CN113274965A - 一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，所述方法包括以下步骤：将有机溶剂二甲苯加入至混合设备中，以高纯氮气或惰性气体替换混合设备中的空气，将固态聚碳硅烷和含氰基的化合物加入至混合设备中，溶解于二甲苯，加入催化剂，在高纯氮气或惰性气体的保护下进行升温发生反应，控制最高反应温度为100～150℃，保温反应6～8小时，反应结束之后过滤除去沉淀物，蒸发除去有机溶剂二甲苯，得到反应物；在所得的反应物中分别加入纯净水和无水乙醇进行多次清洗；本发明工艺简单，且陶瓷产率高，固化质量保留率高，且到适用于现行工艺、低温可固化。
Description
技术领域
本发明涉及聚碳硅烷技术领域，尤其涉及一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法。
背景技术
聚碳硅烷是一类高分子化合物，其主链由硅和碳原子交替组成，硅和碳原子上连接有氢或有机基团，分子链为线形或枝化结构。聚碳硅烷是目前高技术新材料中新出现的先驱体高分子(Preceramic polymers)中最重要的化合物，主要用于制备碳化硅系列的高技术陶瓷材料，其中以碳化硅纤维最具代表性纤维增强陶瓷基复合材料因其在高温下具有强度高、韧性好、耐腐蚀性好等特点，在航空航天、军事、能源等领域具有广泛前景，被认为是目前最有发展前途的高温结构材料，在过去几十年中，广大研究者合成了许多有价值的陶瓷先驱体并进行了深入研究，综合工艺、性能和成本等因素考虑，聚碳硅烷(PCS)仍然是最重要的非氧化物陶瓷先驱体，国内生产此种材料部件的主要工艺为先驱体浸渍裂解法(PIP)，作为先驱体的PCS只含Si—H一种活性基团，只有在高于400℃的高温下才能与Si—CH3发生缩聚，造成裂解升温过程中大量小分子以气体形式逸出，最终导致陶瓷产率低、复合材料密度低、制备周期长、工艺烦琐及生产环境恶劣等问题。
现有的用于制备高陶瓷率聚碳硅烷的方法存在着，陶瓷产率低、复合材料密度低和制备周期长的问题，因此急需改进。
发明内容
为了现有技术存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案具体如下：
本发明实施例公开了一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将有机溶剂二甲苯加入至混合设备中，以高纯氮气或惰性气体替换混合设备中的空气，将分子量为500～1500的固态聚碳硅烷和含氰基的化合物加入至混合设备中，溶解于二甲苯，加入催化剂，在高纯氮气或惰性气体的保护下进行升温发生反应，控制最高反应温度为100～150℃，保温反应6～8小时，反应结束之后过滤除去沉淀物，蒸发除去有机溶剂二甲苯，得到反应物；
在所得的反应物中分别加入纯净水和无水乙醇进行多次清洗，以获得纯净的高陶瓷产率聚碳硅烷。
在上述任一方案中优选的是，所述的聚碳硅烷包含异质元素。
在上述任一方案中优选的是，所述异质元素包括铝、钛、锆、钴、硼、镧、钇、铌、钽、铪、钼、锑中的一种或几种。
在上述任一方案中优选的是，所述含氰基的化合物包括氰化钾、氰基乙酯、甲基丙烯腈、丁烯腈、戊烯腈、氰基丙酮、端羟基聚丁二烯丙烯腈中的一种或几种。
在上述任一方案中优选的是，所述的自由基型催化剂包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯、过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化乙酰、过氧化二辛酰、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化二异丙苯、二叔丁基过氧化物、过硫酸盐中的一种或几种。
在上述任一方案中优选的是，所述混合设备包括盛放组件、防护组件、加热组件和PLC控制模组，所述加热组件设置于所述盛放组件内部，所述防护组件安装于所述盛放组件两端，所述PLC控制模组安装于所述防护组件内部，所述PLC控制模组与所述加热组件连接，以实现对加热过程的实时控制。
在上述任一方案中优选的是，所述盛放组件包括混合罐、盖体、密封圈、支撑架、进料管、出料管和安装圈，所述安装圈设置于所述混合罐两端，所述混合罐两端均与所述盖体连接，所述密封圈安装于所述盖体与所述安装圈之间，所述支撑架设置于所述混合罐底部，所述进料管一端与所述混合罐顶部连接，所述出料管一端所述混合罐底部连接。
在上述任一方案中优选的是，在组装时，所述安装圈与所述混合罐罐体焊接，所述盖体与所述安装圈通过螺钉连接，以实现保证密封性的同时方便检修，其中，所述支撑架为多组，且多组所述支撑架均匀分布在所述混合罐底部，可以实现稳固支撑混合罐的作用，其中，所述进料管一端通过焊接方式设置于所述混合罐顶部，可以起到方便将物料排入至混合罐中的作用，所述出料管一端通过焊接方式设置于所述混合罐底部，以方便排放物料，所述出料管与所述进料管未与所述混合罐连接的一端均安装有堵板。
在上述任一方案中优选的是，所述防护组件包括两组防护罩、两组保护环和半圆形支撑板，两组所述防护罩分别安装于所述混合罐两端，所述半圆形支撑板安装于所述混合罐内部，所述半圆形支撑板为多组，且多组所述半圆形支撑板均匀安装于所述混合罐内部。
在上述任一方案中优选的是，两组所述防护罩分别与对应的盖体通过螺栓连接，所述半圆形支撑板与所述混合罐内壁焊接，两组所述保护环分别与对应的盖体靠近混合罐内部的一侧通过焊接方式连接，两组所述防护罩底部均安装有支撑杆，所述支撑杆均与底面通过螺栓与地面连接。
在上述任一方案中优选的是，所述加热组件包括加热管、进油管和出油管，所述加热管为多组，且多组所述加热管贯穿所述盖体和所述半圆形支撑板，所述进油管与的一端所述两组防护罩中任意一组连接，所述出油管的一端与另一组所述防护罩连接。
在上述任一方案中优选的是，在组装时，所述进油管一端通过焊接方式与一组防护罩顶部连接，所述出油管通过焊接方式与另一组防护罩顶部连接，所述加热管与所述盖体焊接。
在上述任一方案中优选的是，所述支撑杆为管道结构，所述支撑杆与所述防护罩贯通，所述支撑杆内安装有排泄阀门。
在上述任一方案中优选的是，所述PLC控制模组包括监控模块、调控模块、放大模块和控制器，其中，所述监控模块用于实时监控混合罐内部的物料混合及反应信息，并将所得到的物料信息经过放大模块传递至所述控制器，所述控制器根据物料反应程度及温度控制所述调控模块工作，所述调控模块对进油管内进油速率进行调控，控制器调整进油速率的控制补偿量构成了对进油速率的单闭环控制；单闭环控制的计算方式为：
其中，e为被控变量的实际值与给定值之差；Tl为放大器传递函数；TD为监控模块器增益；K为外界扰动。
在上述任一方案中优选的是，所述PLC控制模组还包括阀门控制器和压力传感器，所述阀门控制器安装于所述排泄阀门上，并且所述阀门控制器与所述控制器连接，所述压力传感器设置于所述进料管上，并且所述压力传感器与所述控制器连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、工艺简单，且陶瓷产率高，固化质量保留率高，且到适用于现行工艺、低温可固化。
2、通过采用多组加热管通入加热油，使得加热效率高、加热效果好，可以提高工作效率。
3、通过采用PLC控制模组，可以方便控制加热的进程，可以提高工作效率，有助于控制反应进程，提高了产率。
附图说明
附图用于对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是按照本发明高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法的混合设备立体图；
图2是按照本发明高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法的混合设备的主视图；
图3是按照本发明高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法的混合设备的内部结构示意图。
图中标号说明：
1、盛放组件；11、混合罐；12、盖体；13、密封圈；14、支撑脚；15、进料管；16、出料管；161、堵板；2、防护组件；21、防护罩；22、支撑柱；221、压力阀门；23、半圆形支撑板；3、加热组件；31、进油管；32、出油管；33、加热管；4、PLC控制模组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将有机溶剂二甲苯加入至混合设备中，以高纯氮气或惰性气体替换混合设备中的空气，将分子量为500～1500的固态聚碳硅烷和含氰基的化合物加入至混合设备中，溶解于二甲苯，加入催化剂，在高纯氮气或惰性气体的保护下进行升温发生反应，控制最高反应温度为100～150℃，保温反应6～8小时，反应结束之后过滤除去沉淀物，蒸发除去有机溶剂二甲苯，得到反应物；
在所得的反应物中分别加入纯净水和无水乙醇进行多次清洗，以获得纯净的高陶瓷产率聚碳硅烷。
具体的，所述的聚碳硅烷包含异质元素。
具体的，所述异质元素包括铝、钛、锆、钴、硼、镧、钇、铌、钽、铪、钼、锑中的一种或几种。
具体的，所述含氰基的化合物包括氰化钾、氰基乙酯、甲基丙烯腈、丁烯腈、戊烯腈、氰基丙酮、端羟基聚丁二烯丙烯腈中的一种或几种。
具体的，所述催化剂包括过氧化二烷基、过氧化二酰基、偶氮二异丁酸二甲酯、过氧化二异丙苯、过氧化十二酰、过氧化乙酰、过氧化二辛酰、过氧化苯甲酸叔丁酯、异丙苯过氧化氢、二叔丁基过氧化物、过硫酸盐中的一种或几种。
请参阅图1至图3，本发明实施例所述的高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法中，所述混合设备包括盛放组件1、防护组件2、加热组件3和PLC控制模组4，所述加热组件3设置于所述盛放组件1内部，所述防护组件2安装于所述盛放组件1两端，所述PLC控制模组4安装于所述防护组件2内部，所述PLC控制模组4与所述加热组件3连接，以实现对加热过程的实时控制。
在使用时，所述盛放组件1内用于盛放物料，然后开启所述加热组件3，所述加热组件3对所述盛放组件1内的物料进行加热，其中，所述PLC控制模组4用于控制所述加热组件3的开启和关闭，起到控制加热进程的作用。
请参阅图1至图3，本发明实施例所述的高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法中，所述盛放组件1包括混合罐11、盖体12、密封圈13、支撑架14、进料管15、出料管16和安装圈，所述安装圈设置于所述混合罐11两端，所述混合罐11两端均与所述盖体12连接，所述密封圈13安装于所述盖体12与所述安装圈之间，所述支撑架14设置于所述混合罐11底部，所述进料管15一端与所述混合罐11顶部连接，所述出料管16一端所述混合罐11底部连接。
在组装时，所述安装圈与所述混合罐11罐体焊接，所述盖体12与所述安装圈通过螺钉连接，以实现保证密封性的同时方便检修，其中，所述支撑架14为多组，且多组所述支撑架14均匀分布在所述混合罐11底部，可以实现稳固支撑混合罐11的作用，其中，所述进料管15一端通过焊接方式设置于所述混合罐11顶部，可以起到方便将物料排入至混合罐11中的作用，所述出料管16一端通过焊接方式设置于所述混合罐11底部，以方便排放物料，所述出料管16与所述进料管15未与所述混合罐11连接的一端均安装有堵板161，在使用时，首先开启进料管15上的堵板161，原料经过进料管15排入至所述混合罐11内，然后开启加热组件3，价额组件工作，起到对混合罐11内物料加热的作用，物料反应结束之后，开启出料口上的堵板161，将反应完成后的物料从出料管16排出混合罐11，方便使用。
请参阅图1至图3，本发明实施例所述的高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法中，所述防护组件2包括两组防护罩21、两组保护环和半圆形支撑板23，两组所述防护罩21分别安装于所述混合罐11两端，所述半圆形支撑板23安装于所述混合罐11内部，所述半圆形支撑板23为多组，且多组所述半圆形支撑板23均匀安装于所述混合罐11内部。
在组装时，两组所述防护罩21分别与对应的盖体12通过螺栓连接，所述半圆形支撑板23与所述混合罐11内壁焊接，两组所述保护环分别与对应的盖体12靠近混合罐11内部的一侧通过焊接方式连接，两组所述防护罩21底部均安装有支撑杆22，所述支撑杆22均与底面通过螺栓与地面连接，在使用时，所述多组半圆形支撑板23对混合罐11罐体起到支撑和加强的作用，可以防止混合罐11罐体在高温或高压的作用下发生形变导致损坏，两组所述防护罩21与所述进料管15和出料管16对应，可以进一步的对所述进料管15和出料管16进行密封，也可以防止进料管15与出料管16焊接不牢固导致原料泄露。
请参阅图1至图3，本发明实施例所述的高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法中，所述加热组件3包括加热管33、进油管31和出油管32，所述加热管33为多组，且多组所述加热管33贯穿所述盖体12和所述半圆形支撑板23，所述进油管31与的一端所述两组防护罩21中任意一组连接，所述出油管32的一端与另一组所述防护罩21连接。
在安装时，所述进油管31一端通过焊接方式与一组防护罩21顶部连接，所述出油管32通过焊接方式与另一组防护罩21顶部连接，所述加热管33与所述盖体12焊接，当使用时，高温热油从进油管31进入防护罩21内部，将加热管33内的空气完全排出之后从出油管32排出，所述加热管33与所述半圆形支撑板23接触，所述半圆形支撑板23可以起到导热的作用，增加加热效率。
作为优选的，所述支撑杆22为管道结构，所述支撑杆22与所述防护罩21贯通，所述支撑杆22内安装有排泄阀门221，在使用时，加热组件3工作，高温热油从防护罩21内向加热管33内流通，设置支撑杆22为管道结构，一方面可以将防护罩21内和加热管33内降温后的加热油排出，另一方面可以有效防止防护罩21内压强过大从而发生危险。
请参阅图1至图3，本发明实施例所述的高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法中，所述PLC控制模组4包括监控模块、调控模块、放大模块和控制器，其中，所述监控模块用于实时监控混合罐11内部的物料混合及反应信息，并将所得到的物料信息经过放大模块传递至所述控制器，所述控制器根据物料反应程度及温度控制所述调控模块工作，所述调控模块对进油管31内进油速率进行调控，控制器调整进油速率的控制补偿量构成了对进油速率的单闭环控制；单闭环控制的计算方式为：
其中，e为被控变量的实际值与给定值之差；Tl为放大器传递函数；TD为监控模块器增益；K为外界扰动。
本发明实施例所述的高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法中，可以通过上述计算方式，方便掌握和调控加热油的进油速率，方便使用，可以提高工作效率。
请参阅图1至图3，本发明实施例所述的高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法中，所述PLC控制模组4还包括阀门控制器和压力传感器，所述阀门控制器安装于所述排泄阀门221上，并且所述阀门控制器与所述控制器连接，所述压力传感器设置于所述进料管15上，并且所述压力传感器与所述控制器连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、工艺简单，且陶瓷产率高，固化质量保留率高，且到适用于现行工艺、低温可固化。
2、通过采用多组加热管通入加热油，使得加热效率高、加热效果好，可以提高工作效率。
3、通过采用PLC控制模组，可以方便控制加热的进程，可以提高工作效率，有助于控制反应进程，提高了产率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
将有机溶剂二甲苯加入至混合设备中，以高纯氮气或惰性气体替换混合设备中的空气，将分子量为500～1500的固态聚碳硅烷和含氰基的化合物加入至混合设备中，溶解于二甲苯，加入催化剂，在高纯氮气或惰性气体的保护下进行升温发生反应，控制最高反应温度为100～150℃，保温反应6～8小时，反应结束之后过滤除去沉淀物，蒸发除去有机溶剂二甲苯，得到反应物；
在所得的反应物中分别加入纯净水和无水乙醇进行多次清洗，以获得纯净的高陶瓷产率聚碳硅烷。
2.根据权利要求1所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：所述的聚碳硅烷包含异质元素。
3.根据权利要求2所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：所述异质元素包括镧、钛、铝、锆、钴、硼、钇、铌、钽、铪、钼、锑中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：所述含氰基的化合物包括戊烯腈、氰化钾、氰基乙酯、甲基丙烯腈、丁烯腈、氰基丙酮、端羟基聚丁二烯丙烯腈中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：所述催化剂包括过氧化二烷基、过氧化二酰基、偶氮二异丁酸二甲酯、过氧化二异丙苯、过氧化十二酰、过氧化乙酰、过氧化二辛酰、过氧化苯甲酸叔丁酯、异丙苯过氧化氢、二叔丁基过氧化物、过硫酸盐中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：混合设备包括盛放组件(1)、防护组件(2)、加热组件(3)和PLC控制模组(4)，加热组件(3)设置于盛放组件(1)内部，防护组件(2)安装于盛放组件(1)两端，PLC控制模组(4)安装于防护组件(2)内部，PLC控制模组(4)与加热组件(3)连接。
7.根据权利要求6所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：盛放组件(1)包括混合罐(11)、盖体(12)、密封圈(13)、支撑架(14)、进料管(15)、出料管(16)和安装圈，安装圈设置于混合罐(11)两端，混合罐(11)两端均与盖体(12)连接，密封圈(13)安装于盖体(12)与安装圈之间，支撑架(14)设置于混合罐(11)底部，进料管(15)一端与混合罐(11)顶部连接，出料管(16)一端混合罐(11)底部连接。
8.根据权利要求7所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：防护组件(2)包括两组防护罩(21)、两组保护环和半圆形支撑板(23)，两组防护罩(21)分别安装于混合罐(11)两端，半圆形支撑板(23)安装于混合罐(11)内部，半圆形支撑板(23)为多组，且多组半圆形支撑板(23)均匀安装于混合罐(11)内部。
9.根据权利要求8所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：加热组件(3)包括加热管(33)、进油管(31)和出油管(32)，加热管(33)为多组，且多组加热管(33)贯穿盖体(12)和半圆形支撑板(23)，进油管(31)与的一端两组防护罩(21)中任意一组连接，出油管(32)的一端与另一组防护罩(21)连接。
10.根据权利要求9所述的一种高陶瓷产率聚碳硅烷的制备方法，其特征在于：PLC控制模组(4)包括监控模块、调控模块、放大模块和控制器，其中，监控模块用于实时监控混合罐(11)内部的物料混合及反应信息，并将所得到的物料信息经过放大模块传递至控制器，控制器根据物料反应程度及温度控制调控模块工作，调控模块对进油管(31)内进油速率进行调控，控制器调整进油速率的控制补偿量构成了对进油速率的单闭环控制。
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