技术进展 啸机・l材料,2013,27(1):45 49 SILICONE MATERIAL 陶瓷前驱体聚硅氮烷的制备研究进展 滕雅娣,张大伟,管国生 (沈阳化工大学应用化学学院,沈阳110142) 摘要:综述了合成si—c~N陶瓷前体聚硅氮烷的一些方法,着重介绍了含金属聚硅氮烷的制备方法, 如:含钛聚硅氮烷、铝基聚硅氮烷、铁基聚硅氮烷、锆基聚硅氮烷、硼基聚硅氮烷、钇基聚硅氮烷、铜基 聚硅氮烷的制备方法;其次介绍了使用共聚法、超支化法、倍半硅氮烷水解法制备聚硅氮烷的方法。 关键词:聚硅氮烷,陶瓷,前驱体,钛,铝,铁,硼,锆,钇,铜 中图分类号:0634.4 1 文献标识码:A 文章编号:1009—4369(2013)01—0045—05 聚硅氮烷即主链由Si—N键构成的聚合物, 氮烷的多功能性,下面按金属的化合价进行分类 介绍。 1.1 含二价金属聚硅氮烷的制备方法 是制备Si—C—N陶瓷的一类重要前驱体;与聚 硅氧烷相比,它的成环倾向小 J、容易改变取 代基、更耐热 J、表面能与黏度较高 J。 10年以前,聚硅氮烷的研究不如主链由Si一0 G.Glatz等人将氨基吡啶铜配合物 [cu:(ApTM。) ](Ap H=4一甲基吡啶一2一三 甲基硅基胺)与市售的陶瓷前驱体聚有机硅氮烷 HTr1800发生氨基吡啶消除反应,得到含铜的 聚硅氮烷;然后进行交联、热裂解,得到含铜陶 键构成的聚硅氧烷广泛,部分原因是聚硅氮烷中 的一些结构高度活泼(与水、质子性化合物、 氧气等反应),主要原因是缺乏合成高摩尔质量 线型聚合物的方法。许多合成路线得到的都是结 构非常复杂的环状物和线型低聚物,而不是高聚 物 J。近年来开发了许多合成高摩尔质量聚硅 氮烷的方法。它们多数用于高温热解制备氮化硅 (Si,N )和氮化碳硅(Si N C:)陶瓷。最著名 的聚硅氮烷系列产品生产商是科莱恩公司的子公 司Kion公司,其主要产品Cerasets Polysilazane 瓷。所有的含铜SiCN陶瓷都对以空气为氧化剂 的环烷烃的氧化反应表现出催化活性,反应的选 择性随着铜含量的增加而增加;且此催化剂可循 环使用 。 1.2含三价金属聚硅氮烷的制备方法 含铁聚硅氮烷的制备:z.M.Xie等人将硅 氮烷锂盐缩聚,合成了超支化的含铁聚硅氮烷 (PSZI);PSZI在氮气、氩气或NH 中热解可得 到磁性陶瓷。PSZI的陶瓷产率高于相应硅氮烷 的陶瓷产率;而带si—H、一cH—cH:或高度 支化结构的PSZI和硅氮烷则会有更高的陶瓷产 20可用作SiN 电绝缘体材料的前驱体、防涂鸦 涂料、Si—C—N基陶瓷耐高温材料。本文着重 介绍近年来作为聚合物衍生陶瓷(PDC)的聚硅 氮烷的制备方法,其应用研究另文发表。 l 含金属聚硅氮烷的制备方法 含金属的聚硅氮烷具有多种用途。含硼 率 。继而,他们又在Fe[N(SiMe Vi) ]。和含 Si—CH—CH2的聚硅氮烷(PVSZ)之间进行氨 取代反应和热引发乙烯基交联反应,制备出 PSZI;PSZI在氮气中热裂解可转化成磁性陶瓷。 陶瓷的磁性可通过控制铁含量及裂解温度来调 收稿日期:.2012—06—16。 作者简介:滕雅娣(1965一),女,硕士生导师,主要从事 有机硅材料及中间体制备的研究。 E—mail:tyd2005—(B)聚硅氮烷裂解得到的陶瓷在2 ooo一2 200 oC 具有很好的化学与机械稳定性 J,含铁(Fe) 聚硅氮烷裂解得到的陶瓷具有磁性 ,含铜 (Cu)聚硅氮烷裂解得到的陶瓷具有催化作 用 J,含铝(A1)聚硅氮烷制成的陶瓷纤维能 形成超级疏水层 J,含钛(Ti)聚硅氮烷可制 成粘接性很好的陶瓷涂料 J。鉴于含金属聚硅 501@hotmail.corn。 基金项目:辽宁省教育厅科学技术研究基金资助项目 (N0.2008572)。 ・46 ・ 啸 讯 .1 材 料 第27卷 节[ 。C.Xu等人合成了具有线型或线一环型结 构的聚二茂铁硅氧烷(PFSX)和聚二茂铁硅氮 氯硅烷硅基化,再溶于六甲基二硅氮烷中,得到 含si—C—N—Y—O—H的液态前驱体;第二条 是将三氯化钇用三乙胺[N(C H ) ]氨解,制得 烷(PFSZ)。与具有相似摩尔质量的线型结构对 应物相比,线一环型结构的PFSX和PFSZ的陶 瓷产率更高,裂解物特性高度依赖于其前驱体的 摩尔质量与分子结构。线型聚合物在25~3OO℃ 裂解过程中形成了相当数量的二茂铁基小分子; 而线一环型聚合物的交联或支化结构的存在阻碍 了这种转化,因此陶瓷产率大大提高 。 含铝聚硅氮烷的制备:H.Nakashima采用 (HA1N Pr) (Pr=C,H7)和[MeSi(H)NH] 制 得的前驱体可通过裂解转化成Al—Si—N—C陶 瓷复合材料,而(HA1N Pr) 和[MeSi(H)NH] 都主要由笼型化合物和环状化合物构成。A1H基 和NH基之间的脱氢偶联反应可在低温 ( ̄<250 ̄C)下进行,具有较高的陶瓷产率 (900℃时可达到69%)¨ 。z.Y.Chu等人将六 甲基环三硅氮烷与乙酰丙酮铝聚合,制备出聚铝 硅氮烷前驱体 。A.Dhamne等人将液态聚脲硅 氮烷与异丙醇铝反应,得到液态聚铝硅氮烷 。 Y.Mori等人用铂催化烯丙基亚胺铝烷一乙基亚 胺铝烷共聚物和1,3,5,7一四氢一1,3,5,7一四 甲基环四硅氮烷的反应,得到亚胺铝烷一硅氮烷 聚合物,用作Al—Si—N—C陶瓷的前驱体,其 900oC的陶瓷产率为83.1% 14]。 含硼聚硅氮烷的制备:Y.Tang等人用二氯 甲基硅烷、氯化硼和六甲基二硅氮烷经一步缩聚 反应,得到si—B—N—C纤维陶瓷前驱体聚硼 硅氮烷,收率较高。反应主要包括si—cl、B—C1 与N—sjM 之间的脱SiMe C1反应和N—H与 si—H之间的脱氢反应。该聚合物是一种易溶的无 色透明固体,熔点70 ̄C,摩尔质量10 800 g/mol, 其骨架主要由si—N—B桥连一些环硼氮烷组 成。此聚合物表现出很好的成型加工性,经熔融 纺丝可得到直径15~20/zm、柔韧性好的纤维。 在1 000℃氮气氛围中热裂解的陶瓷收率达 63%【15j。C.Xu等用2,4,6一三氯环硼氮烷和二 氯甲基硅烷进行共氨解反应,生成聚硼硅氮烷, 用作si—B—c—N陶瓷的前驱体。聚硼硅氮烷 中硼或硅的含量在控制前驱体的高温性能上起着 重要的作用 。 含钇(Y)聚硅氮烷的制备:含钇聚硅氮烷 的合成路线有两条:第一条是将醋酸钇用三甲基 氨解的钇化合物,再溶解在四甲基二硅氧烷中, 得到含相同元素的前驱体_1 J。 1.3 含四价金属聚硅氮烷的制备方法 含钛聚硅氮烷的制备:G.Motz等人制备了 三种聚硅氮烷前驱体。第一种是将CH,C1 Sil和 CH C12SiCH—CH2共氨解,生成液态交联的 SiCN前驱体,经液相渗透过程,在1 400%下裂 解的陶瓷产率高达75%;第二种是前述氯硅烷 首先发生氢硅烷化反应,生成晶态的具有亚乙基 桥的双卤代硅基烷,接下来通过氨解反应生成可 熔性固体(100%);第三种是将第一种前驱体 用有机金属化合物Ti(NR ) 改性,生成不熔但 可溶的固体。由于可溶解,该聚合物可制成涂 料,简单的刷涂和喷涂在玻璃、石材、钢材等基 材上,得到像陶瓷一样的涂层,且与所有基材都 有很强的粘接性 。 含锆(Zr)聚硅氮烷的制备:z.M.Xie等 人通过六甲基环三硅氮烷的锂盐与四氯化锆的缩 合反应制备出聚有机锆硅氮烷,作为si—zr—c —N基陶瓷的前驱体。前驱体制备温度会影响热 裂解产率,在80cI=合成的前驱体的热裂解产率 最高 。 含铪(Hf)聚硅氮烷的制备方法:B. Papendorf ̄人将经铪醇盐化学改性的聚硅氮烷或 环三硅氮烷在氩气下交联、裂解,合成了铪改性 SiCN陶瓷。核磁、红外、拉曼光谱揭示,铪醇 盐与环三硅氮烷的N—H键发生反应,而且聚硅 氮烷中的Si—H键与铪醇盐也发生了和N—H键 一样的反应;扫描与透射电镜证实,由环三硅氮 烷或聚硅氮烷制得的陶瓷纳米材料显示出显著不 同的微结构,这是铪醇盐分别与环三硅氮烷、聚 硅氮烷经不同路径反应的结果。他们还意外发 现,这两种陶瓷纳米材料在降解和结晶过程中显 示出极端不同的高温性能:在由聚硅氮烷制得的 陶瓷中观察到铪的均匀分布导致了其热稳定性提 高;而由环三硅氮烷制得的样品里铪富集的部分 在高温退火时发生明显的分解¨ 。 2其它制备方法 第1期 滕雅娣等.陶瓷前驱体聚硅氮烷的制备研究进展 2.1 共聚法制备聚硅氮烷 在相对温和的条件下能够得到Si一0一N网 状物 。 K.Matsumoto等人采用1,1,3,N, 一五甲 基一3一乙烯基环二硅氮烷和苯乙烯的阴离子聚 合反应制得了由硅氮烷和非硅氮烷组分构成的二 嵌段共聚物[聚(1,1,3,N, 一五甲基一3一乙 烯基环二硅氮烷)一聚苯乙烯]和三嵌段共聚 物[聚(1,1,3,Ⅳ, 一五甲基一3一乙烯基环二硅 氮烷)一聚苯乙烯一聚(1,1,3,N,N’一五甲基 3 结束语 聚硅氮烷以其独特的化学结构和性质引起许 多研究者的关注,其合成研究近年来再次成为热 点。由于它们主要用作Si—C—N陶瓷前驱体, 很多研究者在这方面进行了卓有成效的尝试,使 一3一乙烯基环二硅氮烷)][20 3。C.B.W.Garcia 等人将两种摩尔质量不同、聚环氧乙烷含量不 同、分别具有体心立方球和六边形圆柱体结构的 两性嵌段共聚物聚异戊二烯一环氧乙烷作为结构 导向剂用于商业上被称为Ceraset的聚硅氮烷中。 这两种聚合物中硅氮烷低聚物的质量分数都是 50%[21 J。D.P.Kim等人在120℃下、甲苯中, 通过可逆加成分裂链转移(RAFT)聚合反应得 到高摩尔质量聚乙烯基硅氮烷,使用二硫代氨基 甲酸酯衍生物和偶氮二异丁晴分别作为RAFT试 剂和热引发剂。乙烯基环硅氮烷的聚合转化率为 82.5%,反应较易控制,且摩尔质量从1 000增 长到12 000 g/mol,分散系数小于1.5。所合成 的聚合物在1 O00 ̄C的陶瓷收率高达70%[22 J。 N.B.Christopher等人用液态聚硅氮烷VL20 (Kion公司商品)与硫醇单体在传统的硫醇烯光 聚合反应中共聚,制得陶瓷前驱体聚合物 。 2.2超支化法制备聚硅氦烷 x.D.Fan等人将MeHSiC1'、Me,HSiC1与二 烯丙基胺和烯丙基胺进行氨解反应,制备出一种 AB 型单体二(Ⅳ,Ⅳ一二烯丙基氨基)一甲基硅 烷,两种AB 型单体Ⅳ,Ⅳ一二烯丙基氨基一二 甲基硅烷和Ⅳ,Ⅳ一二(二甲基硅基)一烯丙基 胺;然后,用H PtC1 作催化剂,经硅氢加成反 应得到超支化聚碳硅氮烷 J。 2.3倍半硅氦烷水解法制备聚硅氮烷 H.Yokota等人对含不同官能团的倍半硅氮 烷[RSi(NH)。.5] (R—Cl2H 5,Ph,H)进行水 解反应:[C H si(NH) . ] 在高压加热器中 120 ̄C下水解16 h;[PhSi(NH)ll5] 在50%水解 16 h;[HSi(NH) . ] 在室温下即可水解。 [c H: Si(NH)。 ] 和[PhSi(NH) ] 的红外分 析表明,si—NH—Si键仍存在,且倍半硅氮烷 末端的si—NH 键优先水解形成si—OH键或 si一0一si键。带十二烷基和苯基的倍半硅氮烷 用不同金属基原料经聚合反应或共混得到含金属 的聚硅氮烷,以期在催化剂制备、储氢电池、环 境保护以及燃料电池领域得到应用。也有一些研 究者使用共聚、超支化方法制备出聚硅氮烷。随 着新的合成方法不断地被发现,相信在不久的将 来,聚硅氮烷的合成研究将会取得更多的突破。 参考文献 [1]COLOMBO P,MERA G,RIEDEL R,et a1.Polymer— derived ceramics:40 years of research and innovation in advanced ceramics[J].J Am Ceram Soc,2010,93 (7):1805—1837. [2]冯圣玉,栗付平,李美江.含硅聚合物[M].北京: 化学工业出版社.2008:247—248. [3]张金东,滕雅娣,李旭日,等.硅氮烷的合成与应 用研究进展[J].有机化学,2007,27(11):1358— 1365. [4]滕雅娣,孙驰宇,盛永刚,等.环硅氮烷的合成与 应用研究进展(1)一环二硅氮烷[J].有机化学, 2011,31(6):932—945. [5]GLATZ G,SCHMALZ T,KRAUS T,et a1.Copper— containing SiCN precursor ceramics(Cu@SiCN)as se— lective hydrocarbon oxidation catalysts using air as an oxidant[J].Chem-Eur J,2010,16(14):4231 —4238. [6]LI Y,ZHENG Z,RENG C,et a1.Preparation ofSi—C ——N——Fe magnetic ceramics from iron-・containing polysi-- lazane[J].Appl Organomet Chem,2003,17(2): 120—126. [7]LI J,ZHANG Z,ZHENG Z,et a1.Preparation and magnetic properties of Fe/Si/C/N ceramics derived from a polymeric precursor[J].J Appl Polym Sci, 2007,105(4):1786—1792. [8]SARKAR S,CHUNDER A,FEI W,et a1.Superhydro— phobic mats of polymer-derived ceramic fibers[J].J Am Ceram Soc,2008,91(8):2751—2755. [9]MOTZ G,HACKER J,ZIEGLER G.Specila modiifed silazanes for coatings,fibers and CMC,s[J].Ceram ・48 ・ Eng Sci Proc,2000,2l(4):307—314. 哺 讯 -l 材 料 第27卷 [18]LIU C,YANG S,XU C,et a1.New method for syn— thesizing polyorganozircosilazane as a Si/Zr/C/N~ [10]HU X,LI Y,Xu C.Synthesis,characterization,and pyrolysis of ferrocenyl unit containing organosilicon based ceramic precursor[J].J Appl Polym Sci,2003, 87(13):2080—2082. polymers[J].J Appl Polym Sci,2010,118(6): 3384—3390. [19]PAPENDORF B,NONNENMACHER K,IONESCU E,et a1.Strong influence of polymer architecture on [11]NAKASHIMA H,KOYAMA S,KURODA K,et a1. Conversion of a precursor derived from cage—type and the microstructural evolution of hafnium..alkoxide..modi.. cyclic molecular.building blocks into A1——Si——N——C ceramic composites[J].J Am Ceram Soc,2002,85 .lfed silazanes upon ceramization[J].Small,201 1,7 (7):970—978. (1):59—64. [20]MATSUMOTO K,NAKASHITA J,MATSUOKA H. Synthesis of silicon nitride based ceramic nanoparticles by the pyrolysis of silazane block copolymer micelles [12]CHU Z Y,FENG C X,SONG Y C,et a1.Structural characterization of a polyaluminosilazane precursor pre— pared by polymerizing hexamethylcyclotrisilazane with [J].J Polym Sci.Part A:Polym Chem,2006,44 (15):4696—4707. aluminum acetylacetonate[J].Chin J Chem,2003, 21(7):975—978. [21]GARCIA C B w,LOVELL C,CURRY C,et a1.Syn— thesis and characterization of block copolymer/ceramic [13]DHAMNE A,XU W,FOOKES B G,et a1.Polymer— ceramic conversion of liquid p0lyaluminasi1azanes f0r precursor nanoeomposites based Oll a polysilazane[J]. J Polym Sci.Part B:Polym Phy,2003,41(24): 3346—3350. SiA1CN ceramics[J].J Am Ceram Soc,2005,88 (9):2415—2419. [14]MORI Y,SUGAHARA Y.Pyrolytic conversion of an Al—Si—N—C precursor prepared via hydrosilylation [22]NGHIEM Q D,NGUYEN C T,KIM D P.Controlled/ living radical polymerization of vinylcyclicsilazane by between[Me(H)SiNH]4 and[HA1N(ally1)] [HA1N(ethy1)] [J].App Organome Chem,2006, 20(8):527—534. RAFT process and their block copolymers[J].J Polym Sci.Part A:Polym Chem,2008,46(13): 4594-4601. [15]TANG Y,WANG J,LI X D,et a1.Preceramic poly— mer for Si——B—-N——C fiber via one-・step condensation [23]CRAMER N B,REDDY S K,LU H,et a1.Thiol—ene photopolymerization of polymer—derived ceramic precur— of silane,BC13,and silazane[J].J Appl Polym Sci, 2008,110(2):92l一928. SOs[J].Jr Polym Sci.Patr A:Polym Chem,2004, 42(7):1752—1757. [16]DONG S,ZHAO T,XU C.Synthesis and thermal be— havior of polymeric precursors for Si—-B——C—-N ce-- [24]ZHANG G B,FAN X D,KONG J,et a1.Stucrture design of novel hyperbranched polycarbosilazanes:syn— ramic[J].J Appl Polym Sci,2010,118(6):3400 —thesis and characterization『J].Macromol Chem Phys. 3406. 2007,208(5):541—548. [17]CHEHAIDI S,FOUCAUD S,MAITRE A,et a1.Two synthesis routes of organometallic precursors for the e— [25]YOKOTA H,IMANARI N,SUGAHARA Y.Forma— tion of si一0一N networks from silsesquiazanes[J]. App Organomet Chem,2010,24(8):608—611. laboration of SiCNYO pre—alloyed nanopowders[J]. App Organomet Chem,2010,24(4):338—345. Progress on Preparation of Polysilazanes Ceramic Precursors TENG Ya—di,ZHANG Da—wei,GUAN Guo—sheng (College of Applied Chemist ̄,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 1 10142,Liaoning) Abstract:This paper reviews the methods of synthesizing Si—C—N ceramic precursor polysilazanes with focusing on the preparation of metal—doped polysilazanes.The typical methods include titanium polysilazanes, aluminum polysilazanes,iron polysilazanes,boron polysilazanes,,zirconium polysilazanes,yttrium polysi- lazanes and copper polysilazanes.Then,it reviews some methods of synthesizing ceramic precursor polysi— 第1期 滕雅娣等.陶瓷前驱体聚硅氮烷的制备研究进展 lazanes by cop0lymerization and hyperbranched method,hydrolysis of silsesquiazane. Keywords:polysilazanes,ceramics,precursor,titanium,aluminum,iron,boron,zirconium, yttrium,copper 一+”+”+”+“+”+”+“+”+‘‘+“+”+”+”+“+”+“+ +“+”+“+‘‘+’‘+ +“、 + ; t t 广告索引 i f { t湖北新蓝天新材料股份有限公司(封面) 佛山市金银河机械设备有限公司(彩25) t + ;无锡市全立化工公司(封2) 成都硅宝科技实业公司(彩26) ; I阿克苏诺贝尔授权华东销售公司(封3) 四川晨光工程设计院(彩27) i {道康宁公司(封底) 佛山市道宁化工有限公司(A1) {荆州市江汉精细化工有限公司(彩1) 江苏强盛化工有限公司(A2) ;嘉兴联合化学公司(彩2) 江苏泰兴市涂料助剂化工厂(A3) I浙江新安化工集团股份有限公司(彩3) 如皋市兴业机械厂(A4) t浙江润禾化工新材料有限公司(彩4) 湖北德邦化工新材料有限公司(A5) {江西星火有机硅厂(彩5) 成都高新区今天硅材料公司(A9) i如皋市三川化工机械厂(彩6) 无锡市华宸有机硅设备有限公司(A9) t江苏晨光偶联剂公司(彩7) 佛山市力信化工有限公司(A10) {如皋市腾飞机械有限公司(彩8) 无锡市雪达化工装备厂(A10) {上海建橙工贸公司(彩9) 江苏泰兴新型工业泵厂(A11) j广州坚毅化工进出口有限公司(彩10、A6、 杭州大地化工有限公司(A12) : ÷A7、A8) 丹阳市有机硅材料实业公司(A13) + }吉林市好友工贸有限公司(彩11) 磐石市大田化工助剂研究所(A14~17) ;如皋市井上捏和机械厂(彩12) 无锡市科鑫达化工装备有限公司(A1 8) j桐乡市溶力化工有限公司(彩13) 江苏泰兴市天丰真空泵有限公司(A1 8) t扬州晨化科技集团公司(彩14) 吉林东湖有机硅有限公司(A19) {广州吉必盛科技实业有限公司(彩15) 无锡科越化工机械厂(A20) i福斯特机械(南通)制造有限公司(彩16) 上海闻普化学科技有限公司(A21) j如皋市通达机械制造公司(彩17) 东莞兆舜有机硅新材料科技有限公司(A22) t武大有机硅新材料股份有限公司(彩18) 无锡市四方真空设备有限公司(A23) ;南京金浦造粒设备有限公司(彩19) 中山市竞发有机硅材料有限公司(A24) l上海维沃化工有限公司(彩20) 无锡市宏图药化设备有限公司(A25) }庄信万丰(上海)催化剂有限公司(彩21) 无锡市君友化工设备公司(A26) }崇越贸易(上海浦东新区)有限公司(彩22) 佛山市华联有机硅有限公司(正文第44页) i和氏璧化工(彩23) 江苏如东县振丰奕洋化工有限公司(英文目 }青岛科大隆腾科技发展有限公司(彩24) 次页)