CN102502642A - 一种利用酚醛树脂气氛制备纳米碳化硅纤维的方法 - Google Patents

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李正方
喻亮
刘文军
李小刚
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Abstract

本发明公开了一种利用酚醛树脂气氛制备纳米碳化硅纤维的方法。(1)以溶胶-凝胶工艺制备二氧化硅凝胶作为硅源，用以制备碳化硅；(2)市售酚醛树脂经适当热处理，研磨后作为碳源；(3)硅源放置于小坩埚内，与碳源分开，共同置于封闭容器内；(4)通过升高温度形成酚醛树脂气氛，在氩气保护下与二氧化硅凝胶反应；(5)反应完成后，小坩埚内直接获得纳米碳化硅纤维。本发明工艺简单、成本低，反应条件易于控制，可直接制备出直径为20-240nm的纳米碳化硅纤维。

Description

一种利用酚醛树脂气氛制备纳米碳化硅纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种利用酚醛树脂气氛制备纳米碳化硅纤维的方法。
背景技术
纳米碳化硅(SiC)纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗腐蚀、抗氧化、低密度、电阻率可调控等优异性能，主要用于耐高温陶瓷基复合材料、金属基复合材料、电磁波吸收材料等方面，在冶金、电子、兵器、航空航天等工业上有广泛用途。工业上常利用碳热还原方法，将高纯度石英砂和焦炭或石油焦在电阻炉内生产SiC粉料，也有人以酚醛树脂热解炭作为替代炭源制备SiC粉。此外，通过高温气相反应也可以制取高纯SiC，例如在气相硅的卤化物中加入碳氢化合物(气体)并通入一定量的氢气，加热至1200-1800℃可获得SiC；如果使生成的SiC微晶沉积在细钨丝或碳纤维上，则可制成SiC纤维。先驱体热解也可以制备SiC纤维，比如将聚碳硅烷在惰性气氛中热解，也可以得到高比表面积的SiC。与结晶态二氧化硅相比，二氧化硅凝胶具有较高的反应活性，且制备方法简便，原料易得，因此将二氧化硅凝胶和酚醛树脂等碳源进行研磨混合后，可以在相对较低的温度下进行碳热还原反应，获得SiC纳米纤维。本发明提出一种利用酚醛树脂气氛制备纳米碳化硅纤维的方法，以溶胶-凝胶工艺制备的二氧化硅为硅源，以酚醛树脂为碳源，两者分开放置于加热炉内；通过升高温度形成酚醛树脂气氛，与二氧化硅凝胶反应，制成纳米SiC纤维(以-SiC为主，直径范围20-240nm，平均直径约为100nm)。该方法目前还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用二氧化硅凝胶制备纳米碳化硅纤维的方法。
具体步骤为：
(1)将160-175ml体积百分比为25-28％的氨水、50-55ml无水乙醇和100ml蒸馏水混合，常温下搅拌3-10分钟后，逐滴加入18-22ml的正硅酸乙酯，控制温度在15-30℃之间，持续搅拌反应5-48小时，获得含有二氧化硅凝胶的产物溶液；所述正硅酸乙酯中SiO2质量百分比含量大于28％；
(2)将步骤(1)制得的产物溶液用离心机以4000-4500r/min的转速进行分离，移去上清液；沉淀用乙醇分散，超声震荡15-30分钟后再进行离心分离，移去上清液；
(3)将步骤(2)所得沉淀再按步骤(2)重复清洗二次，最终得到二氧化硅凝胶，在75-100℃下烘干3-6小时，经研磨得到二氧化硅凝胶粉末；
(4)将酚醛树脂研磨成细粉，氩气保护下加热至350℃，保温20-60分钟，冷却至室温后取出，研磨成细粉备用；
(5)取步骤(3)制得的二氧化硅凝胶粉末0.2-1.5g，放入一个小的氧化铝坩埚内；
(6)将4-8g步骤(4)制得的的酚醛树脂粉末加入氧化铝封闭容器内，再将步骤(5)盛有二氧化硅凝胶粉末的小坩埚放入氧化铝封闭容器内，盖上盖子，封闭该容器；
(7)将步骤(6)氧化铝封闭容器放入高温气氛炉内，在氩气保护下升温至1200-1500℃，然后在此温度下保温1-6小时后停电冷却至常温；取出封闭容器内的氧化铝小坩埚，内部产物即为直径为20-240nm的纳米碳化硅纤维。
本发明的特点：
(1)硅源与碳源固体粉末分开放置，通过碳源酚醛树脂热解形成的气氛与二氧化硅凝胶粉末反应，获得碳化硅纳米纤维；
(2)反应过程无需引入任何催化剂，且对酚醛树脂的粒度无具体要求；
(3)反应可直接得到一定纯度的纳米碳化硅纤维。
本发明工艺简单、成本低，反应条件易于控制，可望实现批量生产。
具体实施方式
实施例：
1.将168ml体积百分比为26％的氨水、51.2ml无水乙醇和100ml蒸馏水混合，常温下搅拌10分钟后，逐滴加入20ml的正硅酸乙酯，控制温度在25℃以60r/min的转速持续搅拌反应48小时，获得含有二氧化硅凝胶的产物溶液；所述正硅酸乙酯中SiO2质量百分比含量为28％；
2.将步骤(1)制得的产物溶液立即用离心机以4000r/min的转速进行分离(以免二氧化硅凝胶结团聚集)，移去上清液；沉淀用乙醇分散，超声震荡20分钟后再进行离心分离，移去上清液；
3.将步骤(2)所得产物再按步骤(2)重复清洗二次，最终得到二氧化硅凝胶，在85℃下烘干4小时，经研磨得到二氧化硅凝胶粉末；
4.将酚醛树脂研磨成细粉，氩气保护下加热至350℃，保温30分钟，冷却至室温后取出，研磨成细粉备用；
5.取步骤(3)制得的二氧化硅凝胶粉末0.25g，放入一个小的氧化铝坩埚内；
6.将1.5g步骤(4)制得的酚醛树脂粉末加入氧化铝封闭容器内，再将步骤(5)盛有二氧化硅凝胶粉末的小坩埚放入氧化铝封闭容器内，盖上盖子，封闭该容器；
7.将步骤(6)氧化铝封闭容器放入高温气氛炉内，在氩气保护下升温至1500℃，然后在此温度下保温3.5小时后停电冷却至常温；取出封闭容器内的氧化铝小坩埚，内部产物即为平均直径为100nm的纳米碳化硅纤维。

Claims (1)

1.一种制备纳米碳化硅纤维的方法，其特征在于具体步骤为：
(1)将160-175ml体积百分比为25-28％的氨水、50-55ml无水乙醇和100ml蒸馏水混合，常温下搅拌3-10分钟后，逐滴加入18-22ml的正硅酸乙酯，控制温度在15-30℃之间，持续搅拌反应5-48小时，获得含有二氧化硅凝胶的产物溶液；所述正硅酸乙酯中SiO2质量百分比含量大于28％；
(2)将步骤(1)制得的产物溶液用离心机以4000-4500r/min的转速进行分离，移去上清液；沉淀用乙醇分散，超声震荡15-30分钟后再进行离心分离，移去上清液；
(3)将步骤(2)所得沉淀再按步骤(2)重复清洗二次，最终得到二氧化硅凝胶，在75-100℃下烘干3-6小时，经研磨得到二氧化硅凝胶粉末；
(4)将酚醛树脂研磨成细粉，氩气保护下加热至350℃，保温20-60分钟，冷却至室温后取出，研磨成细粉备用；
(5)取步骤(3)制得的二氧化硅凝胶粉末0.2-1.5g，放入一个小的氧化铝坩埚内；
(6)将4-8g步骤(4)制得的的酚醛树脂粉末加入氧化铝封闭容器内，再将步骤(5)盛有二氧化硅凝胶粉末的小坩埚放入氧化铝封闭容器内，盖上盖子，封闭该容器；
(7)将步骤(6)氧化铝封闭容器放入高温气氛炉内，在氩气保护下升温至1200-1500℃，然后在此温度下保温1-6小时后停电冷却至常温；取出封闭容器内的氧化铝小坩埚，内部产物即为直径为20-240nm的纳米碳化硅纤维。
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