本发明涉及航空航天技术领域，具体而言，涉及一种囊体材料、囊体、浮空器及囊体材料的制备方法。
背景技术：
浮空器通过内部充满轻于空气的气体提供静升力，可在地球平流层及其以下空域实现驻空停留，在对地观测、导弹预警、通信中继、航空旅游等军民领域具有广泛的应用前景。囊体材料作为浮空器的主体结构材料，通常由耐候层、阻隔层、承力(织物)层复合而成，其主要性能指标包括强度、阻隔性、耐候性、可加工性能等。其中，阻隔层的氦气阻隔性能直接决定了浮空器的驻空时间以及维护使用成本。
目前，囊体材料的气体阻隔层主要有以下三类：一是高阻隔性聚合物薄膜或涂层，如乙烯-乙烯醇共聚物(evoh)、聚乙烯醇(pva)、聚酯以及含氟聚合物薄膜。其中，阻隔性最好的是evoh，将1μmevoh涂层涂覆在聚乙烯薄膜上，透氦率就可以低至20ml/(m2·atm·24h)。但该聚合物的阻隔性对水汽敏感，阻隔性随吸水率增加而迅速降低，因此通常需要在其两侧覆盖水汽阻隔层。聚乙烯醇(pva)阻隔性薄膜也存在上述问题。聚酯薄膜的阻隔性相比evoh和pva稍差但仍算优异，厚度大于16μm的聚酯薄膜自身阻隔性较好，透氦率为1800ml/(m2·atm·24h)/(16μm)。同时由于其优异的力学性能和环境稳定性，使其广泛应用于囊体材料，尤其是层压复合工艺制造的囊体材料。含氟聚合物耐候性极佳，通常作为囊体材料的耐候层，由于其也具有不错的气体阻隔性，在囊体材料中起到辅助的气体阻隔作用。如厚度25μm的聚氟乙烯薄膜其透氦率为2300ml/(m2·atm·24h)/(25μm)。二是镀铝聚合物薄膜或铝箔，紧密的金属堆积赋予其优异的气体阻隔性。三是聚合物共混物；通过无机材料与聚合物共混或聚合物/聚合物共混，提高聚合物的气体阻隔性。
目前，浮空器囊体材料大多采用镀铝材料、铝箔或pet为气体阻隔层。虽然镀铝膜或铝箔具有优异的气体阻隔性，但其具有两个显著的缺点：其一，耐揉搓性较差，经揉搓后的气体阻隔性衰减较大；其二，镀铝膜不具有热焊接性能，制备浮空器时只能通过涂胶粘接，增加了工艺的复杂性；而pet为气体阻隔层的囊体材料柔性较差。
浮空器囊体材料对高阻隔层的要求是在保证阻隔要求的情况下使质量尽量小，同时不影响蒙皮材料耐候性能和加工性能。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种囊体材料、囊体、浮空器及囊体材料的制备方法，以解决现有技术中气体阻隔层耐揉搓性较差的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种囊体材料。该囊体材料包括气体阻隔层，气体阻隔层为双氢氧化物片层材料分散于聚合物之中所制备的涂层或薄膜。
进一步地，聚合物为热塑性聚氨酯。
进一步地，双氢氧化物片层材料占气体阻隔层的重量百分比为1～10％。
进一步地，囊体材料包括由外向内依次层叠设置的耐候层、气体阻隔层、胶层和承重层。
进一步地，耐候层为含质量百分数为3～20％zno的聚氨酯或含质量分数为5～20％tio2的热塑性聚氨酯的复合膜或涂层。
进一步地，耐候层的厚度为20～35微米。
进一步地，胶层为聚氨酯热熔胶或双组份聚氨酯胶黏剂。
进一步地，胶层的厚度为10～25微米。
进一步地，承重层为织物。
进一步地，织物为涤纶纤维或芳纶纤维。
进一步地，承重层的厚度为100～150微米。
根据本发明的另一个方面，提供了一种囊体。该囊体由上述任一种囊体材料制成。
根据本发明的再一个方面，提供了一种浮空器。该浮空器包括囊体，囊体由上述任一种囊体材料制成。
根据本发明的又一个方面，提供了一种囊体材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：s1，在承重层的正面涂覆胶层；s2，以n，n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、丁酮、丙酮、甲苯中的一种或几种混合为溶剂，加入双氢氧化物片层材料以及分散剂，搅拌后超声分散，然后加入热塑性聚氨酯，加热搅拌至聚氨酯完全溶解，得到浆料，将浆料涂覆在胶层上，干燥，除去溶剂形成气体阻隔层；以及s3，在气体阻隔层上设置耐候层。
进一步地，s2中，通过溶液刮涂法在将浆料涂覆在胶层上，在80℃以上干燥，除去溶剂。
进一步地，s3中，通过溶液刮涂法在气体阻隔层表面涂布耐候层，耐候层为含质量百分数为3～20％zno的聚氨酯或含质量分数为5～20％tio2的热塑性聚氨酯的复合膜或涂层。
根据本发明的再一个方面，提供一种囊体材料在探空气球、飞艇、系留气球、汽车气囊方面的应用。
由于聚合物本身通常具有较好的柔韧性，但气体阻隔性能比较差，本发明通过对聚合物进行双氢氧化物片层材料共混改性，提高其阻隔性，使其作为囊体材料的阻隔层，从而制得具有良好柔韧性的囊体材料。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一实施方式的囊体材料剖面结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种囊体材料、囊体、浮空器及囊体材料的制备方法。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种囊体材料。该囊体材料包括气体阻隔层，气体阻隔层为双氢氧化物片层材料分散于聚合物之中所制备的涂层或薄膜。
由于聚合物本身通常具有较好的柔韧性，但气体阻隔性能比较差，本发明通过对聚合物进行双氢氧化物片层材料共混改性，提高其阻隔性，使其作为囊体材料的阻隔层，从而制得具有良好柔韧性的囊体材料。
双氢氧化物(ldh)是一种阴离子型超分子层状材料，层板间由二价和三价金属离子结合组成，其化学通式为[mx2+m3+(oh)2x+2]+·(an-1/n)·mh2o，其中an-是指层间阴离子。金属阳离子m可以是mg2+、al3+、li+、zn2+、cr+等，x为m2+和m3+的摩尔比，通常x值为2～4。an-为阴离子化合物，可以是对氨基苯甲酸(ab)、端氨基十二烷基酸(al)、十二烷基磺酸钠(nadbs)、氨基乙酸、硝酸等。ldh的优点在于可以通过改变层板金属阳离子及层间阴离子来调节其物理化学性能，使ldh成为一种多功能的无机层状材料，常用作催化剂、催化剂载体、药物载体、磁性载体、聚合物阻燃剂等。本发明利用其层状特性，将其分散在聚合物中，发现其可显著提高聚合物的气体阻隔性能，此外ldh的加入还可提高聚合物的耐紫外性能和热稳定性。
优选的，聚合物为热塑性聚氨酯。聚氨酯具有良好的耐候性、优异的柔韧性、可焊接性和耐低温性能，但是气体阻隔性能比较差，本发明通过对聚氨酯进行双氢氧化物片层材料共混改性，提高其阻隔性，作为囊体材料的阻隔层，从而制得具有良好柔韧性和可热焊接的囊体材料。
优选的，双氢氧化物片层材料占气体阻隔层的重量百分比为1～10％。在此范围内，改性的聚氨酯整体性能优良。
根据本发明一种典型的实施方式，如图1所示，囊体材料包括由外向内依次层叠设置的耐候层10、气体阻隔层20、胶层30和承重层40。
优选的，耐候层为含质量百分数为3～20％zno的聚氨酯或含质量分数为5～20％tio2的热塑性聚氨酯的复合膜或涂层。zno与tio2是优良的无机紫外吸收剂，对紫外线吸收效率高，同时对可见光具有很强的光散射效应，因此可对内层材料提供紫外与可见光防护功能。优选的，综合zno或tio2的添加量以及耐候涂层的紫外-可见光阻隔性，耐候层的厚度优选为20～35微米。
根据本发明一种典型的实施方式，胶层为聚氨酯热熔胶或双组份聚氨酯胶黏剂，聚氨酯类胶黏剂可提供优异的剥离强度，同时具有优异的低温柔韧性和耐候性，因此非常适合用于囊体材料各功能层的层间胶合。优选的，胶层的厚度为10～25微米。
根据本发明一种典型的实施方式，承重层为织物，优选的，织物为涤纶纤维、芳纶纤维或其他高强纤维。优选的，承重层的厚度为100～150微米。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种囊体。该囊体由上述任一种囊体材料制成。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种浮空器。该浮空器包括囊体，囊体由上述任一种囊体材料制成。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种囊体材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：s1，在承重层的正面涂覆胶层；s2，以n，n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、丁酮、丙酮、甲苯中的一种或几种混合为溶剂，加入双氢氧化物片层材料以及分散剂，搅拌后超声分散，然后加入热塑性聚氨酯，加热搅拌至聚氨酯完全溶解，得到浆料，将浆料涂覆在胶层上，干燥，除去溶剂形成气体阻隔层；以及s3，在气体阻隔层上设置耐候层。
优选的，s2中，通过溶液刮涂法在将浆料涂覆在胶层上，在80℃以上干燥，除去溶剂。
优选的，s3中，通过溶液刮涂法在气体阻隔层表面涂布耐候层，耐候层为含质量百分数为3～20％zno的聚氨酯或含质量分数为5～20％tio2的热塑性聚氨酯的复合膜或涂层。气体阻隔层和耐候层间不使用常规的胶黏剂贴合，而是通过溶液或热融涂布工艺实现层间贴合，粘接强度高并省掉了胶黏剂层，从而降低囊体材料面密度并降低了成本。
本发明的囊体材料可以用于探空气球、飞艇、系留气球、汽车气囊等方面。
下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含质量分数为3％zno的热塑性聚醚脂肪族聚氨酯，厚度为20微米；气体阻隔层为含双氢氧化物片层(mg2al-ab)材料质量分数为1％的聚酯芳香族聚氨酯涂层，厚度为40微米；胶层材料为厚度10μm，耐高低温的聚酯型聚氨酯热熔胶，；织物层材料为聚芳酯纤维，厚度为110微米。
上述囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为110微米的织物层的正面涂覆10微米厚的胶层；织物层的材料为芳纶纤维；胶层材料为聚氨酯热熔胶。
步骤二：以n,n-二甲基乙酰胺为溶剂，向其中加入双氢氧化物片层材料(mg2al-ab)，以及分散剂(硬脂酸钙)，搅拌后超声分散10min，加入热塑性聚醚脂肪族聚氨酯，搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；
阻隔层中双氢氧化物片层填料质量分数为2％，涂层厚度为40微米。
步骤三：通过熔融涂覆法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚酯芳香族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含质量分数3％的zno，厚度为20微米。
实施例2.
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含质量分数为10％zno的热塑性聚醚型脂肪族聚氨酯，厚度为25微米；阻隔层为含双氢氧化物(mg2al-al)片层填料质量分数为3％的热塑性聚醚型芳香族聚氨酯涂层，厚度为35微米；胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂，厚度为20微米；织物层材料为聚芳酯纤维，厚度为110微米。
上述的囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为110微米的织物层的正面涂覆25微米厚的胶层；织物层的材料为凯夫拉纤维；胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂。
步骤二：以n,n-二甲基甲酰胺为溶剂，向其中加入双氢氧化物(mg2al-al)片层材料，以及分散剂(硬脂酸钡)，搅拌后超声分散10min，加入热塑性聚醚脂肪族聚氨酯，加热搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；
阻隔层中双氢氧化物片层填料质量分数为3％，涂层厚度为35微米。
步骤三：通过熔融涂覆法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚醚性芳香族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含质量分数含zno质量分数10％的，厚度为25微米。
实施例3.
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含质量分数为20％zno的热塑性聚醚型脂肪族聚氨酯涂层，厚度为25微米；阻隔层为含双氢氧化物片层(zn2al-al)填料质量分数为5％的聚酯型芳香族聚氨酯复合膜，厚度为25微米；胶层材料为厚度20μm，耐高低温的聚酯型聚氨酯热熔胶；织物层材料为芳纶纤维，厚度为110微米。
上述的囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为110微米的织物层的正面涂覆20微米厚的胶层；织物层的材料为芳纶纤维；所述胶层材料为聚氨酯热熔胶。
步骤二：以n,n-二甲基乙酰胺与丁酮质量分数比为1:1的混合物为溶剂，向其中加入双氢氧化物(zn2al-al)片层材料，以及分散剂，搅拌后超声分散10min，加入热塑性聚酯芳香族聚氨酯，加热搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；
所述阻隔层中双氢氧化物片层填料质量分数为5％，涂层厚度为25微米。
步骤三：通过溶液刮涂法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚醚脂肪族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含zno质量分数为20％，厚度为25微米。
实施例4.
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含质量分数为15％tio2的热塑性聚酯脂肪族聚氨酯涂层，厚度为30微米；阻隔层为含双氢氧化物(zn2al-ds)片层填料质量分数为7％的聚醚脂肪族聚氨酯复合膜，厚度为30微米；胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂，厚度为20微米；织物层材料为凯夫拉纤维，厚度为120微米。
上述的囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为120微米的织物层的正面涂覆10微米厚的胶层；织物层的材料为凯夫拉纤维；所述胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂。
步骤二：以n,n-二甲基甲酰胺与丙酮质量分数比为3:1的混合物为溶剂，向其中加入双氢氧化物(zn2al-ds)片层材料，以及分散剂(byk-160)，搅拌后超声分散10min，加入热塑性聚酯脂肪族聚氨酯，搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；
所述阻隔层中双氢氧化物(zn2al-ds)片层填料质量分数为7％，涂层厚度为30微米。
步骤三：通过溶液刮涂法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚醚脂肪族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含质量分数15％的tio2，厚度为30微米。
实施例5.
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含质量分数15％tio2的热塑性聚氨酯涂层，厚度为30微米；阻隔层为含双氢氧化物(mg2al-ds)片层填料质量分数为8％的热塑性聚醚芳香族聚氨酯涂层，厚度为25微米；胶层材料为厚度25μm，耐高低温的聚氨酯热熔胶；织物层材料为芳纶纤维，厚度为110微米。
上述的囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为110微米的织物层的正面涂覆10微米厚的胶层；织物层的材料为芳纶维；所述胶层材料为聚氨酯热熔胶。
步骤二：以n,n-二甲基乙酰胺与甲苯质量分数比为5:1混合物为溶剂，向其中加入双氢氧化物片层(mg2al-ds)材料，以及分散剂(byk-170)，搅拌后超声分散10min，加入热塑性聚氨酯，搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；
所述阻隔层中双氢氧化物片层填料质量分数为8％，涂层厚度为25微米。
步骤三：通过熔融涂覆法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚酯脂肪族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含质量分数15％的tio2，厚度为30微米。
实施例6.
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含质量分数为20％tio2的热塑性聚醚脂肪族聚氨酯涂层，厚度为35微米；阻隔层为含双氢氧化物片层(mg2al-ds)填料质量分数为10％的热塑性聚酯芳香族聚氨酯涂层，厚度为15微米；胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂，厚度为15微米；织物层材料为芳纶纤维，厚度为110微米。
上述的囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为110微米的织物层的正面涂覆15微米厚的胶层；织物层的材料为芳纶纤维；所述胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂。
步骤二：以丁酮为溶剂，向其中加入双氢氧化物(mg2al-ds)片层材料，以及分散剂(硬脂酸钙)，搅拌后超声分散10min，加入热塑性聚酯芳香族聚氨酯，搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；
所述阻隔层中双氢氧化物(mg2al-ds)片层填料质量分数为10％，涂层厚度为15微米。
步骤三：通过溶液刮涂法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚醚脂肪族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含质量分数20％的tio2，厚度为35微米。
实施例7.
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含tio2的质量分数为5％的热塑性聚酯脂肪族聚氨酯，厚度为25微米；阻隔层为含双氢氧化物片层(mg2al-no3)填料质量分数为10％的聚醚脂肪族聚氨酯涂层，厚度为15微米；胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂，厚度为10微米；织物层材料为芳纶纤维，厚度为110微米；
上述的囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为110微米的织物层的正面涂覆10微米厚的胶层；织物层的材料为芳纶维；所述胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂。
步骤二：以n,n-二甲基乙酰胺为溶剂，向其中加入双氢氧化物(mg2al-ds)片层材料，以及分散剂(byk-160)，搅拌后超声分散10min，加入热塑性聚酯芳香族聚氨酯，搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；
所述阻隔层中双氢氧化物片层填料质量分数为10％，涂层厚度为15微米。
步骤三：通过溶液刮涂法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚醚脂肪族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含tio2的质量分数为5％，厚度为25微米。
对比例
本实施例提供一种囊体材料，该囊体材料由四层结构组成，从上至下顺次为耐候层、气体阻隔层、胶层、织物层；耐候层为含tio2的质量分数为5％的热塑性聚酯脂肪族聚氨酯，厚度为25微米；阻隔层为纯聚醚脂肪族聚氨酯涂层，厚度为25微米；胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂，厚度为10微米；织物层材料为芳纶纤维，厚度为110微米；
上述的囊体材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：在厚度为110微米的织物层的正面涂覆10微米厚的胶层；织物层的材料为芳纶维；所述胶层材料为双组份聚氨酯胶黏剂。
步骤二：以n,n-二甲基乙酰胺为溶剂，加入热塑性聚酯芳香族聚氨酯，搅拌，至聚氨酯完全溶解。通过溶液刮涂法在涂有胶黏剂的织布面涂覆聚氨酯溶液，在80℃以上干燥，除去溶剂；涂层厚度为125微米。
步骤三：通过溶液刮涂法在高阻隔聚氨酯涂层表面涂布耐候聚醚脂肪族聚氨酯涂层；
耐候聚氨酯涂层含tio2的质量分数为5％，厚度为25微米。
下表1为对比例和实施例在未揉搓和揉搓后的氦气渗透率(ml/24h.atm.m2)。
表1
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1)通过向聚氨酯树脂中添加双氢氧化物片层材料，其阻隔效果得到显著提升；
2)本发明实施例的囊体材料的气体阻隔层可以为热塑性聚氨酯，与普通蒙皮材料相比更加柔软，耐折压、耐揉搓性能显著提高，经受折压和剪切疲劳载荷后阻隔性能始终保持在较高水平，耐损伤性能较好；
3)本发明实施例的囊体材料的气体阻隔层和耐候层间不使用常规的胶黏剂贴合，而是通过溶液或热融涂布工艺实现层间贴合，粘接强度高并省掉了胶黏剂层，从而降低囊体材料面密度并降低了成本；
4)本发明实施例的囊体材料的最外层(耐候层)以热塑性聚氨酯为基体树脂，具有可热焊接性，简化了浮空器制造工艺；
5)制备工艺简单，采用涂覆工艺，不必在多种工艺设备上进行材料加工。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。