一种聚硅氧烷树脂合成硅氧碳陶瓷材料的方法

摘要

本发明公开了一种聚硅氧烷树脂合成硅氧碳陶瓷材料的方法。该方法中制备陶瓷前驱体的原料含有液态甲基乙烯基MQ硅树脂、交联剂、抑制剂和催化剂，所述液态甲基乙烯基MQ硅树脂占的比重为10～80wt％，交联剂占的比重为1～50wt％，抑制剂占的比重为10～50wt％，催化剂占的比重为0.1～0.5wt％；所述的液态甲基乙烯基MQ硅树脂的固含量≥50％，粘度为100～100000mPa·s，乙烯基含量为0.5～10wt％。本发明在前驱体原料中添加液态甲基乙烯基MQ硅树脂，其与交联剂、抑制剂在极少量催化剂的作用下即可获得固含量高、网络状的聚硅氧烷树脂前驱体，保证了硅氧碳陶瓷的产率高，致密性好且机械强度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚硅氧烷树脂合成硅氧碳陶瓷材料的方法，属于陶瓷 制备技术领域。

背景技术

发展高耐热性和耐辐射性的绝缘材料是未来绝缘材料的重要发展方 向之一。一些陶瓷材料以其优异的绝缘性、耐高温、导热性、低密度、低 收缩性、耐腐蚀等性能，越来越受到电子电工行业的重视。硅氧碳(SiOC) 陶瓷具有低密度、耐高温、抗腐蚀、抗氧化等优异性能，其可以看作是SiO₂网络中的氧原子部分被碳原子取代的产物，键密度增加，网络强度增强， 从而提高材料的热稳定性和机械性能。先驱体在惰性气氛中1000℃下裂解 就能得到含碳量可调(8～40wt％)的SiOC陶瓷，其结构可稳定到1200～1300 ℃，只在1450℃以上才会发生明显的结构变化，由于其质轻和耐高温特性， 被广泛应用于为基体的纤维增强复合材料、微机电系统的高温结构材料、 微小零部件制作等。

采用有机硅前驱体经过“交联-成型-热解”是近年来制备陶瓷材料的 新方法。与传统的粉末烧结方法不同，其具有可在分子尺度上进行材料设 计、液相浸渍涂覆各种复杂形状基体、低温无机化、一次成型复杂形状的 陶瓷体等优点，得到的陶瓷材料具有优良的耐高温特性。可用于制备陶瓷 纤维、陶瓷基复合材料、陶瓷涂层、陶瓷微粉、陶瓷部件等。有机硅先驱 体包括聚碳硅烷、聚硅氮烷和聚硅氧烷，唯独聚硅氧烷已经进行商业化并 且价格低廉，被认为是低成本制备高性能SiOC陶瓷材料的理想先驱体。

目前国内对于聚硅氧烷制备SiOC陶瓷材料方面的研究还处于起步阶 段，国防科技大学等少数单位开展了部分研究工作，对国内市场上的商用 聚硅氧烷进行了一定的开发，所用聚硅氧烷陶瓷产率最高达76wt％，陶瓷 产率有待提高。公开号为CN101074159A的发明专利公开了一种液态聚硅 氧烷合成致密硅氧碳陶瓷的方法，该方法将含氢量1.55wt％的聚硅氧烷与 四甲基四乙烯基环四硅氧烷按质量比1：2～2：1磁力搅拌混合得混合料， 以混合料质量为基准滴加乙烯基硅氧烷配位铂络合物催化剂(占混合料质 量的1％)，混合均匀后，倒入模具中，放入真空烘箱中在20℃到100℃条 件下交联成型，成型后的坯体烘干脱模，然后在氩气或者氮气气氛下，升 温至600～1300℃保温后降温到室温，制得致密硅氧碳陶瓷。另外，安海 娇等公开了以线性含氢聚硅氧烷和环状四甲基四乙烯基环四硅氧烷为原 料，甲基乙烯基硅氧烷配位的铂络合物做催化剂，当含氢聚硅氧烷和环状 四甲基四乙烯基环四硅氧烷的质量配比为1：1，催化剂的含量为混合料的 1wt％时，可以得到致密的硅氧碳陶瓷，而且陶瓷的产率可达到81.4wt％(安 海娇，天津大学硕士论文《聚硅氧烷热解合成三维致密碳氧化硅陶瓷》)。 虽然上述文献公开了采用两步交联法可以获得较高的陶瓷产率，但上述方 法中的催化剂的添加量均较高，只有在催化剂占制备前驱体混合料的 1wt％、含氢聚硅氧烷中的含氢量达到1.55wt％或1.6wt％时才能获得81.4 wt％的产率，由于催化剂的成本较高，导致上述方法的生产成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种聚硅氧烷树脂合成硅氧碳陶瓷 材料的方法。该方法产率高，且获得硅氧碳陶瓷机械强度高、致密性好。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种聚硅氧烷树脂合成硅氧碳陶瓷材料的方法，包括制备陶瓷前驱体 步骤、交联固化步骤和裂解步骤，其中：

在制备陶瓷前驱体步骤中，制备陶瓷前驱体的原料含有液态甲基乙烯 基MQ硅树脂、交联剂、抑制剂和催化剂，其中，液态甲基乙烯基MQ硅树 脂在制备陶瓷前驱体混合料中占的比重为10～80wt％，交联剂在制备陶瓷 前驱体混合料中占的比重为1～50wt％，抑制剂在制备陶瓷前驱体混合料中 占的比重为10～50wt％，催化剂在制备陶瓷前驱体混合料中占的比重为 0.1～0.5％；

所述的液态甲基乙烯基MQ硅树脂的固含量≥50％，粘度为100～ 100000mPa·s，乙烯基含量为0.5～10wt％；

所述的交联剂为以Si-(CH₃)₃或Si-H(CH₃)₂封端的含氢聚硅氧烷，该交 联剂的粘度为10～5000mPa·s，含氢量为0.8～3wt％；

所述的抑制剂为环状四甲基四乙烯基环四硅氧烷(D4Vi)，或者是乙烯 基含量为0.2～5wt％、粘度为10～5000mPa·s的直链状乙烯基聚硅氧烷， 或者是它们两者任意比例的组合。

本发明通过在前驱体原料中添加液态甲基乙烯基MQ硅树脂，其与交 联剂、抑制剂在极少量催化剂的作用下即可获得固含量高、网络状的聚硅 氧烷树脂前驱体，保证了硅氧碳陶瓷的产率高，致密性好，进而实现硅氧 碳陶瓷材料的耐热性和抗紫外辐射性得到进一步提高；另一方面，通过控 制液态甲基乙烯基MQ硅树脂中乙烯基的含量以及交联剂中硅氢基团的含 量和位置，以控制聚硅氧烷陶瓷前驱体的交联密度，使Si-Vi和Si-H键 在极少量催化剂的条件下实现充分有效的交联，避免了因交联不充分而残 留下大量的小分子在高温裂解过程中因挥发不能在陶瓷内部脱出而产生 应力进而导致硅氧碳陶瓷出现裂纹的现象；同时，配合采用低乙烯基含量 的聚硅氧烷抑制剂，其与交联剂中的Si-H键进行加成反应，在一定程度 上降低了体交联密度，此外，其线性Si-O结构相对乙烯基树脂中的网络 刚性结构，降低了交联体的网络刚性，使交联体具有一定的柔性，缓解有 机硅前驱体在低温交联过程中的应力，从而减少交联体在高温裂解过程中 裂纹的产生。交联后的抑制剂因具有较低的交联密度，分子骨架上的有机 官能团更容易裂解，挥发出大量小分子，为陶瓷前驱体提供小分子脱出通 道，减少陶瓷前驱体在高温裂解过程中产生的应力，从而抑制裂纹的产生， 提高硅氧碳陶瓷绝缘材料的机械强度。

上述技术方案中，所述的液态甲基乙烯基MQ硅树脂(也称为乙烯基MQ 硅树脂)，其结构式为(Me₃SiO_0.5)_a(ViMe₂SiO_0.5)_b(SiO₂)。优选采用固含量为 60～78％，粘度为5000～20000mPa·s，乙烯基含量为1％～5％的液态甲基乙 烯基MQ硅树脂。

上述技术方案中，作为交联剂的直链状含氢聚硅氧烷(含氢硅油)的结 构式如下式所示：

其中，n≥1，m≥1；Y为

具体的，交联剂为甲基封端的甲基氢聚硅氧烷(也称为甲基封端的二 甲基甲基氢硅氧烷与聚硅氧烷、三甲基硅氧基封端的甲基氢聚硅氧烷、三 甲基硅氧基封端的二甲基甲基氢硅氧烷与聚硅氧烷或甲基封端的含氢硅 油)和／或氢封端的甲基氢聚硅氧烷(也称为氢封端的二甲基甲基氢硅氧烷 与聚硅氧烷、二甲基氢硅氧烷基封端的甲基氢聚硅氧烷、二甲基氢硅氧烷 基封端的二甲基甲基氢硅氧烷与聚硅氧烷或氢封端的含氢硅油)。当交联 剂的选择为甲基封端的甲基氢聚硅氧烷和氢封端的甲基氢聚硅氧烷的组 合时，它们之间的配比可以为任意配比。

上述技术方案中，作为抑制剂的直链状乙烯基聚硅氧烷(乙烯基硅油) 的结构式如下式所示：

其中，n≥0，m≥1；

L为

具体的，所述作为抑制剂的直链状乙烯基聚硅氧烷可以是选自甲基封 端的乙烯基聚硅氧烷(也称为三甲基硅氧基封端的乙烯基聚硅氧烷、甲基 封端的二甲基甲基乙烯基硅氧烷与聚硅氧烷或三甲基硅氧基封端的二甲 基甲基乙烯基硅氧烷与聚硅氧烷)、乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(也称为 二甲基乙烯基硅氧烷封端的乙烯基聚硅氧烷、乙烯基封端的二甲基甲基乙 烯基硅氧烷与聚硅氧烷、二甲基乙烯基硅氧基封端的二甲基甲基乙烯基硅 氧烷与聚硅氧烷)和乙烯基封端的二甲基聚硅氧烷(也称为二甲基乙烯基 硅氧烷封端的二甲基聚硅氧烷)中的一种或两种以上的组合。当抑制剂的 选择为上述任意两种以上的组合时，它们之间的配比可以为任意配比。

上述技术方案中，催化剂在制备陶瓷前驱体混合料中占的比重优选为 0.1～0.2wt％，在这个选择范围内可以以更低的成本获得较高的产率。

上述技术方案中，所述液态甲基乙烯基MQ硅树脂在制备陶瓷前驱体 混合料中占的比重优选为30～80wt％，交联剂在制备陶瓷前驱体混合料中 占的比重优选为10～50wt％，抑制剂在制备陶瓷前驱体混合料中占的比重 优选为10～40wt％。

上述技术方案中，所述的催化剂具体可以是铂金络合物或氯铂酸，其 中铂金络合物具体可以是铂(0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷 (也称为甲基乙烯基聚硅氧烷配位铂催化剂、氯铂酸-二乙烯基四甲基二硅 氧烷)。

本发明所述方法中的交联固化步骤和裂解步骤可以与现有常规技术 相同，优选地，所述的交联固化步骤在空气或保护氛中进行，交联固化的 温度为50～120℃，交联固化的时间为0.5～10h。所述交联固化步骤更优 选是在空气气氛下进行，所述的保护气氛为选自氧气、氮气、氢气、氩气、 氨气和氦气中的一种或两种以上的混合气体。在裂解步骤中，裂解的温度 为600～1200℃，裂解的时间为1～72h。

与现有技术相比，本发明的特点在于：

1、本发明通过在前驱体原料中添加液态甲基乙烯基MQ硅树脂，其与 交联剂、抑制剂在极少量催化剂的作用下即可获得固含量高、网络状的聚 硅氧烷树脂前驱体，保证了硅氧碳陶瓷的产率高，致密性好，进而实现硅 氧碳陶瓷材料的耐热性和抗紫外辐射性得到进一步提高；另一方面，通过 控制液态甲基乙烯基MQ硅树脂中乙烯基的含量以及交联剂中硅氢基团的 含量和位置，以控制聚硅氧烷陶瓷前驱体的交联密度，使Si-Vi和Si-H 键在极少量催化剂的条件下实现充分有效的交联，避免了因交联不充分而 残留下大量的小分子在高温裂解过程中因挥发不能在陶瓷内部脱出而产 生应力进而导致硅氧碳陶瓷出现裂纹的现象；同时，配合采用低乙烯基含 量的聚硅氧烷抑制剂，其与交联剂中的Si-H键进行加成反应，在一定程 度上降低了体交联密度，此外，其线性Si-O结构相对乙烯基树脂中的网 络刚性结构，降低了交联体的网络刚性，使交联体具有一定的柔性，缓解 有机硅前驱体在低温交联过程中的应力，从而减少交联体在高温裂解过程 中裂纹的产生；交联后的抑制剂因具有较低的交联密度，分子骨架上的有 机官能团更容易裂解，挥发出大量小分子，为陶瓷前驱体提供小分子脱出 通道，减少陶瓷前驱体在高温裂解过程中产生的应力，从而抑制裂纹的产 生，提高硅氧碳陶瓷绝缘材料的机械强度。

2、方法简单易操作，生产成本低。

附图说明

图1为本发明实施例6制得的SiOC陶瓷材料的照片；

图2为本发明实施例6制得的SiOC陶瓷材料表面的SEM图(放大倍数 1000倍)；

图3为本发明实施例6制得的SiOC陶瓷材料表面的SEM图(放大倍数 10000倍)。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些 实施例。

实施例1

取40g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为0.96wt％，固含量为68％， 粘度为6000mPa·s)、19g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为0.8wt％) 和9g四甲基四乙烯基环四硅氧烷，搅拌均匀，再加入0.13g铂金络合物(铂 (0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)，室温搅拌 均匀，得到聚硅氧烷树脂陶瓷前驱体。再将此前驱体置于烘箱中于80℃交 联1h，100℃交联2h，得到块状固体物；将所得块状固体物置于管式炉中， 以2℃／min的升温速率加热至1000℃，保温热解2h，再以2℃／min的降 温速率降至室温，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为82.7％。所得SiOC陶 瓷的弯曲强度为135.2Mpa。

对比例1

除氢封端的甲基氢聚硅氧烷的含氢量为0.5wt％，加入量为32g以外， 其它均与实施例1相同，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为73.7％。所得 SiOC陶瓷的弯曲强度为92.5Mpa。

实施例2

除了将氢封端的甲基氢聚硅氧烷换成甲基封端的甲基氢聚硅氧烷以 外，其他均与实施例1相同，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为82.1％。所 得SiOC陶瓷的弯曲强度为135.0Mpa。

实施例3

除了将19g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为0.8wt％)换成15g 氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为0.8wt％)和4g甲基封端的甲基氢聚 硅氧烷(含氢量为0.8wt％)以外，其他均与实施例1相同，得到SiOC 陶瓷材料，陶瓷产率为82.5％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度为134.5Mpa。

实施例4

除了将0.13g铂金络合物改为0.06g铂金络合物以外，其他均与实施 例1相同，得到SiOC陶瓷材料。陶瓷产率为82.0％，所得SiOC陶瓷的弯 曲强度为134.7Mpa。

实施例5

取15g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为0.96wt％，固含量为68％， 粘度为6000mPa·s)、23g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为0.8wt％)和 10g四甲基四乙烯基环四硅氧烷，搅拌均匀，再加入0.09g铂金络合物(铂 (0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)，室温搅拌 均匀，得到聚硅氧烷树脂陶瓷前驱体。其他交联及热解步骤及条件同实施 例1，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为81.4％。所得SiOC陶瓷的弯曲强 度为133.2Mpa。

实施例6

取10g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为0.96wt％，固含量为68％， 粘度为6000mPa·s)、10.5g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为1.6wt％) 和10g四甲基四乙烯基环四硅氧烷，搅拌均匀，再加入0.05g铂金络合物 (铂(0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)，室温搅 拌均匀，得到聚硅氧烷树脂陶瓷前驱体。其他交联及热解步骤及条件同实 施例1，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为85.5％。所得SiOC陶瓷的弯曲 强度为175.6Mpa。

本实施例制得的SiOC陶瓷材料如图1所示，对该SiOC陶瓷材料表面 进行电镜扫描，其SEM图分别如图2和3所示，其中图2为放大倍数1000 倍的SEM图，图3为放大倍数10000倍的SEM图。

由图2和3可知，SiOC陶瓷表面平整，无孔洞和开裂现象。

实施例7

除了热解温度为1100℃外，其他均与实例6相同，得到SiOC陶瓷材 料，陶瓷产率为85.7％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度为178.0Mpa。

实施例8

取10g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为1.7wt％，固含量为60％， 粘度为8000mPa·s)、0.7g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为1.6wt％) 和10g乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙烯基含量为0.3wt％，粘度为1000 mPa·s)，搅拌均匀，再加入0.03g铂金络合物(铂(0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3- 四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)，其它条件同实施例1，得到SiOC陶 瓷材料，陶瓷产率为84.3％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度为186.3Mpa。

实施例9

除了交联条件为70℃预交联0.5h，100℃交联1h，120℃交联1h以外， 其他均与实例8相同，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为84.6％。所得SiOC 陶瓷的弯曲强度为185.7Mpa。

实施例10

除了将乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷换成甲基封端的乙烯基聚硅氧 烷以外，其他均与实例8相同，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为84.1％。 所得SiOC陶瓷的弯曲强度为184.6Mpa。

实施例11

除了将乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙烯基含量为0.3wt％，粘度为 1000mPa·s，)换成乙烯基封端的二甲基聚硅氧烷(乙烯基含量为0.3wt％， 粘度为1100mPa·s)以外，其他均与实例8相同，得到SiOC陶瓷材料， 陶瓷产率为84.0％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度为186.0Mpa。

实施例12

取5g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为1.7wt％，固含量为60％， 粘度为8000mPa·s)、8g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为1.6wt％) 和8g四甲基四乙烯基环四硅氧烷，2g乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙 烯基含量为0.3wt％，粘度为1000mPa·s)，搅拌均匀，再加入0.04g铂金 络合物(铂(0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)， 搅拌均匀，得到有机硅前驱体，再将此前驱体置于烘箱中于80℃交联1h， 100℃交联2h，得到透明块状固体物；将所得块状固体物置于管式炉中， 在惰性气体氮气的保护下，以2℃／min的升温速率加热至1000℃，保温热 解2h，再以2℃／min的降温速率降至室温，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产 率为83.8％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度为182.6Mpa。

实施例13

取10g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为1.7wt％，固含量为60％， 粘度为8000mPa·s)、5.5g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为1.6wt％) 和5g四甲基四乙烯基环四硅氧烷，5g乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙 烯基含量为0.5wt％，粘度为1000mPa·s)，搅拌均匀，再加入0.04g铂金 络合物(铂(0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)， 其他条件同实例1，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为85.1％。所得SiOC 陶瓷的弯曲强度为187.3Mpa。

实施例14

除了将5g乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙烯基含量为0.5wt％，粘 度为1000mPa·s)换成3g乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙烯基含量为 0.5wt％，粘度为1000mPa·s)，1g甲基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙烯基含 量为0.5wt％，粘度为1000mPa·s)和1g乙烯基封端的二甲基聚硅氧烷(乙 烯基含量为0.3wt％，粘度为1100mPa·s)以外，其他条件同例13，得到 SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为84.7％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度为187.0Mpa。

实施例15

除了将铂金络合物改用氯铂酸之外，其它均与实施例1相同，得到得 到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为82.5％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度为 135.6Mpa。

实施例16

除了将铂金络合物的用量改成0.34g以外，其它均与实施例1相同， 得到得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为82.9％。所得SiOC陶瓷的弯曲强度 为136.0Mpa。

实施例17

除了将铂金络合物的浓度改成2000ppm以外，其它均与实施例16相 同，得到得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为82.9％。所得SiOC陶瓷的弯曲 强度为136.0Mpa。

实施例18

取75g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为1.7wt％，固含量为60％， 粘度为8000mPa·s)、12g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为1.6wt％) 和8g四甲基四乙烯基环四硅氧烷，2g乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙 烯基含量为0.3wt％，粘度为1000mPa·s)，搅拌均匀，再加入0.19g铂金 络合物(铂(0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)， 搅拌均匀，其他条件同例1，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为87.2％。所 得SiOC陶瓷的弯曲强度为190.6Mpa。

实施例19

取5g甲基乙烯基MQ硅树脂(乙烯基含量为1.7wt％，固含量为60％， 粘度为8000mPa·s)、8g氢封端的甲基氢聚硅氧烷(含氢量为1.6wt％) 和8g四甲基四乙烯基环四硅氧烷，2g乙烯基封端的乙烯基聚硅氧烷(乙 烯基含量为0.3wt％，粘度为1000mPa·s)，搅拌均匀，再加入0.06g铂金 络合物(铂(0)-1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷，浓度为3000ppm)， 搅拌均匀，其他条件同例1，得到SiOC陶瓷材料，陶瓷产率为83.1％。所 得SiOC陶瓷的弯曲强度为180.9Mpa。