基本信息
- 项目名称：
- 航空航天用高性能双马树脂的合成及RTM成型工艺研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 双马树脂作为先进复合材料基体，具有耐高温、耐湿热等优点，在航空航天等领域应用广泛。但是存在预聚体黏度大、单体溶解性差、对增强体浸润差和加工成本高等不足。RTM是一种先进复合材料成型工艺，其独有的一步浸润过程大幅降低成型成本。本小组从以下两方面着手解决上述难题。 1.合成了新型双马树脂，降低了预聚体黏度，改善了单体溶解性。 2.提出并采用RTM工艺“逐步升压式”注入法，提高预聚体对增强体的浸润。
- 详细介绍：
- “嫦娥”探月工程的启动，标志着中国航空航天新纪元的到来。作为航空航天飞行器主承力结构的加工材料，高性能复合材料也势必迎来自己的大发展时期。双马树脂（BMI）作为一类先进复合材料基体，凭借耐高温、抗辐射、耐湿热和低吸湿率等优点，在与同类树脂的竞争中脱颖而出。长期以来由双马树脂较差的单体溶解性和过高的预聚体黏度，引起的成型困难、产品性能不稳定和加工成本高等问题，限制了其被低成本广泛应用。 然而，复合材料的性能不仅与其树脂基体的特性有关，还与其成型工艺密不可分。 树脂传递模塑工艺（RTM，Resin transfer molding）作为发展比较完善的复合材料成型工艺，具有高效、低成本、制件质量好、尺寸精密度高、受环境影响小等优点，近几年已经成为航空航天领域材料低成本加工的主要手段。但RTM对树脂体系黏度苛刻的要求，限制了其对双马树该脂的加工。因此，改性双马树脂，提高单体在普通溶剂中的溶解性，获得利于RTM成型工艺的低黏度树脂体系，已成为低成本大规模利用双马树脂所必须解决的重大问题。 本科创小组通过向树脂单体分子上引入大体积叔丁基侧链，改变单体分子结构的对称性，增加分子链支化程度的方法，提高了单体在普通溶剂中的溶解性，降低了预聚体的黏度，解决了双马树脂长期以来难以利用RTM成型工艺对其进行低成本加工的技术性难题，此外，提出并采用RTM工艺“逐步升压式”注入法，提高预聚体对增强体的浸润，从而使利用RTM工艺加工成型的产品性能更加优异。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计，发明的目的： 1、确定引入叔丁基侧链解决市售双马树脂缺陷的理论依据。 2、确定具有叔丁基侧链的高性能双马树脂单体的最佳合成路线。 3、确定具有叔丁基侧链的高性能双马树脂预聚体的最佳固化工艺。 4、确定RTM工艺“逐步升压式”注入法加工高性能双马树脂的最佳工艺条件。 基本思路： 1、二元胺的合成：合成苯环上具有叔丁基结构单元的二元胺。 2、单体合成：具有叔丁基侧链的二元胺与马来酸酐合成新型双马树脂单体。 3、预聚及固化：配制新型双马树脂预聚体，最佳固化工艺下固化成树脂。 4、表征及性能测试：利用红外光谱仪、旋转黏度测定仪和综合热分析仪等，对树脂单体、预聚体黏度及固化工艺进行表征和测定。 创新点： 1、首次合成具有叔丁基结构单元的双马树脂单体 通过向二元胺的苯环上引入叔丁基侧链的方法，制备出具有叔丁基结构单元的单体分子，降低分子结晶性，提高其在普通溶剂中的溶解能力，提高分子链支化程度，降低预聚体黏度，利于RTM工艺成型。 2、首次提出RTM工艺“逐步升压式”注入法 在利用RTM工艺成型该树脂时，本科创小组首创性的提出“逐步升压式”注入法：在树脂注射初期采用低压力注射，当树脂完全浸润时采用高压力排除模具内空气。利用此法向模具中注入的树脂体系能够更好的浸润增强体，所得制件孔隙率更低，性能更加稳定。 技术关键及技术指标： 合成黏度为0.22～0.30Pa·S的RTM用双马树脂。
科学性、先进性
- 作品的科学性、先进性： 1、目前，在航空航天领域内，利于RTM成型工艺的低黏度高性能双马树脂是迫切需要发展的先进材料。 2、叔丁基的引入，增大了分子链的支化程度，降低了预聚体的黏度，此法在该领域内具有首创性。 3、通过改变单体分子结构的对称性，降低了分子的结晶性，解决了双马树脂单体长期以来在普通溶剂中溶解性差的难题。 4、创新性提出RTM工艺“逐步升压式”注入法，以获得增强体充分浸润、孔隙率更低的复合材料。 5、该项目的研究是针对航空航天领域中双马树脂主承力构件成型困难和性能不稳定而提出的，旨在提高双马树脂的加工性，生产出性能更加稳定的航空航天用主承力构件，具有巨大的市场价值和重要的战略意义。 参考文献： [1]杨金水，肖加余，曾竟成，等.真空导入模塑工艺树脂流动行为研究进展[J].宇航材料工艺，2010，40(1):5-8.
获奖情况及鉴定结果
- 1.作品在第十届省大学生“挑战杯”课外学术科技竞赛中荣获特等奖。 2.2011年3月16日至31日在教育部科技查新工作站（L03）科技查新，结果表明:以“合成具有叔丁基结构单元的双马树脂”为内容的研究，国内未见相同文献报道。 3.分别在中文核心期刊《宇航材料工艺》2010年第六期和中文核心期刊《热固性树脂》2011年第二期发表相关论文一篇。 4.另有两篇相关论文分别被《热固性树脂》和《当代化工》录用。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 1.低黏度高性能叔丁基改性双马树脂的合成工艺。 2.RTM工艺“逐步升压式”注入法的加工技术。
作品可展示的形式
- 本作品可以样品、实物产品和实物图片三种形式展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 1.传统双马树脂黏度高,不适宜低成本RTM工艺，本小组合成了低黏度高性能改性双马树脂，解决了该难题。 2.RTM“逐步升压式”注入法明显提高了树脂对增强体的浸润性。 适用范围及推广前景：航空航天领域主承力构件；国防及民用领域特殊部件。 市场分析和经济效益预测：国外一直垄断RTM用双马树脂市场，开发拥有自主知识产权的高性能RTM用双马树脂，有巨大的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 双马树脂最早由法国罗纳-普朗克公司于20世纪60年代末期研制成功。一经面世，该树脂便凭借耐高温、耐辐射和耐湿热等优点，在与同类树脂的竞争中脱颖而出，被应用于航空航天等领域中，部分产品已实现商品化。 传统双马树脂存在单体溶解性差、预聚体黏度高、韧性差、成型困难和加工成本高等问题，严重制约了其在航空航天等领域的广泛应用。因此，合成改性双马树脂以利于RTM成型工艺，已成为当务之急。 国际方面：国外双马树脂改性工作开展较早，但都是针对其韧性不足而进行的，对预聚体黏度和单体溶解性的改性少见报到。文献报道最多的是通过烯丙型化合物对其进行的改性。1984年Ciba-Gaily公司利用此法研制出双马树脂/烯丙型双酚A树脂XU-292后，此法受到广泛关注。利用二烯丙基双酚S、烯丙基芳烷基酚树脂等烯丙型化合物对其进行的改性，取得了一定的效果，先后研制出V378-A、F-178等型号产品。热塑性树脂改性法、本征增韧法和热致液晶聚合物法是国际上近几年新兴的增韧改性手段。 国内方面：我国针对双马树脂的研究开始于80年代后期，主要针对航空航天领域先进双马树脂复合材料树脂基体的研究。现已研发出QY8911、5405和4501等一系列具有自主知识产权的双马树脂产品，打破了国外对该树脂的垄断。近几年，北京航空航天大学、西北工业大学，中科院长春应化所针对该树脂预浸料的改性取得了突破性进展。目前，国内针对预聚体黏度的改性，大都是通过共聚的方法，所得产品黏度未达到理想效果。 复合材料的性能不仅与树脂基体的特性有关，还与其成型工艺密不可分。树脂传递模塑成型（RTM）工艺作为发展比较完善的加工手段，凭借其高效、低成本等优点，被广泛应用于航空航天用复合材料的加工。但该工艺对树脂体系黏度较为苛刻的要求（0.18～0.30Pa·S），限制了其对双马树脂的加工。 基于目前国内外双马树脂改性现状，本科创小组设计并合成了叔丁基改性双马树脂。该树脂单体溶解性强、预聚体黏度低，能满足RTM工艺对树脂体系的要求。同时，本小组又提出RTM工艺“逐步升压式”注入法，解决了双马树脂体系对增强体浸润不佳的难题。 综上所述，本课题的研究处于学科领域前沿，属于国内领先水平，理论依据充分，研究设计方案科学、合理，具有很强的可行性。
