聚碳硅烷改性合成研究

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聚碳硅烷(PCS)先驱体是制备SiC纤维及陶瓷基复合材料的原料,它的组成、结构和性能直接影响后续制备工艺以及最终产品的质量。国防科技大学采用高温常压裂解法合成的PCS已经成功地制备了性能优良的连续SiC纤维。SiC纤维中的氧和游离碳是影响纤维性能的主要因素,这些杂质直接或间接来源于先驱体PCS,如Si-H等活性基团含量低,碳元素含量偏高等。另外低产率使得PCS的生产成本偏高,限制了工业化生产和应用。因此完善PCS的组成结构,提高合成产率成为了合成PCS先驱体的研究方向之一。高温常压法合成PCS的原料LPS含有聚硅烷(Si-Si)与聚碳硅烷(Si-C)的主链结构,链中活泼的Si-H基团与烯键容易发生硅氢化反应。在LPS中加入适量的二乙烯基苯(DVB),可使其侧基CH2=CH-与LPS中的Si-H键发生加成反应,促进了Si-Si键的断裂、重排,使得产物中Si-H键含量提高,同时也促进了PCS分子量的增加,合成效率的提高。本文合成了一系列DVB改性的PPCS(Polyphenylcarbosilane)。合成时采用16L45正交实验设计,系统地分析了DVB含量(WPD)、反应温度(TR)、裂解柱温(TP)、升温速率(VH)和保温回流时间(tH)五个因素对PPCS收率的影响情况。实验结果表明当TR = 420℃,VH = 6℃/hr,WPD= 1.5%,tH = 5hrs,TP = 500℃时,PPCS的产率可达50%。另外,各因素对聚碳硅烷产率影响的显著性依次为:VH > TR > W(PD0 > > tH > TP。在最佳合成条件下,添加1.5%、2.5%、4.5%DVB,研究了WPD对反应的影响。通过元素分析、IR、UV、GPC、1H-NMR、13C-NMR、29Si-NMR、XPS和TG-DTA等方法对产物PCS进行了测试分析,并且跟踪测试了不同温度下的反应物及回流液的组成结构,初探了DVB/LPS的共聚反应机理。DVB/LPS常温高压共聚合成的PCS是以Si-C键为主链的聚合物,主要由Si-CH3、Si-H、Si-CH2-Si等基团组成的SiC3H、SiC4两种结构单元构成。软化点为200℃的PCS的C/Si原子比为1.70,软化点为93.7℃未经过后处理的产物PCS的NMR谱图中Si-H/C-H比值约为0.080,SiC3H/SiC4比值约为1.54。与不添加DVB常压合成的PCS相比,改性PCS中的C、O元素、C/Si原子比值及Si-H键含量都比较低,分子线性度好。TG分析表明,改性PPCS的在1200℃时陶瓷产率达到71.5%。将改性PPCS经过熔融纺丝、不熔化处理和高温烧成,可以得到抗张强度为2.20GPa的连续SiC纤维。
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