一种Fe-Si-C陶瓷先驱体的合成方法_2

文档序号:8217306阅读:来源:国知局
化合物能够与锂盐发生聚合反应,形成线型的聚合物分子。
[0014] 进一步,步骤(3)中,所述三官能度含有卤素基团的有机硅烷化合物的分子式为 RSiX1X2X3,其中,所述R为饱和烃基,所述X1J 2和X3均为卤素基团。三官能度含有卤素基团 的有机硅烷化合物能够与聚合体系中剩余的有机锂发生反应,能够使线型分子产生交联, 形成高度支化交联的网状结构,因而有助于提高最终产物的陶瓷产率,使之成为理想的先 驱体。
[0015] 进一步,步骤(4)中,所述质子性溶剂是能够提供质子的溶剂,包括分子中含有羟 基或氨基的溶剂,如去离子水、甲醇或乙醇等。质子性溶剂的加入用于提供质子使聚合反应 终止,其用量不需要严格的要求,一般1滴?2mL即可;将浓缩液滴加入无水有机溶剂后,使 得组分c中的目标成分高支化聚二茂铁基硅烷通过沉淀的方式析出分离。
[0016] 进一步,步骤(4)中,所述真空干燥的温度20?50°C,真空度0. 08?IOOPa (优选 0· 1 ?50Pa),时间 5 ?10h。
[0017] 进一步,步骤(4 )中,将所述滤液浓缩至滤液体积的5?20%。
[0018] 进一步,步骤(1)?(3)中,所述无水有机溶剂为四氢呋喃、二甲苯、甲苯、一氯甲 烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷或正己烷中的一种或几种。所述有机溶剂只是作为溶剂, 不参与任何合成反应,所以其用量只要能溶解溶质即可。
[0019] 进一步,步骤(4)中,所述无水有机溶剂为甲醇或乙醇。所述无水有机溶剂作为高 支化聚二茂铁基硅烷的不良溶剂,不良溶剂即高支化聚二茂铁基硅烷在其中溶解度低的溶 齐IJ,以便于高支化聚二茂铁基硅烷不溶而作为沉淀析出,其不参与任何合成反应,通常用量 为浓缩滤液体积的20?50倍。
[0020] 本发明以二茂铁为原料,首先制备得到二茂铁锂盐,然后再利用有机锂与卤素基 团之间的聚合反应制备含铁元素的先驱体聚合物--高支化聚二茂铁基硅烷。该方法能 有效地调控聚合物的分子组成与结构,利用高支化聚二茂铁基硅烷作为先驱体直接进行热 解,能够使Fe、Si、C各元素在最终陶瓷产物中达到原子尺度的均匀分布。
[0021] 本发明方法具有如下优点: (1) 作为产物的高支化聚二茂铁基硅烷的分子组成与结构在制备过程中能够进行有效 调控; (2) 按照本发明方法制备的高支化聚二茂铁基硅烷溶解性好,而且陶瓷产率高,可以作 为理想的Fe-Si-C陶瓷先驱体; (3) 本发明中二茂铁、正丁基锂、四甲基乙二胺、有机硅烷化合物等原料简单易得,操作 简便,适于大规模生产。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例1制备的高支化聚二茂铁基硅烷(PFS-I)的红外谱图 (FT-IR); 图2为本发明实施例1制备的高支化聚二茂铁基硅烷(PFS-I)的氢核磁谱图 (1H-NMR); 图3为本发明实施例1制备的高支化聚二茂铁基硅烷(PFS-I)的凝胶渗透色谱(GPC); 图4为本发明实施例1制备的高支化聚二茂铁基硅烷(PFS-I)的热重曲线(TG); 图5为本发明对比例1制备的线型聚二茂铁基硅烷(PFS-3)的氢核磁谱图(IH-NMR); 图6为本发明对比例1制备的线型聚二茂铁基硅烷(PFS-3)的凝胶渗透色谱(GPC); 图7为本发明对比例1制备的线型聚二茂铁基硅烷(PFS-3)的热重曲线(TG); 图8为本发明对比例2制备的高支化聚二茂铁基硅烷(PFS-4)的凝胶渗透色谱(GPC); 图9为本发明对比例2制备的高支化聚二茂铁基硅烷(PFS-4)的热重曲线(TG)。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0024] 本发明实施例中所使用的氮气或氩气均为质量浓度> 99. 999%的高纯气体;其它 所使用的化学试剂如无特殊说明,均通过常规商业途径获得。
[0025] 参考例1:二茂铁锂盐的制备: 将合成反应系统抽真空,高纯氮气置换至常压,重复3次;在干燥的250 mL反应瓶中加 入10 g (53. 8 mmol)二茂铁和70 mL无水正己烷溶剂,搅拌;随后加入10 mL (66. 7 mmol) 四甲基乙二胺;搅拌均匀后,逐滴加入53 mL正丁基锂摩尔浓度为2. 4mol/L的正己烷溶 液,搅拌,反应IOh ;减压过滤,除去滤液,采用无水的正己烷对橙红色固体滤渣洗涤3次,真 空干燥除去滤渣中的正己烷,得13. 3 g二茂铁锂盐(Fe(Ii-C5H4Li2) .2/3TMEDA)。将干燥 后的二茂铁锂盐储存于氩气保护的手套箱中。
[0026] 实施例1 (1)将合成反应系统抽真空,高纯氮气置换至常压,重复3次,在手套箱中取5 g (18.2 mmol)参考例1制备的二茂铁锂盐于250 mL反应瓶中,密封好后移出并置于-20°C反应浴 中,采用注射器注射50 mL无水四氢呋喃(THF),搅拌,得组分a; (2)将0.94 g(7. 3 mmol) Cl2Si (CH3) 2溶于30 mL无水THF中,通过恒压滴液漏斗逐滴加入到步骤(I)所得组分a中, 在-20°C下,搅拌反应I h,得组分b;(3)将1.09 g (7. 3 mmol)Cl3Si CH3溶于30 mL无水 THF中,通过恒压滴液漏斗逐滴加入到步骤(2)所得组分b中,在25°C下,搅拌反应12h,得 组分c ; (4)在步骤(3)所得组分c中滴加 I mL甲醇终止反应,过滤得IlOmL滤液,并将滤液 浓缩至20 mL后滴加到搅拌的500mL无水甲醇中,过滤,收集滤渣,采用去离子水清洗2次, 再采用乙醇清洗2次,然后在温度50 °C,真空度0. IPa下,真空干燥8h,得2. 5 g Fe-Si-C 陶瓷先驱体高支化聚二茂铁基硅烷,记为PFS-I。
[0027] 由图 1 及检测结果可知,波长 1633 cm \ 1420 cm \ 1160 cm \ 1031 cm 1 和 830 cm 1 处的峰为二茂铁(Fe)单元的特征振动峰;3080 cnT1处的峰为Fe上不饱和C-H振动峰;2960 CnT1处的峰为甲基(Me)上C-H的非对称振动峰;1252 CnT1和776 CnT1为Si-CH3的振动峰。
[0028] 由图2及检测结果可知,化学位移δ =3. 8?4. 8 ppm处的宽峰归属于二茂铁单元 上的氢;S =0. 75 ppm处的宽峰归属于网状节点处甲基上的氢,即来源于Cl3SiMe ; δ =〇. 45 ppm处的宽峰归属于线型结构中甲基上的氢;δ =4. 5 ppm的氢属于Fe上远离Cipso的氢; δ =4.0 ppm的氢属于Fe上靠近Cipso的氢;而δ =4. 2 ppm处的峰是由于支化结构中复杂 的化学环境造成峰的重叠所引起的。
[0029] 由图3及检测结果可知,以虚线为基准,将其分子量分为两部分:高分子量 部分(H)和低分子量部分(L),并分别计算两部分的分子量及其分布,结果为:数均分 子量Mn(H)=2.9X10 4,重均分子量Mw(H)=6.7X104,分散度DPI(H)=2.3 ;数均分子量 Mn (L) =7. 2 X 102,重均分子量Mw (L) =4. 0 X 103,分散度DPI (L) =5. 2 ;通过面积积分可得高分 子量部分占的比重为42. 7%,而低分子量部分占57. 3%。
[0030] 由图4及检测结果可知,该支化聚合物在450 °C之前失重比较缓慢,在450?530 °C的区域内失重比较快,在530 °C之后又有缓慢的失重,在1000 °C下氮气气氛中的陶瓷 产率可达50. 3%。
[0031] 综上,高支化聚二茂铁基硅烷PFS-I的数均分子量为2. 7X103,重均分子量为 5. IX 104,分散度为18.6 ;在1000°C下氮气气氛中的陶瓷产率为50. 3%;元素分析结果为 Fe, 15. 94 wt% ;Si,9. 02 wt% ;C,59. 55%,化学式为 FeQ.85SiC15.5;能完全溶解于 THF、氯仿等 常用溶剂中。
[0032] 由上述对产物的组成与结构的分析可知,本实施例制备的聚二茂铁基硅烷具有高 支化的分子结构、分子量较高、分子分布较宽、具有优良的溶解性和陶瓷产率,因此适宜用 作Fe-Si-C陶瓷先驱体。
[0033] 实施例2 (1)将合成反应系统抽真空,高纯氮气置换至常压,重复3次,在手套箱中取5 g (18.2 mmol)参考例1制备的二茂铁锂盐于250 mL反应瓶中,密封好后移出并置于25°C反应浴中; 采用注射器注射IOOmL无水正己烷,搅拌,得组分a;(2)将I. I g(7.7 mmol)Cl2SiCH3CH2CH3 溶于30 mL无水正己烷中,通过恒压滴液漏斗逐滴加入到步骤(1)所得组分a中,在25°C下, 搅拌反应3 h,得组分b; (3)将1.2 g (7. 3 mmol)Cl3Si CH2CH3溶于30 mL无水正己烷中, 通过恒压滴液漏斗逐滴加入到步骤(2)所得组分b中,在30°C下,搅拌反应15h,得组分c ; (4)在步骤(3)所得组分c中滴加1滴去离子水终止反应,过滤得160mL滤液,并将滤液浓 缩至20 mL后滴加到搅拌的IOOOmL无水乙醇中,过滤,收集滤渔,采用去离子水清洗2次, 再采用乙醇清洗2次,然后在温度30°C,真空度50Pa下,真空干燥6h,得2. 4 g Fe-Si-C陶 瓷先驱体高支化聚二茂铁基硅烷,记为PFS-2。
[0034] 高支化聚二茂铁基硅烷PFS-2的数均分子量为3. 5 X 103,重均分子量为5. 5 X 104, 分散度为15. 7 ;在KKKTC下氮气气氛中的陶瓷产率较高,为51. 6%,又能完全溶解于THF、氯 仿等常用溶剂中,因此本实施例制备的Fe-Si-C陶瓷先驱体高支化聚二茂铁基硅烷适宜用 作Fe-Si-C陶瓷先驱体。
[0035] 对比例1 将合成反应系统抽真空,高纯氮气置换至常压,重复3次,将0.3 g (1.2 mmol)二茂铁 基二甲基硅烷单体溶于2.2 mL无水THF中;搅拌均匀后,采用微量进样器,
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