华东理工大学王立权副教授: 面向耐高温树脂设计的材料基因工程方法取得进展

耐高温树脂由于轻质高强的优点,在航天航空领域有着广泛的应用。目前,虽然如碳纤维等增强材料的制备取得了长足进步,但是配套树脂的发展仍相对滞后,成为了限制复合材料性能提升的瓶颈。自1909年酚醛树脂商品化至今,耐高温树脂已经发展了100多年,从中诞生了不少优秀的树脂体系,使用温度也从当初的100 ℃提升到了目前主流的400 ℃。当前的问题是:树脂的使用温度能不能再提高一截,树脂更替的速度能不能再加快一点,以满足航天航空领域的进一步需求?此外,从加工的角度而言,应尽可能地降低树脂的固化温度,以提升加工性能。但是,热固性树脂设计中普遍存在着提高耐热性能与降低固化温度相矛盾的现象,就像鱼和熊掌不可兼得,为耐高温树脂的设计带来了极大的困难。

最近,华东理工大学林嘉平教授团队在耐高温树脂的设计方法上取得了突破,建立了适用于高性能聚合物设计的材料基因组方法,大大加快了树脂的研发速率,有望改变以试错为主的传统材料设计方法。该工作以“Rational Design of Heat-Resistant Polymers with LowCuring Energies by a Materials Genome Approach”为题发表在材料化学领域重要刊物Chem.Mater. (DOI:/10.1021/acs.chemmater.0c00238)。发展的材料基因工程方法包含基因定义、收集与组合、性能预测、结构筛选、性能验证等步骤。

华东理工大学王立权副教授: 面向耐高温树脂设计的材料基因工程方法取得进展

1.基因定义、收集与组合。

原则上,任何原子或化学基团都可以作为基因进行组合,但是这样得到的聚合物往往很难合成。为增强合成的可行性,定义合成用化学单体为基因,并进行组合筛选。

2.性能预测。

性能预测是快速筛选的基础,但是目前尚没有预测热稳定性和固化温度的代理模型。通过数据挖掘,找到了能够代理热稳定性和固化温度的物理量,为快速筛选热稳定性好、固化温度低的树脂奠定了理论基础。

3.结构筛选。

由于候选基因及树脂的数量庞大,如何快速筛选出优选树脂是需要解决的重要问题。提出了“先粗筛、再精选”的两步策略,即先计算低代价的代理量,通过第一步的筛选,减少候选树脂的数量,然后通过高代价代理量的计算,从中找出优选树脂,提高了筛选效率。

4.性能验证。

通过以上步骤,成功设计获得了一种新型耐高温树脂,其5 %热分解温度大于650℃、固化温度小于250 ℃, 有望在600 ℃下短期使用并满足航天航空领域对耐高温树脂的需求。

该工作由华东理工大学博士生朱峻立、硕士生楚明王立权副教授的指导下完成。研究工作得到了林嘉平教授和耐高温树脂领域著名专家杜磊教授的全程指导,以“顶天立地”为目标,既发展理论设计方法,又面向实际应用需求,推进高分子材料基因工程的高质量发展。

参考文献:

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

网址:

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

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