蒙皮材料防靜電性能探索研究

武國軍，陳 思，劉圣千，鄭 磊，易懷強，吳家紅

(中國航天科工集團第六研究院四十六所，內蒙古 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境十分苛刻，環境溫度低，大氣密度約為地表的1/14，紫外輻射和臭氧作用強烈[1-2]。在這種環境下長期工作，飛艇蒙皮材料必須具有高的強度和耐候性以及低的面密度和氦氣滲透率，因此采用多層復合結構，其結構一般包括承力層、阻隔層、耐候層以及各層之間的粘結層[3-5]。日本航空宇宙研究機構Komatsu等[6]進行了高強纖維基質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)薄膜作為耐候層，聚酯薄膜(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的浮空器。輕于空氣的氣體很多，如甲烷、氮氣、氫氣、氦氣甚至經過加熱的空氣。但要作為平流層飛艇的浮升氣體，從目前來看主要是氫氣與氦氣。1937年興登堡D-L129充氫飛艇在美國新澤西州萊克赫斯特基地著陸時，因靜電富集引起著火爆炸，30多人罹難。自此之后，氫氣己退出應用于飛艇的歷史舞臺，美國聯邦航空管理局也禁止使用氫氣作為飛艇的浮力氣體。但如今科技的發展，浮升氣體的用途越來越廣，量也越來越大，因此，許多學者重新提出使用氫氣作為飛艇的浮升氣體，況且在出現興登堡飛艇災難前，用氫氣作為浮升氣體已經安全地工作在幾十艘飛艇上。科學的發展，使得使用氫氣為浮力氣體的飛艇又有了希望。

前人對于充氫飛艇蒙皮材料的研究多集中于輕質、高強、低透氣率、耐候、抗紫外等性能。但影響充氫飛艇蒙皮材料穩定應用的另兩個因素還有防靜電(表面電阻率為106～109Ω)及阻燃性能。目前，對于蒙皮材料防靜電及阻燃性能的報道仍較少，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，已被應用于蒙皮材料的耐候層和焊接材料中。

嘗試以環保型的聚氨酯為基體，通過添加導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，對其性能進行測試分析，開展了蒙皮材料防靜電性能的探索性研究。

1 試驗部分

采用層壓復合設備，將Vectran纖維與PVF薄片進行層壓復合處理，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的導電添加劑(導電云母、導電氧化鋅、導電針狀二氧化鈦、多臂碳納米管)按不同質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，經常溫干燥后制成防靜電蒙皮材料。

利用電阻率測試儀器(EST121型數字超高電阻、微電流測量儀)測試聚氨酯和蒙皮材料表面電阻率。

2 結果與討論

未添加與添加質量分數為～20%導電云母、導電氧化鋅、導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，未添加聚氨酯時表面電阻率為～1.4×1012Ω。隨著導電添加劑的加入聚氨酯表面電阻率都有大幅度的降低，其中添加導電云母的聚氨酯表面電阻率最小，降低至～1.6×107Ω，已達到防靜電效果。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，對于碳納米管材料，因其結構的特殊性，相比于其他導電粉體應該具有更加優異的導電網絡。該結果顯示剛好相反，這可能是因為碳納米管并沒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，但其本身質量較輕，添加后不易增加材料面密度。為了進一步優化聚氨酯的表面電阻率，通過將導電云母及碳納米管共混的方式分散于聚氨酯中，導電云母與碳納米管的總質量仍占聚氨酯的20%。添加碳納米管與導電云母質量比為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 碳納米管與導電云母不同添加質量比的聚氨酯表面電阻率變化圖

由圖2可以看出，隨著碳納米管與導電云母質量比的增加，聚氨酯表面電阻率呈先減小后增加的趨勢，納米管與導電云母質量比3∶7時，聚氨酯表面電阻率最低為～6.1×106Ω，該值相比于單獨混合導電云母時的～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量比為0.5∶1、1∶1、2∶1、3∶1的比例涂覆時，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定的趨勢。當聚氨酯與蒙皮材料質量比為1∶1時，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量比的進一步增加，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。結果表明，聚氨酯與蒙皮材料質量比為1∶1時，聚氨酯已可以實現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，因此實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，距離充氫飛艇的應用仍存在距離。對于導電添加劑和聚氨酯及其與蒙皮材料復合后的綜合性能還有待于進一步優化。

3 結語

以聚氨酯為基體，通過添加導電劑提高聚氨酯的防靜電性能。在聚氨酯中添加導電云母、導電氧化鋅、導電針狀二氧化鈦、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，當聚氨酯與蒙皮材料的質量比為1∶1時，蒙皮材料表面電阻率低至～8.5×106Ω，實現了蒙皮材料的防靜電性能。同時，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用仍存在距離，進一步優化原材料制備及工藝調控，將有望繼續提升防靜電蒙皮材料的綜合性能。此外，對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用。