CN115477309B - 一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体抗水氧改性方法 - Google Patents

一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体抗水氧改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体抗水氧改性方法，该先驱体为sp3杂化的硼氮桥连接的六元环结构先驱体，相比于现有技术中六元环结构的先驱体，本发明sp3杂化的硼氮桥结构为六元环提供了更多的共用电子，对缺电子结构的硼氮六元环起到稳定作用，提高了先驱体的抗水氧性能，使得先驱体存储、成型与加工过程不要求惰性气氛保护，有利于简化陶瓷成型加工工艺，降低生产成本。该抗水氧改性方法首先以氨硼烷和硼吖嗪为原料，将sp3杂化的硼氮化合物分别接枝到sp2杂化的硼吖嗪上，形成p‑π共轭结构，然后利用硼吖嗪与上一步制备的白色固体，通过进一步的反应交联，提高无碳先驱体的分子量与陶瓷产率，最终制备得到无碳氮化硼先驱体。

Description

一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体抗水氧改性方法
技术领域
本发明涉及高分子聚合物技术领域，尤其是一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体抗水氧改性方法。
背景技术
先驱体转化法(PDCs)是一种非常有吸引力的陶瓷制备方法，特别是在非氧化物系统中，通常被用来设计具有成分和结构均匀性的先进陶瓷，如SiC，Si3N4，BN等。先驱体转化法可以通过设计先驱体的分子结构和化学性质，制备传统工艺无法获得的复杂BN陶瓷形状。
氮化硼(BN)陶瓷先驱体包括硼吖嗪和三氯环硼氮烷及其聚合衍生物(聚环硼氮烷和聚[三(烷胺基)环硼氮烷]等)。然而，目前所有已知的氮化硼先驱体均对空气中的水氧敏感，其合成条件以及加工成型过程要求无水无氧环境，否则先驱体极易氧化水解变质，进而对制备的BN陶瓷性能产生巨大影响，这严重阻碍了氮化硼先驱体的推广应用。
发明内容
本发明提供一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体及其抗水氧改性方法、应用，用于克服现有技术中氮化硼先驱体对水氧敏感等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体，所述无碳氮化硼先驱体为sp3杂化的硼氮桥连接的六元环结构先驱体，其结构通式为：
Figure BDA0003828013830000021
为实现上述目的，本发明还提出一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
S1：氨硼烷接枝取代硼吖嗪；
将氨硼烷在第一溶剂中配置形成氨硼烷悬浮液，加入贵金属催化剂；
将硼吖嗪逐滴滴加至氨硼烷悬浮液中，搅拌，得到混合液；
对所述混合液减压蒸馏并过滤，得到的固体依次用甲苯和乙醚洗涤，真空干燥，得到白色固体；
S2：改性硼吖嗪缩聚：
称取硼吖嗪，将硼吖嗪与所述白色固体一起添加到第二溶剂中形成混合悬浮液，搅拌，过滤并减压蒸馏，真空干燥，得到无碳氮化硼先驱体。
为实现上述目的，本发明还提出一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的应用，将上述所述的无碳氮化硼先驱体或者上述所述抗水氧改性方法制备的无碳氮化硼先驱体应用于氮化硼陶瓷材料制备中。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体为sp3杂化的硼氮桥连接的六元环结构先驱体，相比于现有技术中六元环结构的先驱体，本发明sp3杂化的硼氮桥结构为六元环提供了更多的共用电子，对缺电子结构的硼氮六元环起到稳定作用，提高了先驱体的抗水氧性能，使得先驱体存储、成型与加工过程不要求惰性气氛保护，有利于简化陶瓷成型加工工艺，降低生产成本；该无碳氮化硼先驱体不含碳、氧、硅等杂元素，分子式中不含碳元素，制备陶瓷时无需不熔化与脱碳处理，显著简化先驱体转化法制备BN陶瓷的热处理陶瓷化工艺流程；同时，先驱体分子式中不含碳元素，使其具有较高陶瓷产率(>80％)，有利于增加致密度，提高陶瓷机械性能。
2、本发明提供的高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，首先以氨硼烷和硼吖嗪为原料，将sp3杂化的硼氮化合物分别接枝到sp2杂化的硼吖嗪上，形成p-π共轭结构，为整体缺电子的硼氮六元环提供电子，提高六元环的抗水氧能力。然后利用硼吖嗪与上一步制备的白色固体，通过进一步的反应交联，提高无碳先驱体的分子量与陶瓷产率，最终制备得到无碳氮化硼先驱体，该先驱体不仅具有良好的抗水氧性能，并且在先驱体转化法制备氮化硼陶瓷时可以减少孔结构形成，氮化硼陶瓷更均匀致密。本发明提供的制备方法工艺简单，且不引入碳、氧、硅等杂元素，制备的无碳氮化硼先驱体为sp3杂化的硼氮桥连接的六元环结构先驱体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1所得先驱体的热失重曲线；
图2为实施例1所得先驱体的FT-IR谱图；
图3为外部环境下放置不同时间的实施例1所得先驱体的FT-IR谱图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体，所述无碳氮化硼先驱体为sp3杂化的硼氮桥连接的六元环结构先驱体，其结构通式为：
Figure BDA0003828013830000051
相比于现有技术中六元环结构的先驱体，sp3杂化的硼氮桥结构为提供了六元环提供了更多的共用电子，对缺电子结构的硼氮六元环起到稳定作用，提高了先驱体的抗水氧性能。
优选地，所述无碳氮化硼先驱体的结构组成单元为：
Figure BDA0003828013830000052
分子式中不含碳元素，具有较高陶瓷产率。
本发明还提出一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
S1：氨硼烷接枝取代硼吖嗪；
将氨硼烷在第一溶剂中配置形成氨硼烷悬浮液，加入一定量的贵金属催化剂(铂/铑/钯)；
将硼吖嗪逐滴滴加至氨硼烷悬浮液中，搅拌，得到混合液；
对所述混合液减压蒸馏并过滤，得到的固体依次用甲苯和乙醚洗涤，真空干燥，得到白色固体。
反应过程为：
Figure BDA0003828013830000061
S2：改性硼吖嗪缩聚：
称取硼吖嗪，将硼吖嗪与所述白色固体一起添加到第二溶剂中形成混合悬浮液，搅拌，过滤并减压蒸馏，真空干燥以除去所有痕量的溶剂，得到无碳氮化硼先驱体。
反应过程为：
Figure BDA0003828013830000062
。
优选地，在步骤S1中，硼吖嗪与氨硼烷的摩尔比例为(1:2)～(1:8)。控制该比例以促进反应进行，提高反应产率。
优选地，在步骤S1中，所述氨硼烷悬浮液中氨硼烷浓度为0.05～0.5mol/L。确保氨硼烷良好分散在溶剂中，减少团聚，同时又能保证反应以较高速率进行。
优选地，在步骤S1和S2中，所述搅拌的温度为30～90℃，时间为12～48h。控制温度以确保反应进行，且不发生其他副反应。温度较低反应速率较慢或不反应，温度较高会发生其他副反应，降低产率。S2中温度控制还具有提高先驱体聚合度，提高陶瓷产率的作用。
反应时间确保反应完全进行，提高合成产率。
优选地，在步骤S2中，所述硼吖嗪与白色固体的摩尔比例为(2:1)～(1:2)。控制该比例关系以控制先驱体的分子结构，进而确保其抗水氧性能。
优选地，在步骤S2中，所述混合悬浮液中混合物的浓度为0.05～0.5mol/L。确保氨硼烷良好分散在溶剂中，减少团聚，同时又能保证反应以较高速率进行。
优选地，所述第一溶剂和第二溶剂均为甲苯、二甲苯、氟苯和氯苯中的至少一种。
本发明还提出一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的应用，将上述所述的无碳氮化硼先驱体或者上述所述抗水氧改性方法制备的无碳氮化硼先驱体应用于氮化硼陶瓷材料制备中。
本发明提供的无碳氮化硼先驱体制备氮化硼陶瓷材料，无需无水无氧环境，可应用于热压烧结制备BN陶瓷基体，浸渍裂解制备BN涂层与基体，CVD法制备BN涂层等，在核工业、电子及复合材料等方面具有很好的应用前景。
实施例1
本实施例提供一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
1、氨硼烷接枝取代硼吖嗪：
首先将硼吖嗪(BZ)按摩尔比例1:2逐滴滴加至氨硼烷(AB)的溶剂中，AB在溶剂中形成的悬浮液浓度为0.05mol/L，加入一定量的贵金属催化剂铂，并将混合物在90℃下搅拌12h。接着对溶液减压蒸馏并过滤，残留的固体分别用甲苯和乙醚洗涤后真空干燥，得到白色固体1。
2、改性硼吖嗪缩聚：
将硼吖嗪(BZ)与白色固体1按摩尔比例2:1添加到溶剂中，白色固体1的悬浮液浓度为0.05mol/L，将混合物在30℃下搅拌48h。然后过滤溶液并减压蒸馏得到的白色固体粉末。真空干燥以除去所有痕量的溶剂，得到白色的改性无碳氮化硼先驱体。
制备路线合成产率为55％，先驱体陶瓷产率为81％。
图1为本实施例所得先驱体的热失重曲线，由图可知，无碳聚硼氮烷先驱体陶瓷产率为81％(>80％)。
图2为本实施例所得先驱体的FT-IR谱图，由图可知，先驱体分子结构主要为B-N、B-H和N-H键，不含碳元素。
图3为外部环境下放置不同时间的本实施例所得先驱体的FT-IR谱图，由图可知，改性后的无碳聚硼氮烷先驱体具有明显的抗水氧性能，相比未改性先驱体具有明显提高。
实施例2
本实施例提供一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
1、氨硼烷接枝取代硼吖嗪：
首先将硼吖嗪(BZ)按摩尔比例1:8逐滴滴加至氨硼烷(AB)的溶剂中，AB在溶剂中形成的悬浮液浓度为0.5mol/L，加入一定量的贵金属催化剂铂，并将混合物在30℃下搅拌48h。接着对溶液减压蒸馏并过滤，残留的固体分别用甲苯和乙醚洗涤后真空干燥，得到白色固体1。
2、改性硼吖嗪缩聚：
将硼吖嗪(BZ)与白色固体1按1:2摩尔比例添加到溶剂中，白色固体1的悬浮液浓度为0.5mol/L，将混合物在90℃下搅拌12h。然后过滤溶液并减压蒸馏得到的白色固体粉末。真空干燥以除去所有痕量的溶剂，得到白色的改性无碳氮化硼先驱体。
制备路线合成产率为61％，先驱体陶瓷产率为82％。
实施例3
本实施例提供一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
1、氨硼烷接枝取代硼吖嗪：
首先将硼吖嗪(BZ)按摩尔比例1:4逐滴滴加至氨硼烷(AB)的溶剂中，AB在溶剂中形成的悬浮液浓度为0.1mol/L，加入一定量的贵金属催化剂铑，并将混合物在80℃下搅拌12h。接着对溶液减压蒸馏并过滤，残留的固体分别用甲苯和乙醚洗涤后真空干燥，得到白色固体1。
2、改性硼吖嗪缩聚：
将硼吖嗪(BZ)与白色固体1按1:2摩尔比例添加到溶剂中，白色固体1的悬浮液浓度为0.2mol/L，将混合物在60℃下搅拌36h。然后过滤溶液并减压蒸馏得到的白色固体粉末。真空干燥以除去所有痕量的溶剂，得到白色的改性无碳氮化硼先驱体。
制备路线合成产率为72％，先驱体陶瓷产率为84％。
实施例4
本实施例提供一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
1、氨硼烷接枝取代硼吖嗪：
首先将硼吖嗪(BZ)按摩尔比例1:4逐滴滴加至氨硼烷(AB)的溶剂中，AB在溶剂中形成的悬浮液浓度为0.2mol/L，加入一定量的贵金属催化剂钯，并将混合物在40℃下搅拌36h。接着对溶液减压蒸馏并过滤，残留的固体分别用甲苯和乙醚洗涤后真空干燥，得到白色固体1。
2、改性硼吖嗪缩聚：
将硼吖嗪(BZ)与白色固体1按1:1摩尔比例添加到溶剂中，白色固体1的悬浮液浓度为0.2mol/L，将混合物在80℃下搅拌36h。然后过滤溶液并减压蒸馏得到的白色固体粉末。真空干燥以除去所有痕量的溶剂，得到白色的改性无碳氮化硼先驱体。
制备路线合成产率为85％，先驱体陶瓷产率为86％。
实施例5
本实施例提供一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
1、氨硼烷接枝取代硼吖嗪：
首先将硼吖嗪(BZ)按摩尔比例1:6逐滴滴加至氨硼烷(AB)的溶剂中，AB在溶剂中形成的悬浮液浓度为0.3mol/L，加入一定量的贵金属催化剂铂，并将混合物在50℃下搅拌36h。接着对溶液减压蒸馏并过滤，残留的固体分别用甲苯和乙醚洗涤后真空干燥，得到白色固体1。
2、改性硼吖嗪缩聚：
将硼吖嗪(BZ)与白色固体1按1:1摩尔比例添加到溶剂中，白色固体1的悬浮液浓度为0.3mol/L，将混合物在70℃下搅拌24h。然后过滤溶液并减压蒸馏得到的白色固体粉末。真空干燥以除去所有痕量的溶剂，得到白色的改性无碳氮化硼先驱体。
制备路线合成产率为80％，先驱体陶瓷产率为81％。
实施例6
本实施例提供一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，包括以下步骤：
1、氨硼烷接枝取代硼吖嗪：
首先将硼吖嗪(BZ)按摩尔比例1:6逐滴滴加至氨硼烷(AB)的溶剂中，AB在溶剂中形成的悬浮液浓度为0.1mol/L，加入一定量的贵金属催化剂铑，并将混合物在50℃下搅拌36h。接着对溶液减压蒸馏并过滤，残留的固体分别用甲苯和乙醚洗涤后真空干燥，得到白色固体1。
2、改性硼吖嗪缩聚：
将硼吖嗪(BZ)与白色固体1按1:2摩尔比例添加到溶剂中，白色固体1的悬浮液浓度为0.3mol/L，将混合物在70℃下搅拌24h。然后过滤溶液并减压蒸馏得到的白色固体粉末。真空干燥以除去所有痕量的溶剂，得到白色的改性无碳氮化硼先驱体。
制备路线合成产率为76％，先驱体陶瓷产率为82％。
对比例1
与实施例1的区别在于：步骤(1)中未加入贵金属催化剂。
制备路线合成产率为26％，先驱体陶瓷产率为72％。
上述实施例表明贵金属催化剂有效提升了合成产率，步骤1中合成温度与搅拌时间的适当增加可确保反应充分进行，提高合成产率。S2中温度控制还具有提高陶瓷产率的作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的抗水氧改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：氨硼烷接枝取代硼吖嗪；
将氨硼烷在第一溶剂中配置形成氨硼烷悬浮液，加入贵金属催化剂；
将硼吖嗪逐滴滴加至氨硼烷悬浮液中，搅拌，得到混合液；
对所述混合液减压蒸馏并过滤，得到的固体依次用甲苯和乙醚洗涤，真空干燥，得到白色固体；
S2：改性硼吖嗪缩聚：
称取硼吖嗪，将硼吖嗪与所述白色固体一起添加到第二溶剂中形成混合悬浮液，搅拌，过滤并减压蒸馏，真空干燥，得到无碳氮化硼先驱体。
2.如权利要求1所述的抗水氧改性方法，其特征在于，在步骤S1中，硼吖嗪与氨硼烷的摩尔比例为(1:2)～(1:8)。
3.如权利要求1所述的抗水氧改性方法，其特征在于，在步骤S1中，所述氨硼烷悬浮液中氨硼烷浓度为0.05～0.5mol/L。
4.如权利要求1所述的抗水氧改性方法，其特征在于，在步骤S1和S2中，所述搅拌的温度为30～90℃，时间为12～48h。
5.如权利要求1所述的抗水氧改性方法，其特征在于，在步骤S2中，所述硼吖嗪与白色固体的摩尔比例为(2:1)～(1:2)。
6.如权利要求1所述的抗水氧改性方法，其特征在于，在步骤S2中，所述混合悬浮液中混合物的浓度为0.05～0.5mol/L。
7.如权利要求1所述的抗水氧改性方法，其特征在于，所述第一溶剂和第二溶剂均为甲苯、二甲苯、氟苯和氯苯中的至少一种。
8.一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体，其特征在于，所述无碳氮化硼先驱体是采用如权利要求1～7中任一项所述的抗水氧改性方法制备得到的。
9.一种高陶瓷产率的无碳氮化硼先驱体的应用，其特征在于，将权利要求1～7任一项所述抗水氧改性方法制备的无碳氮化硼先驱体应用于氮化硼陶瓷材料制备中。
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