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苯并噁嗪树脂在航空航天复合材料领域应用及发展

苯并噁嗪树脂

苯并噁嗪树脂较酚醛树脂环氧树脂、双马来酰亚胺树脂等更具特点。其性能具有综合优势,既可作承力结构复合材料的树脂基体,又可用以制备功能复合材料,发挥其固有的某些特质。鉴于其优异的物理力学性能和工艺性能,特有的材料功能和原材料的低成本化,在航空航天复合材料中有广阔的应用前景。

图片来源:科宜高分子


苯并噁嗪树脂的性能

苯并噁嗪树脂是在传统酚醛树脂基础上发展起来的一类新型热固性树脂,在保持传统酚醛树脂优良的阻燃性能、耐热性能、电绝缘性能、 良好的硬度和较低的价格基础上,能显著改善和提高酚醛树脂的诸多性能。相较传统的酚醛树脂,苯并噁嗪树脂具有固化后体积收缩接近于零、吸水率低、无需强酸强碱固化剂、固化时不释放小分子、单体与前躯体结构可设计空间大等优点。

表2 苯并噁嗪树脂典型物理力学性能与其他树脂的比较


苯并噁嗪树脂在航空航天复合材料领域应用

苯并噁嗪树脂较目前广泛使用的环氧、酚醛、双马来酰亚胺等树脂有其综合性能突出的潜力,在宇航复合材料中可以派到多种用场,有广泛的应用领域。作为树脂基体,制备主承力和次承力结构复合材料用预浸料和RTM用灌注树脂,复合材料成型用模具预浸料,以及航空航天复合材料的结构胶粘剂。另外用于飞机舱内阻燃材料,火箭发动机等防热抗烧蚀材料等。

1. 用作结构复合材料预浸料树脂基体

碳纤维增强苯并噁嗪树脂预浸料

苯并噁嗪树脂兼有与双马来酰亚胺树脂相近的耐热性,与环氧相似的抗损伤性能及工艺性能,加上自身固有的高热/湿性能带来较高的工作温度,固化过程接近零收缩,突出的室温储存和运输性能,综合性能优,性价比高,对航空航天复合材料有很大吸引力,使其成为未来航空航天复合材料树脂基体的必然选择。

2. 用作机舱阻燃材料

苯并噁嗪树脂不含游离醛和游离酚,无挥发物,其复合材料可达到最新的环保技术标准。如空中客车公司的AP 2091标准,并符合欧洲标准JAR/联邦航空公司标准FAR防火、防烟和防毒规定,同时具有优良的力学性能,能形成理想的无空隙的复合材料表面,加上材料阻燃特性和有竞争力的材料成本,使苯并噁嗪复合材料成为飞机内饰件的最佳选择,据称可以代替酚醛树脂。

3. 用作模具复合材料

苯并噁嗪树脂Tg超过250 ℃,耐热性能好,作为模具复合材料在高温下具有长的模具寿命,可以在200 ℃连续工作,而不需频繁的更换模具或进行模具维修。苯并噁嗪树脂固化前后体积收缩很小,甚至零收缩,膨胀系数小,没有明显的体积效应,作为模具材料有利于保持复合材料制件严格的尺寸公差,减少固化后的加工,节省了原料,减少了后加工时间,降低了成本;固化过程放热量低,也是苯并噁嗪树脂用作模具复合材料的一大优点,这样厚、薄不均或质量大和厚度大的模具均可制造,不需做任何特殊处理,无固

化过程中不易散热和发生爆聚的问题。

4. 用作胶粘剂

并噁嗪树脂耐热性能好,固化收缩几乎为零,热/湿性能优。并且与环氧、双马来酰亚胺、酚醛等热固性树脂以及大多数工程热塑性树脂相容好,是高温结构胶粘剂的选材对象。以联苯型双邻苯二甲腈苯并噁嗪BZ-B作为胶粘剂,耐热性优,氮气中质量热失重5%的温度在478 ℃。对不同铝合金试片的粘接性能试验表明,拉断表面破坏属于内聚破坏。以双酚A型苯并二噁嗪树脂为主体的改性苯并噁嗪树脂BA-a拉伸剪切强度24.8 MPa, 160 ℃时凝胶时间150 min,具有良好的高温粘接剂的潜能。

5. 用作烧蚀材料

在热防护材料领域,酚醛树脂无疑是最早而且至今仍大量使用的烧蚀复合材料基体。对于火箭发动机、导弹、空间飞行器等高技术系统,酚醛树脂作为耐烧蚀材料是比较适合的选择,因为其价格便宜,烧蚀性能符合使用要求。苯并噁嗪树脂通过开环聚合固化,形成类似酚醛树脂的交联网络结构,因此苯并噁嗪也称开环聚合的酚醛树脂,自然具有和酚醛树脂类似的烧蚀性能。其原材料方便易得,成本低廉,固化物耐热性、耐腐蚀性和绝缘性能都很好,且克服了传统酚醛树脂的缺点,主要是烧蚀后残炭率低于60%,经改性后虽然残炭率提高,但由于分子结构的特点,聚合过程中释放小分子化合物,限制了在烧蚀领域的应用。苯并噁嗪树脂开环聚合反应不放出小分子物质,烧蚀成炭率高,具有明显的加工成型优势。

苯并噁嗪树脂未来发展

苯并噁嗪树脂具有优异的综合性能,其复合材料已开始在宇航工业崭露头角,受到业内技术人员的广泛关注,被认为是最有发展潜力的新型树脂材料。但是,这类树脂毕竟开发时间还不长,还没有达到环氧、酚醛、双马来酰亚胺等树脂那样的成熟期,在一些方面还存在一定的局限性,尚需要继续研究、改进和发展。


参考资料:张凤翻.苯并噁嗪树脂及其在宇航复合材料中的应用[J].高科技纤维与应用,2016,41(01):10-23.



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