В конструкции и салоне новых самолетов все чаще используют полимерные композиты, они снижают вес самолетов, повышают их прочность и безопасность эксплуатации, так как не поддерживают распространение огня в случае пожара. Однако производство композитов в России пока находится в зачаточном состоянии, отчасти из-за отсутствия отечественных мономеров и полимеров. Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева разработали технологию получения бензоксазиновых мономеров, — основного компонента композитов для авиастроения. Особенность технологии в использовании катализатора, который ускоряет процесс полимеризации бензоксазиновых мономеров и понижает горючесть композитов, получаемых из таких полимеров. Новый материал уже проходит промышленные испытания и в дальнейшем будет использован при производстве композитных изделий, таких как сотовые панели пола самолета МС-21. Результаты работы опубликованы в журнале Polymers.

Декан факультета нефтегазохимии и полимерных ма...

Декан факультета нефтегазохимии и полимерных материалов РХТУ Игорь Сиротин (справа) вместе со своей командой в процессе синтеза нового полимера

Полимерные композиты захватывают все новые рынки, яркий пример — авиастроение, изготовленные из композитов детали конструкции и салона самолетов значительно легче и прочнее, чем те же изделия из стали, алюминия и пластика. Помимо этого, у полимерных композитов пониженная горючесть, то есть они довольно быстро затухают при пожаре. Новые модели самолетов крупнейших авиакомпаний мира построены именно с использованием композитных материалов, в том числе и лайнер МС-21 российской корпорации «Иркут». До 2019 года большинство этих материалов поставлялись в Россию из США и Японии, но с введением санкций эти пути перекрылись, и теперь в России ищут способы локализовать производство композитов внутри страны. Это непростая задача: композитные материалы, подобно сэнвдичу, состоят из нескольких ингредиентов, точное совмещение которых придает конечному продукту нужны свойства, и разработка этих ингредиентов требует длительных исследований и опытно-конструкторских работ. Если для материалов крыла ее удалось решить, то в салоне материалы пока все еще импортные.

Ученые РХТУ разработали технологию изготовления бензоксазинов — важнейшего компонента композитных материалов, которые планируют использовать для изготовления пола и других элементов внутренней отделки салона авиалайнера. Бензоксазины существенно понижают горючесть материалов, а также безопасны для человека: напольное покрытие или другие элементы интерьера из композита на основе бензоксазинов практически не будут выделять вредных веществ в окружающую среду при пожаре. Сырьем для производства бензоксанзинов служит амин, фенол и формальдегид, которые производятся в России. Синтез этих веществ проводят по реакции Майниха в специально изготовленном для этих целей в РХТУ стометровом реакторе. На выходе получается тягучая смесь мономеров, которую для создания полимерного композита еще необходимо отвердить, то есть полимеризовать.

«Сами бензоксазины могут полимеризоваться без катализатора, но для этого нужна высокая температура в 180 градусов и много времени — иногда более 10 часов. Приходится довольно долго держать печь нагретой, что невыгодно по затратам энергии и времени, и поэтому для сокращения издержек нужен катализатор, разработке которого и посвящена данная работа. Мы использовали соединения на основе фосфазена — так называют молекулы с двойными связями между атомами фосфора и азота, к которым «пришили» определенные молекулярные группировки. Эти соединения теоретически, должны были катализировать полимеризацию бензоксазинов, что нам и удалось показать экспериментально», — рассказывает один из авторов работы, декан факультета нефтегазохимии и полимерных материалов РХТУ, Игорь Сиротин.

Реакция синтеза производной фосфазен — катализа...

Реакция синтеза производной фосфазен — катализатора полимеризации бензоксазина

Синтезированное соединение относится к классу аминофосфазенов. Благодаря ему время полимеризации бензоксазинов сократилось в 4 раза. Кроме того, аминосфазен выполняет еще и роль антипирена — с ним горючесть полимеров на основе бензоксазинов понижается еще сильнее, более чем в 10 раз. При этом в отличии от других добавок, снижающих горючесть, аминосфофазен не ухудшает прочностные и механические свойства готового изделия.

«Ранее фосфазены никто не рассматривал в качестве катализаторов для полимеризации бензоксазинов, — отмечает Игорь Сиротин. — Кроме этого, в нашу технологию входит и производство самих бензоксазиных мономеров и многие и другие тонкости, которые мы не готовы раскрывать, поскольку это ноу-хау, но главное, что в результате мы добились очень неплохого результата — за 8 часов реализуется полный цикл получения бензоксазиновых мономеров и теперь мы умеем быстро и экономично превращать их в полимер. На данный момент мы отрабатываем технологию производства и уже сейчас понятно, что она хорошо масштабируется».

Таким образом, российскими учеными разработана технология производства основных компонентов полимерного композитного материала для деталей салона самолета МС-21: бензоксазиновых мономеров и фосфазенового катализатора для отвержения мономерной смеси. В качестве одного из компонентов связующего материала в составе композита будет использована эпоксидная смола: она будет обеспечивать липкость до ее отвержения, чтобы потом можно было сделать заготовку требуемой формы. По словам Игоря Сиротина, в конечном изделии будут и другие компоненты, но пока авторы не готовы их раскрывать. Составы всех композиций описаны в поданной заявке на патент.

Индустриальный партнер РХТУ им Д.И. Менделеева в данном проекте — компания UMATEX (входит в структуру ГК «Росатом»), будет изготавливать композиты и испытывать их непосредственно в изделиях. Далее, предположительно уже в этом году, будет создано опытное производство бензоксазиновых мономеров и их связующих — мощностью до 200 тонн в год. Это позволит локализовать в России основные этапы производства ключевых элементов самолета МС-21. Помимо авиации, бензоксазины могут широко применяться в транспорте и электронике.

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры химической технологии пластических масс РХТУ им. Д.И. Менделеева вместе с сотрудниками компаний АО «Препрег-СКМ» и АО НПК «Химпроминжиниринг», при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования.

Статья: N.V. Bornosuz et al, Synthesis and Application of Arylaminophosphazene as a Flame Retardant and Catalyst for the Polymerization of Benzoxazines, Polymers (Q1), 2021, DOI: 10.3390/polym13020263