華東理工大學王立權副教授: 面向耐高溫樹脂設計的材料基因工程方法取得進展

耐高溫樹脂由於輕質高強的優點,在航天航空領域有著廣泛的應用。目前,雖然如碳纖維等增強材料的制備取得瞭長足進步,但是配套樹脂的發展仍相對滯後,成為瞭限制復合材料性能提升的瓶頸。自1909年酚醛樹脂商品化至今,耐高溫樹脂已經發展瞭100多年,從中誕生瞭不少優秀的樹脂體系,使用溫度也從當初的100 ℃提升到瞭目前主流的400 ℃。當前的問題是:樹脂的使用溫度能不能再提高一截,樹脂更替的速度能不能再加快一點,以滿足航天航空領域的進一步需求?此外,從加工的角度而言,應盡可能地降低樹脂的固化溫度,以提升加工性能。但是,熱固性樹脂設計中普遍存在著提高耐熱性能與降低固化溫度相矛盾的現象,就像魚和熊掌不可兼得,為耐高溫樹脂的設計帶來瞭極大的困難。

最近,華東理工大學林嘉平教授團隊在耐高溫樹脂的設計方法上取得瞭突破,建立瞭適用於高性能聚合物設計的材料基因組方法,大大加快瞭樹脂的研發速率,有望改變以試錯為主的傳統材料設計方法。該工作以“Rational Design of Heat-Resistant Polymers with LowCuring Energies by a Materials Genome Approach”為題發表在材料化學領域重要刊物Chem.Mater. (DOI:/10.1021/acs.chemmater.0c00238)。發展的材料基因工程方法包含基因定義、收集與組合、性能預測、結構篩選、性能驗證等步驟。

華東理工大學王立權副教授: 面向耐高溫樹脂設計的材料基因工程方法取得進展

1.基因定義、收集與組合。

原則上,任何原子或化學基團都可以作為基因進行組合,但是這樣得到的聚合物往往很難合成。為增強合成的可行性,定義合成用化學單體為基因,並進行組合篩選。

2.性能預測。

性能預測是快速篩選的基礎,但是目前尚沒有預測熱穩定性和固化溫度的代理模型。通過數據挖掘,找到瞭能夠代理熱穩定性和固化溫度的物理量,為快速篩選熱穩定性好、固化溫度低的樹脂奠定瞭理論基礎。

3.結構篩選。

由於候選基因及樹脂的數量龐大,如何快速篩選出優選樹脂是需要解決的重要問題。提出瞭“先粗篩、再精選”的兩步策略,即先計算低代價的代理量,通過第一步的篩選,減少候選樹脂的數量,然後通過高代價代理量的計算,從中找出優選樹脂,提高瞭篩選效率。

4.性能驗證。

通過以上步驟,成功設計獲得瞭一種新型耐高溫樹脂,其5 %熱分解溫度大於650℃、固化溫度小於250 ℃, 有望在600 ℃下短期使用並滿足航天航空領域對耐高溫樹脂的需求。

該工作由華東理工大學博士生朱峻立、碩士生楚明王立權副教授的指導下完成。研究工作得到瞭林嘉平教授和耐高溫樹脂領域著名專傢杜磊教授的全程指導,以“頂天立地”為目標,既發展理論設計方法,又面向實際應用需求,推進高分子材料基因工程的高質量發展。

參考文獻:

Junli Zhu#, Ming Chu#, Zuowei Chen, Liquan Wang*, Jiaping Lin*, Lei Du. Rational Design of Heat-Resistant Polymers with Low Curing Energies by a MaterialsGenome Approach. Chem. Mater. 2020,DOI: /10.1021/acs.chemmater.0c00238

網址:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c00238

相关新闻