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.

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 поставлялось 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 сэндвичу, состоят из нескольких ингредиентов, точное совмещение которых придает конечному продукту нужные 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 служат 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.

Реакция синтеза производной фосфазен – катализатора полимеризации бензоксазина

«Сами бензоксазины могут полимеризоваться без катализатора, но для этого нужны 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.

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 отличие 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 бензоксазиновых мономеров, и многие другие тонкости, которые мы не готовы раскрывать, поскольку это ноу-хау, но главное, что в итоге 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»), она 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.

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.