキサン、エポキシシラン・シリコーン、ポリイミ
ド−シロキサン、弗素化されたポリイミド、弗素化されたポリエステル、及び弗
素化されたポリイミド−シロキサンがある。
本発明の第1の態様によると、組成物は、以下に示すドーパントと混合される未
重合のポリマー前駆体を含み、この混合物はその後重合されてポリマーフィルム
又はコーティングを提供する。
本発明の第2の態様によると、組成物は、ドーパントと混合されるポリマーを含
み、この混合物はポリマー層又はフィルムに成型される。重合した材料が弗素化
されたポリイミド、弗素化されたポリエステル、及び弗素化されたポリイミド−
シロキサンのように溶解可能であるならば、それはドーパントと直接混合されて
もよい。しかし、もし重合した材料がエポキシ、エポキシシロキサン、エポキシ
シラン、シリコーン、ポリイミド−シロキサンのように不溶であるならば、出発
物質としてポリマー前駆体が用いられ、ドーパントと混合され、その後重合され
る。
詳細な説明
本発明者らは、ポリマーと共用可能なリチウム塩をポリマーに含有させることに
より、ポリマーをイオン的に導電性とし、静電放電防御を提供する材料を形成で
きることを発見した。この材料は、この材料は、この目的に必要な表面及びバル
ク(又は体積)の両方の抵抗率を有している。約106〜1011Ω・cmの範
囲の体積抵抗率が得られた。106Ω・cm未満では、この材料は導電性であり
すぎ、相互変調及び電子クロストークが生ずるので望ましくない。IQllΩ・
cmを越えると、所望の静電放電防御を提供しない。更に、本発明の組成物から
形成された膜又は層は、膜又は層の外層から内層への勾配なしに膜の厚さにわた
って均一な半導電性を有する。
本発明の組成物に用いられる特定のリチウム塩及びその量は、基本的ポリマーの
特性に依存する。エポキシ、エポキシシロキサンのような低いガラス転移点及び
(Tg)を有し、フレキシブルな樹脂に対しては、本発明において好ましいドー
パントはリチウムテトラフルオロボーレート(LiBF4)である。低いTgの
材料の場合には、比較的少量のLiBF4により所望の効果を得ることが出来る
。しかし、ポリイミエドのような高いTgを有し、より剛性の樹脂の場合、イオ
ン移動性を生ずることは困難であり、所望の効果を得るために高い割合のLiB
F4が必要であろう。不幸にして、この高い割合では、LiBF4は析出する。
その結果、高いTgを有する樹脂に対しては、異なるドーパントが必要である。
Coventry、Rhode l5landのHoechst Ce1ans
eから得られた弗素化されたポリイミド5IXEF−44に対しては、この目的
にペルフルオロオクタン酸のリチウム塩が有効であることがわかった。炭素数2
〜12のアルキル基を有する同様の化合物が、上記オクタン化合物と同様に働く
であろう。この弗素化されたポリイミドのためのドーパントは、このポリマーと
の適合性のための弗素置換体を含んでいる。他のポリマーに対しては、使用され
るドーパントは02〜C1□の酸又はアルコールのリチウム塩を包含するであろ
う。そこでは02〜C1゜基は、ポリマーの主鎖における基と適合し得るラジカ
ルと置換されている。本明細書で用いられている「適合し得る」なる語は、ポリ
マー鎖に見出だされる分子部分を含むことを意味する。例えば、シリコンを含む
ドーパントがシリコーンポリマーに対して使用されるか、又は弗素を含むドーパ
ントが弗素化されたポリマーに対して用いられる。このドーパントは、次の一般
式Iを有する。
式中、Xは
からなる群から選択され、
Y−H,C1〜C4アルキル基、oH又はハロゲン基Z−H又はハロゲン基
R1及びR2はそれぞれポリマーと適合し得る置換基でに対し、ドーパントは酸
の塩を包含し、に対し、ドーパントはシラノールの塩を包含し、に対し、ドーパ
ントはシリルカルボン酸を包含する。
シリコーン材料の特別の場合には、もし酸基がシリコーン基の次に位置するなら
ば、この材料は不安定であり、酸は湿気にさらされて分解される。その結果、安
定なドーノくントを提供するために、上述のように、酸基は、シリコーン基に結
合した有機基に位置しなければならない。
ポリマーに対するドーパントの適合性は、所望のドーパントの移動度を達成する
ために必要である。例えば、シリコーンポリマーに対し、シラノール又はシリル
カルボン酸が、本発明に従って増加したイオン伝導度を生ずることが期待される
。リチウム塩は、樹脂又はポリマー100部当たり1〜75部、好ましくは1〜
9部、本発明の組成物に含まれる。
もし出発物質がポリマー先駆体ならば、ドーパントは、重合が生ずる時にポリマ
ー鎖に含まれるようになる。もし出発物質がポリマーを含むならば、ドーパント
は、交換反応又は他の反応によりポリマー鎖に含まれるようになる。そのような
反応では、ポリマーに存在する結合は破壊され、新たな結合がドーパントに対し
形成される。
更に、本発明による組成物は、それらを有効な熱的制御材料にする熱−光学特性
を有するコーティング又は膜を提供する。α /E 又は太陽光吸収能/トータ
ルノーマル発s TNゝ
光能は、どれだけ材料が熱を吸収し、発するかの目安であり、材料がどれだけ熱
くなるかを示す。熱制御材料としては、低い値のα5/εTNが望ましい。本発
明の組成物は、約0.305〜0.595のαS/εTNを有することが見出だ
されている。この値は、良好な熱制御材料であることを示している。これらの組
成物は、ラジオ波エネルギーを透過するという利点をも加えている。
更に、本発明の他の態様によると、上述の組成物に対する五酸化タンタルの添加
が、五酸化タンタルとリチウム塩との間の相乗効果を生じ、五酸化タンタル単独
に比較して実質的に組成物の抵抗を下げる電子及びイオン伝導度を・提供するこ
とが発見された。五酸化タンタルは、樹脂又はポリマー100部当たり0,1〜
80部、好ましくは20〜40部、本発明の組成物に含まれる。
本発明の組成物は、実施例1に示すように、エポキシ樹脂と、樹脂100部当り
9部(9phr)のリチウムテトラボーレートとにより製造される。第2の組成
物は、同じエポキシ樹脂と、9phrのテトラフェニル硼酸ナトリウムとにより
製造される。硬化した膜の体積抵抗率は、それぞれ2X10”Ω”cm及び4X
1012Ω”amであり、これに対し、エポキシ樹脂のみの場合は>1015Ω
・cmであった。
本発明におけるL]BF4の添加は、テトラフェニル硼酸ナトリウムを添加する
場合よりも、未硬化樹脂のゲル化を早め、体積抵抗率を低下させることが見出だ
された。
本発明による2つの追加の組成物が、実施例1に示すように、エポキシノボラッ
ク、30重量%の五酸化タンタル、及びLi BF4により製造された。一方の
組成物では、2%のLi BF4が使用され、他方の組成物では4%のLi B
F4が使用される。硬化した膜は、測定の結果、それぞれ4X10”Ω’cm及
び7X10’Ω”cmであった。これらの結果に基づき、本発明においては、高
いガラス転移点を有するポリマーは、高濃度の塩を必要とするという結論が得ら
れた。
表工の最初の項目に示すように、エポキシ−シロキサン樹脂、リチウムテトラフ
ルオロボーレート、及び五酸化タンタルを含む本発明の組成物から形成されたポ
リマー膜に対し、抵抗率の追加の研究が行われた。比較のため、同一のエポキシ
−シロキサン樹脂及び他の塩及び/又はフィラーを含む他の組成物から形成され
たポリマー膜がテストされた。これらの結果を表Iに示す。表1に示されるよう
に、本発明の組成物は、低い体積抵抗率と低いαS/εTNとの間の最適な均衡
を有するポリマー膜を提供するとともに、同時に白色膜を提供する。′これらの
組成物は、実施例2に示すように製造及び加工される。エポキシ−シラン及びシ
リコーンは、本発明の組成物に用いられる時、上述のエポキシ−シロキサンのそ
れと同様の挙動を示すことが予想される。表1の項目3及び4に関しては、本発
明のこれらの組成物は、低い体積抵抗率を有していた。しかし、これらの組成物
は、硬化の促進によりポットライフを持たないため、実行可能ではなかった。
注:
LiBF4 −リチウムテトラフルオライド、アルドリッヒケミカル社製
NaBφ4 −ナトリウムテトラフェニルボーレート、アルファプロダクト、モ
ルトンチオコール社製Sb/In2O3−アンチモンドープト酸化インジウム、
インジウム社製
W−10−アンチモンドープト酸化スズ/酸化チタン、三菱瓦斯化学社製
KH2−イソプロピルトリ(ドデシル)ベンゼンスルホニルタイタネート、ケン
リッヒペトロケミカル社製TiO2−二酸化チタン、 T i −Pure−R
−900、デュポン社製
BF3/TiO2−ボロントリフルオライドがドープされた酸化チタン
5n02 −酸化スズ
BF3/5no2 −ボロントリフルオライドがドープされた酸化スズ
Ta2O,−五酸化タンタル、シールドアロイ社製BF3/Ta205 −ボロ
ントリフルオライドがドープされた五酸化タンタル
In2O5−酸化インジウム、アエザール(Aesar )社製
a:ポットライフなし
+:分光光度計の代わりにリフレクトメーターを用いてテストした。
phr:樹脂100部当りの部
αS :太陽光吸収能
εニド−タルノーマルエミツタンス
表Hに示すように、Hoeehst Ce1aneseから得た弗素化されたポ
リイミド5IXEF−44、及び本発明の添加剤を含む1本発明の組成物から形
成されたポリマー膜に対し、更に抵抗率の研究が行われた。比較のため、同一の
弗素化されたポリイミドと他の添加剤を含む組成物から形成されたポリマー膜か
テストされた。その結果を表■に示す。表■から明らかなように、本発明の組成
物から形成されたポリマー膜(項目1−5)は、低い体積抵抗率と低いα5/ε
TNとの間の最適な均衡を提供する。これらのサンプルは、実施例4に従って製
造され、加工される。加えて、本発明の好ましい態様を示す表■の項目3−5は
、与えられた膜について、空気側及びガラス側における体積抵抗率及び表面抵抗
率は、実質的に同一であることを示している。これらの結果は、その厚さを通し
てこれらの膜の導電率の均一性を示している。本発明の膜の均一な導電率は、膜
の内面における電荷の不所望な蓄積を防止する。これに対し、表■の項目15に
示すように、従来のリチウムパラジウムクロライドからなるドーパントを含む膜
は、表面の抵抗率(空気側)よりも高い体積抵抗率を有し、かつ膜の2つの側に
ついて異なる表面抵抗率を有していた。そのような膜は、導電率に勾配を有し、
電荷はより絶縁性の部分に蓄積し、静電放電を導く。パラジウム塩の減少のため
、そのような膜は黒色であり、これは熱制御膜にとって不適切である。
弗素化されたポリエステル又は弗素化されたポリイミドシロキサンのような他の
高度に弗素化されたポリマーは、本発明の組成物に用いられたとき、上述の弗素
化されたポリイミドと類似の特性を示す。
表■の注
(a)ρシ一体積抵抗率
(b)R3、ガラス−シート抵抗、膜のガラス側(C)R5、空気−シート抵抗
、膜の空気側(d)c7F、、CO2Li −ペルフルオロオクタン酸−リチウ
ム塩
(e) n−メチルピロリドン(NMP)の代わりに5IXEF−44を溶媒和
するために用いられたジメチルアセトアミド(DMAc)
(f)NMPの代わりに5IXEF−44を溶媒和するために用いられたトルエ
ン/THF混合物(g)1%CAVCOMod A ジルニア 7 /l、 ミ
ネートカップリング剤の一体添加
(h)フェネチルトリメトキシシランでプリサイズされたa205
(i)6FDA−Li −ヘキサフルオロイソプロピリデン(6F)ジアンハイ
ドライドのリチウム塩(j)6FPA−Li−6Fポリアミド酸のリチウム塩(
1:2のモル比の6Fジアミン(6FDAM)と6Fジアンハイドライドから製
造された酸)
(k)6FPA−C7F15CO2Li −(j)で製造された同じ酸を用いた
6Fポリアミド酸のペルフルオロオクタン酸リチウム塩
(1)ナフィオン(Naf ton)−スルホン酸基を末端基とする弗素化され
たエーテル側鎖を有するポリテトラフルオロエチレンのポリマー、デュポン社の
商標
(m)KZTPP−テトラ[2,2−ビス−(アリルオキシメチル)ブチル]−
シクロピロフォスフアトジルコネート
(n)LZ 97− [2,2−ビス−(アリルオキシメチル)プチルコートリ
−(3−アミノフェニル)ジルコネート(o)KR55−テトラ[2,2−ビス
−(アリルオキシメチル)ブチルコータイタネート−ビス−[ジ(トリデシル)
フォスフェート)錯体
(p)Ag /Ni球=銀を被覆されたニッケル球、250メツシニ
(q)TEA−)リエタノールアミン
(r)S IXEF−44及び塩を溶媒和するために使用されたプロピレングリ
コールモノメチルエーテルアセテート更に、本発明に従って5IXEF−44か
ら形成されたポリマー膜は、メタライズされ、表■に示すように、熱光学特性が
テストされた。既に述べたように、メタライズされた膜が相互に積層され、縫う
等の任意の方法により結合され、熱制御ブランケットを形成する。表■に示すデ
ータかられがるように、本発明の組成物から形成されたメタライズポリマー膜は
、銀被覆のカプロン(≧0.50)及びテフロン(0,15)の間のαS/εT
N値を有する。
このように、以上の議論から、本発明は、約106〜10′1Ω・Crrjの体
積抵抗率、メタライズされた場合0.305〜0.595、銀でメタライズされ
た場合0.288〜0.406のαS/εTNを有する。
表 ■ 弗素化されたポリアミド組成物のメタライズド膜の熱光学特定
注:
(a)14の一方の側のみに、クロムストライクの蒸着とともに又はそれなしに
、銀(200OA、8X10−’インチ)の蒸着からなるメタライゼーション
(b)メタライズされない膜の両面(第1の値は膜のガラス側、第2の値は膜の
空気側)において、及びメタライズされた膜の艶消しくメタライズされない)側
においてC5及びεTNが測定される。
(c)S IXEF−44,4phrのLiBF4、及び30ph rのTa2
05を含む組成物(d)S IXEF−44、及び80ph rのC7F15C
O2Liと30ph rのTa205とを含む添加剤を含む組成物
以下に、本発明の実施例を示す。
実施例1
この実施例は、エポキシ樹脂とリチウム塩ドーパントとを含む本発明の組成物の
製造及びテストを示すものである。
使用されたエポキシ材料は、3M社から得たエポキシプライマーEC3924で
あった。(プライマーは、エポキシプレポリマーと、接着促進剤、腐食防止剤の
ようなプライマー組成物に典型的に用いられている添加剤とを含有する。)次の
3種の組成物が製造された。(a)本発明に従い、樹脂100部当り、リチウム
テトラフルオロボーレート9部を含むもの、(b)9phrのナトリウムテトラ
フェニルボーレートを含むもの、(c)6phrのナトリウムテトラフルオロボ
ーレートと、三菱瓦斯化学社製の33ph rのアンチモンをドープした酸化ス
ズフィラー(T1)を含むものである。エポキシプライマーに加える前に、この
塩を最小量のエタノール(<5m1)に溶解した。使用する場合には、フィラー
をプライマーに加え、約15時間ボールミルにがけた。次に、プライマーサンプ
ルを0.0625インチC0,1588cm)の厚さのアルミ板に、0.001
インチ(0,00254cm)の硬化膜厚に塗布し、室温で3゜分間乾燥し、次
いで1時間、250°F (121℃)で乾燥した。
ASTM D257−78 r絶縁材料のD−C抵抗又は導電度」に従って、体
積抵抗率を測定した。本発明のエポキシ−L i BF4組成物の体積抵抗率は
’) X I Q I IΩ・cmであり、一方、エポキシ−NaBφ4組成物
の体積抵抗率は4X10”Ω’cmであり、エポキシ−LiBF4−T1組成物
の体積抵抗率は2X10’Ω・cmであった。エポキシプライマーのみは、>1
Q15Ω・cmの体積抵抗率を有していた。エポキシ−LiBF4−T1組成物
による抵抗率の低下は、ドーパントとフィラーが有する相乗効果を示している。
この効果は、実施例2において更に調査する。
実施例2
この実施例は、エポキシ−シロキサン樹脂と表1に示す添加剤とを含む本発明の
組成物、及び比較のため、同じエポキシ樹脂と他の添加剤とを含む組成物の製造
及びテストを示すものである。
使用されたエポキシ−シロキサン材料は、シラー(Silar )研究所から得
た1、3−ビス−(グリシジルオキシプロビル)テトラメチルジシロキサンであ
った。次の3種の組成物が製造された。硬化剤は、ブリストル(bristol
)のベトラーチシステム(petrarch System )又はシラー研
究所から得た1、3−ビス(3−アミノプロピル)−1,1,3,3−テトラメ
チル−1,3−ジシロキサン(APMD)を含有していた。使用する場合には、
フィラーを樹脂に加え、約15時間ボールミルにかけた。塩が使用される場合に
は、フィラーが添加された又は添加されない混合物に加える前に、この塩を最小
量のエタノール(<5m1)に溶解した。得られた混合物に100%の化学量論
量でAPMDを加えた。次に、混合物を0.0625インチ(0,1588cm
)の厚さのアルミ板に、0.005〜0.0351インチ(0,013〜0.0
89cm)の硬化膜厚に塗布した。このサンプルを2時間、160’ F (7
1℃)で乾燥した。種々のエポキシ−シロキサン組成物についてフィラーと塩の
比、体積抵抗率、色、C5、εTN’及びα5/εTN比は、上述の表工に示さ
れている。
ASTM D257−78に従って、テストサンプルの体積抵抗率を測定した。
ギールダンクル(Gier−Dunkle )リフレクトメーターでテストされ
た表Iにおいて「+」で示されるサンプルを除いて、α を測定するために、積
分球を具備するベックマンDK−2A分光光度計を用いた。ギールダンタル(G
ier−Dunkle )リフレクトメーターは、εTNを決定するために用い
た。
表1のデータに示すように、LiBF4とTa205を含む本発明の組成物(項
目1、表1)は、調査した中で、最も見込みがある白色系である。2phrのL
iBF、と3゜phrのTa205において、組成物は処理可能状態を維持し、
I X 108Ω・cmのρv、0.284〜0.289のC5,0,928,
のεTNを有していた。α5/εTN比は、最近使用されている白色ペイント(
即ち、513−G。
11Tリサ一チ社から市販されている、メチルシリコーンをベースとするバイン
ダー中のケイ酸カリウムで処理された酸化亜鉛から製造されたもの)と同様の範
囲であった。抵抗率とα8/ε工N比についてのこれらの結果は、静電放電保護
白色宇宙船コーティングについての本発明の組成物の適切性を示している。
表1のデータはまた、塩が使用された時にのみ、即ちフィラーなしの場合に、透
明な導電性エポキシ−シロキサン系が製造されたことを示している。エポキシ−
シロキサンは、硬化中に黄ばむが、塩を含む予備硬化された膜は無色で会った。
フィラーの強い色彩は、塩/フィラー系におけるこの黄ばみを隠す。エポキシ−
シロキサンポリマーにおけるLiBF4又はNaBφ4のいずれかの高濃度の使
用は、良好な導電性を生ずるが、混合物の最小のポットライフと塩の析出による
劣った加工性を生ずる。後者の問題は、実施例4に示すような異なった型のドー
パントを使用することにより解決され得る。
実施例3
この実施例は、エポキシノボラック樹脂、LiBF4、及びTa2O,を含む本
発明の組成物の製造とテストを示す。
使用されたエポキシノボラック樹脂は、ダウケミカル社製のDEN444を含ん
でいる。DEN444の加工は、Ta203(30%の比)のボールミル粉砕、
LiBF4(2%及び4%の比)の溶媒和、及び実施例と同様の手順からなる。
得られた混合物にくアミノエチルピペラジンが100%の化学量論比で加えられ
た。フィラーが加えられたエポキシ混合物をガラス板上に流し、0.0179イ
ンチ又は0.0455cm (2%のLiBFn組成にライて)、及び0.01
16インチ又は0.029cm (4%のLiBF4組成について)の薄膜を形
成し、次いで室温で16時間硬化させた。2%L i B F 4 / 30%
Ta205膜、及び4%LiBF4/30%Ta2O,膜の体積抵抗率は、それ
ぞれ4X1012Ω”cm及び7X10’Ω”cmであった。正確な塩の濃度は
、ポリマーのガラス転移点に基づき・調査しているポリマーに合せる必要がある
。より高いTgはポリマーのイオン移動度を限定するので、本発明の半導電性コ
ーティングを製造するためには、より高濃度の塩が必要である。
実施例4
この実施例は、表■に示すように、弗素化されたポリイミド樹脂、Ta205、
及びL i BF4又はリチウムペルフルオロオクタノエート(L 1c7F+
、C02)を含む本発明の組成物の製造とテストを示す。比較のため、同じ弗素
化されたポリイミド樹脂と他の添加剤を含む組成物が製造され、テストされた。
使用された弗素化されたポリイミド樹脂は、ホーヘストセラネーズ(hoech
st Ce1anese)社製のS IXEF−44であった。5IXEF−4
4は、n−メチルピロリドン(NMP)中で溶媒和された。この塩は、実施例1
に示すように、樹脂中に混合された。ヒラ−を溶媒中でボールミルにかけ、エタ
ノールにより溶媒和された塩の手動による攪拌前に、溶媒和された5IXEF−
44に加えた。或いは、塩、フィラー及びs I XEF−44を、プロピレン
グリコールモノメチルエーテルアセテート中で、溶媒和又はボールミルにかけ、
130〜200℃で乾燥した。S I X E F 44 添加溶’/flヲガ
ラス板上に流し、(0,0010〜0.004インチ又は0.0025〜0.0
10cm)の薄膜を形成し、200℃(392°F)で乾燥した。ρ9及び膜の
空気及びガラス側の両方のシート抵抗(Rs空気及びR5ガラス)を決定した。
MIS−5TD−202r絶縁抵抗」法302に従って決定された。測定中、固
定されたサンプルに一定の圧力が加えられた。式ρv = (A RM) /
t (式中、Aはプローブの面積、tは膜厚)から体積抵抗率が計算された。(
プローブの抵抗はRmに対し無視できるので、即ち2X10’〜2X10”Ωに
対し0.0032Ωであるので、プローブの補正係数は不必要である。)ボヤガ
ー(Voyager )テクノロギーSRM−110表面抵抗メーターを、R5
空気及びR5ガラスを決定するために用いた。
表■に示す特定の添加剤は、次のようにして製造された。LiBF4又はNaB
φ4を、NMP溶媒和された5IXEF−44に添加する前に、最小量のエタノ
ール(〈5ミリリツトル)に溶解した。メタノール/NMP溶媒混合物中の6F
DAに濃縮された水酸化リチウム水溶液に加えることにより、6FDA−Liを
製造した。得られた付加物をロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、N
MP溶媒和された5IXEF−44に加える前に濾過した。類似の手順により6
FPAから6FPA−Liが製造され、6 F D A Mと6FDAの1:2
のモル比を有するポリアミド酸が形成された。LiOHドーピングに加えて、ポ
リアミド酸塩(6FDAMと6FDAが1:1のモル比)が、ホーヘストセラネ
ーズ社により提供されたペルフルオロオクタン酸リチウム塩(C,F、、Co□
Li)を用いて形成された。ポリアミド酸を薄膜に成型して、イミド化し、5I
XEF−44に加えて硬化した。
KZ TPP及びLZ97ジルコネート、KR55タイタネート、及びAg/N
i球を、正味の(即ち純粋な)NMP溶媒和されたS IXEF−44に加えた
。アルコール混合物中に5%溶液として市販されているナフィオン(Nafio
n)1100をNMP中に再希釈し、NMP溶媒和された5IXEF−44に加
える前に、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮した。
Ta205を(フレオンTF又はテトラヒドロフラン(THF)/トルエン混合
物中で)ボールミルにかけ、250°F(121℃)で乾燥し、適切に溶媒和さ
れたS I XEF−44に加える直前に、モルタルと乳棒を用いて粉砕した。
NMP溶媒和されたL i BF4塩又は純粋なC7F15CO2L iを手動
で攪拌した。ジルコアルミネートカップリング剤を加えた。最終的な膜の表面欠
陥を減少させるため、任意に、3M社から市販されているフルオラード(Flu
orad ) F C430のような湿潤剤を樹脂に用いてもよい。得られたポ
リイミド膜に見られる黄ばみを除去するため、NMPを無色フレオンTFSDM
Ac (膜を乾燥するだけのために≦175℃に加熱された)、THF/トルエ
ン混合物、γ−ブチロラクトン、又はプロピレングリコールモノメチルエーテル
アセテートブレンドと置換した。添加剤の濃度と同様、得られた膜のρv、R5
空気、R5ガラス、及び外観は、既に表Hに示されている。
S IXEF−44中に40phrのC7F +5CO2L iを含む組成物か
ら膜を形成し、DMAcから成型し、204℃(400°F)で乾燥した。これ
らの膜は、6800ps i又は46.9パスカルの常温引張り強度、及び8%
最小値の伸びを示した。これらの値は、純粋なS IXEF−44の膜の強度の
約半分であるが、204℃(400’ F)で乾燥した時に純粋なS IXEF
−44の膜の伸びと等しい。本発明のこれらの膜は、4X10”Ω・cmの体積
抵抗率と、1010Ω/スクエアの表面抵抗率を示した。これらの組成物は、N
ASAのガス発生要求基準、即ちく1%トータルの調節された物質損失(即ちト
ータルの物質損失マイナス回収された水蒸気)及び50.10%の収集可能な揮
発性、凝縮性物質を満たしており、宇宙の用途に適切である。加えて、これらの
ガス発生テストは、本発明に従ってドーパントがポリマー鎖中に入り込む証拠を
提供する。そうでなければ、ドーパントは、その低分子量のため、これらのテス
トの下で、放出されてしまうであろう。
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを用いた以外上述と同一の
組成物から追加の膜が成型され、150℃で乾燥された。これらの膜は3X10
”Ω・cmの体積抵抗率と、1010Ω/スクエアの表面抵抗率を示した。
これらの膜は、上述の膜と類似の機械的特性を有するものと期待される。
S IXEF−44中に40phrのC7F 、5CO2L iと3ph rの
トリエタノールアミンを含む組成物から他の膜を形成した。これらの膜は3X1
0”Ω・cmの体積抵抗率と、109Ω/スクエアの表面抵抗率を示した。これ
らの値は、トリエタノールアミンかそのような組成物中において安定化剤として
働くことを示している。
L i B F a及びNaBφ4 (表■の項目7及び8)は、S IXEF
−44膜のρVを未修正の物質よりも3又は4のオーダー減少させたが、膜の透
明性は塩の析出のため維持されなかった。このようなよく証明された「塩析」現
象は、試料LiBF4についてのRs空気とR5ガラスの差により証明されてい
る。6FDA−L i、6FPA−L i又は6 F P A C7F 、5C
02L iの制限された濃度を採用することにより、混和性及び透明性が得られ
た。100部の樹脂当り75部の透明な6FPA−L i/S I XEF−4
4膜は、低いR3空気(107〜1012Ω/スクエア)を有していたが、その
劣った操作性は、それ以上の測定を妨げた。延性のある6FPA C7F+5C
O2Li/5IXEF 44膜は、透明なイオン導電性物質の最小測定値ρv
(3X1012Ω・cm)を有していた。これらのポリアミド酸塩サンプルにお
いて発生したボイドは、イミド化反応から生じた。硬化サイクルの修正は、これ
らの欠陥を大きく減少又は除去することが出来る。
ナフィオン1100/S IXEF−44膜は、不透明性(2成分の不混和性の
ため)OYOBI過剰の収縮性(ナフィオンの高い湿分/溶媒吸収量及びその後
の乾燥中の放出による)を示した。この試料は、膜の結合性示していたが、その
劣った表面特性は、電気的測定を行わせなかった。この研究で試験されたネオア
ルコキシタイタネート及びジルコネートは、S IXEF−44系には有効では
なかった。5IXEF−44へのいずれかのジルコネート(KZ TPP又はL
Z 97)の添加は、溶媒和された混合物の急速なゲル化を生じた。より相溶
性のKR55を含有させることは効果がなく、得られた膜の色も導電性(の欠如
)も変化させない。
バルク物質の大きなスクリーンサイズ(250メツシユ、63ミクロン)による
A g / N i球の両方のフィラー充填レベルについて、5IXEF−44
膜に粒状の塊が見られた。
(これに対し、個々の球は、10ミクロンの径を有している。)未充填の5IX
EF−44と比べ、両方のサンプルに抵抗率の減少が見られ(それぞれ5ph
r及び30ph rについて2×] Q 12Ω・cm及び2X10’Ω・cm
)、5phrの試料は断面において透明性を示した。実施例2は30phrのT
a205と2phrのLiBF4の混合物が、低いTg(−24℃)のエポキシ
シロキサンポリマー中において1×108Ω・cmのρνを与えることを示した
が、これは高いTg(5290℃)の5IXEF−44樹脂(ρv−3X101
3Ω・cm)についての場合ではない。
この高いTgはポリマー中のイオン移動度を制限するように作用し、イオン錯形
成の効率を減少させる。LiBF4イオン導電性塩の濃度を4phrに増加する
ことにより、3X1010Ω・cmのρ、が白色のTa205充填された5IX
EF−44膜において得られた。5phrLiBF4/30phrTa205が
、上述のLiBF4のみで見られた塩析現象を示したので、このLiBF4の濃
度は、この特別の場合において上限であるように思われる。サイズ剤としてジル
コアルミネートが施された7a205(樹脂への一体的添加による)又はシラン
(により予めサイズ剤が施された)Ta20sは、5−7X10”Ω”cmのI
OV%及び1010〜1011Ω/スクエアのR8空気及びR5ガラスを有する
均一な膜を与えた。ρVの勾配は、膜厚を通じて検出されなかった。
実施例5
この実施例は、本発明のメタライズ膜の形成及びテストを示している。
表■に示すように、(a)SIXEF−44,4ph rのLiBF4及び30
phrのTa209、(b)SIXEF−44,80phrのC7F、5CO2
Li及び30phrのTa205を含む本発明の組成物から膜が形成された。幾
つかの膜がメタライズされ、すべての膜がテストされ、上述の結果が表■に示さ
れている。
予想されるように、メタライズされない5IXEF−44が充填された系は、カ
プトン(αS/εTN−0,77)より低く、0.002インチのアルミニウム
が施されたテフロン(αS/εTN−0,25)より実質的に高いα5/εTN
を与える。銀の蒸着は、5IXEF−44が充填された系のα、/εTNを、は
ぼアルミニウムが施されたテフロンに減少させたが(しかし0.002インチの
アルミニウムが施されたカプトンのαS/εTN−0,25) 、銀の蒸着前の
S I XEF−44上へのクロムストライクの使用は、メタライズされない膜
のα8/εTNを越える値にα、/εTNを増加させた。これらの結果は、本発
明の銀をメタライズした半導電性S I XEF−44系により、熱バランスが
実質的に改善され、宇宙船の静電放電の防御が、カプロンが最近用いられている
(熱ブランケット)用途に用いられるということを示している。静電放電の防御
がううような問題であり、衛星の温度のわずかな増加が許容出来る場合には、本
発明のこれらのメタライズされたS I XEF−44膜はアルミニウムが施さ
れたテフロンと置換出来るであろう。
以上、本発明の実施態様を示したが、これらは本発明を例示するのみであって、
種々の変形例、適用例、修正例が当業者により可能である。
国際調査報告
国際調査報告
US8902581
SA 31279
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.(a)電子絶縁体であり、紫外線、高エネルギー粒子、及び高温に対する耐 性を示す選択されたポリマー、及び(b)前記選択されたポリマー内に所定量含 まれる、リチウムテトラフルオロオーレート及び下記一般式Iに示す化合物から 選ばれたドーパント を含むポリマーの層を物体の表面に近接させて提供する工程を具備し、前記ポリ マーの層は、均一に半導電性であり、約106〜1011Ω・cmの体積抵抗率 と、約0.305〜0.595の範囲の太陽光吸収率/トータルノーマルエミッ タンスを有し、それによって物体が静電放電及び熱的影響から防御されることを 特徴とする、宇宙空間内の物体を静電放電及び熱的影響から防御する方法。 一般式I ▲数式、化学式、表等があります▼ (式中、Xは ▲数式、化学式、表等があります▼、 ▲数式、化学式、表等があります▼、 ▲数式、化学式、表等があります▼および▲数式、化学式、表等があります▼ からなる群から選択され、 n=1〜11 m=3〜11 Y=H、C1〜C4アルキル基、OH又はハロゲン基Z=H又はハロゲン基 R1及びR2はそれぞれポリマーと適合し得る置換基である。) 2.前記ドーパントは前記選択されたポリマーの先駆体と混合されて混合物を形 成し、前記混合物は重合されて前記層を形成する請求項1に記載の方法。 3.前記選択されたポリマーは、エポキシ、エポキシシロキサン、エポキシシラ ン、シリコーン、及びポリイミド−シロキサンからなる群から選択される請求項 2に記載の方法。 4.前記組成物は、更に五酸化タンタルを含む請求項1に記載の方法。 5.前記五酸化タンタルは、樹脂又はポリマー100部に対し、0.1〜80部 存在する請求項4に記載の方法。 6.前記ドーパントは前記選択されたポリマーと混合されて混合物を形成し、前 記混合物は前記層に形成される請求項1に記載の方法。 7.前記選択されたポリマーは、弗素化されたポリイミド、弗素化されたポリエ ステル、及び弗素化されたポリイミド−シロキサンからなる群から選択される請 求項6に記載の方法。 8.前記選択されたポリマーは、弗素化されたポリエステル及び弗素化されたポ リイミド−シロキサンからなる群から選択され、前記組成物は五酸化タンタルを 含む請求項7に記載の方法。 9.前記五酸化タンタルは、ポリマー100部に対し、0.1〜80部存在する 請求項8に記載の方法。 10.前記ドーパントは、樹脂又はポリマー100部に対し、1〜75部存在す る請求項1に記載の方法。 11.前記層は0.0002〜0.0889cmの厚さを有する請求項1に記載 の方法。 12.前記層は前記物体の表面に直接被覆されている請求項1に記載の方法。 13.前記層はフリースタンディング膜である請求項1に記載の方法。 14.前記膜の少なくとも一方の面は、選択された金属で被覆されている請求項 13に記載の方法。 15.前記金属は銀を包含する請求項14に記載の方法。 16.前記金属が被覆された前記膜の複数が相互に重ねられている請求項14に 記載の方法。 17.前記金属が被覆された前記膜の複数が相互に付着されている請求項16に 記載の方法。 18.前記ポリマーはエポキシ材料を含み、前記ドーパントはリチウムテトラフ ルオロボーレートを含み、樹脂100部当たり約1〜9部存在する請求項3に記 載の方法。 19.前記ポリマーはエポキシ材料を含み、前記ドーパントはリチウムテトラフ ルオロボーレートを含み、樹脂100部当たり約1〜5部存在する請求項3に記 載の方法。 20.更に五酸化タンタルを含む請求項19に記載の方法。 21.前記ドーパントは樹脂100部当たり約2部存在し、前記五酸化タンタル は樹脂100部当たり約30部存在する請求項20に記載の方法。 22.前記ポリマーはエポキシノボラック材料を含み、前記ドーパントはリチウ ムテトラフルオロボーレートを含み、樹脂100部当たり約1〜5部存在する請 求項3に記載の方法。 23.樹脂100部当たり約0.1〜80部存在する五酸化タンタルを更に含む 請求項22に記載の方法。 24.前記選択されたポリマーは、弗素化されたポリエステル及び弗素化された ポリイミド−シロキサンからなる群がら選択され、前記組成は五酸化タンタルを 更に含む請求項7に記載の方法。 25.前記五酸化タンタルは樹脂100部当たり0.1〜80部存在する請求項 24に記載の方法。 26.前記ポリマーは弗素化されたポリイミド材料を含み、前記ドーパントは以 下の式を有する化合物を含む請求項7に記載の方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼n=1ないし11.27.前記ポリマーは弗 素化されたポリイミド材料を含み、前記ドーパントは下記の式を有する化合物を 含む請求項7に記載の方法。 28.前記ドーパントはポリマー100部当たり約1〜5部存在する請求項27 に記載の方法。 29.ポリマー100部当たり約0.1〜80部存在する五酸化タンタルを更に 含む請求項27に記載の方法。
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