JPS6310169B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、主としてカルボシラン骨格とポリシ
ラン骨格とからなる新規な有機ケイ素重合体およ
びその製法に関する。
ケイ素原子と炭素原子が交互に結合した骨格を
有し、ケイ素原子に側鎖有機基を有する重合体
は、ポリカルボシランと呼ばれ、その用途として
は、この重合体が非酸化性雰囲気下で焼成するこ
とによつて炭化ケイ素を主成分とする無機物に転
換することから、炭化ケイ素の原料として用いら
れ、例えば、炭化ケイ素繊維、焼結助剤、含浸
剤、炭化ケイ素微粉末などとして利用されてい
る。
従来知られているポリカルボシランとしては、
モノシランを、リサイクルのできる流通式装置に
より600―800℃の高温で熱分解縮合反応させるこ
とにより合成されるFritz;Angew.Chem.、79、
p657(1967)等により開示されたもの、またオル
ガノポリシランをオートクレーブのような加圧容
器を用いて高圧下で400―470℃で熱分解縮合反応
させることにより合成される、特願昭50―50223
号、特願昭50―149468号および特願昭51―21365
号等により開示されたものがある。さらに、本発
明者らが先に特許出願した特願昭52―127630号に
記載される、オルガノポリシランに、Siの側鎖の
少なくとも一部にフエニル基を有するポリボロシ
ロキサンを反応促進剤として添加して常圧下で
250―500℃で熱分解縮合反応させる方法によつ
て、シロキサン結合を一部含むポリカルボシラン
を合成することができる。これらの合成方法で
は、リサイクルのできる流通装置でしかも高温を
必要としたり、加圧容器を用いた高圧下での反応
であり工業的には不利である。またポリボロシロ
キサンのような特殊な反応促進剤を使う場合は、
生成したポリマー中にシロキサン結合を含むため
に焼成物中の酸素をできる限り少なくしたい場合
には適当でない。
これら従来のポリカルボシランは、非酸化性雰
囲気で焼成することによつて炭化ケイ素に転換で
きることから、耐熱無機材料の原料としてきわめ
て有用であり、特に通常の有機溶媒に可溶で、し
かも熱可塑性であるために、様々な形状を有する
成型体とすることができる。しかし、これら成形
体をその形状を保持したまま加熱焼成するために
は、前処理として、成型したポリカルボシランを
キユアリングにより不融化しなければならない。
この不融化の最適な方法は空気中で加熱すること
であるが、そのためには、ポリカルボシランの軟
化点付近まで徐々に加熱するか、低温で非常に長
時間加熱することが必要であつた。しかしながら
従来のポリカルボシランにおいては、不融化のた
めの加熱中に成型体が溶融するという欠点や、あ
るいは成形体内部まで不融化が充分に達成されな
い等の欠点があり、これらの欠点を解決すること
は極めて困難であつた。
本発明者らは、従来法における上記の欠点を克
服するために鋭意研究を行つた結果、リサイクル
のできる流通式装置や、加圧容器等の特殊な装置
を用いず、また、ポリボロシロキサンの如き特殊
な反応促進剤を用いる必要がなく、それ故、シロ
キサン結合を含まない、主としてカルボシラン骨
格とポリシラン骨格とからなる新規な有機ケイ素
重合体の製造法を発明した。更に、本発明者らは
上記の方法によつて得られる主としてカルボシラ
ン骨格とポリシラン骨格とからなる有機ケイ素重
合体は、ポリシラン骨格を有するために従来法で
得られるポリカルボシランより不融化し易くしか
も非酸化性雰囲気中での焼成残留率が高いという
すぐれた性能の新規な有機ケイ素重合体であるこ
とを見出した。
本発明によれば、【式】なる構
造を有するポリシランに対して、一種あるいは二
種以上の無水ハロゲン化金属を0.5〜10重量%添
加混合し、反応に対して不活性な雰囲気下におい
て、該混合物を加熱して反応させることを特徴と
する、カルボシラン骨格とポリシラン骨格を有す
る有機ケイ素重合体の製造方法が提供される。
上記の方法によつて得られる本発明の有機ケイ
素重合体は下記(A)、(B)、(C)、(D)、(E)および(F)なる
構造単位から主としてなり、
(RはCH3またはHを表わす)
該構造単位が鎖状、分枝状、および環状構造を
形成し、さらに主鎖骨格中に【式】(2≦n
≦10)、のポリシラン骨格を有する有機ケイ素重
合体である。
本発明の有機ケイ素重合体は、通常、450―
300cm-1の遠赤外領域に吸収を有し、紫外吸収ス
ペクトルにおいて吸収末端が340―370nmに生じ、
数平均分子量が400―5000である。
以下に本発明をより詳細に説明する。
本発明の方法において使用する出発原料の一つ
は【式】なる構造を有するポリシ
ランであり、鎖状あるいは環状のいずれであつて
もよく、更にこの種の構造が混合したものであつ
てもよいが、10≦nの直鎖状ポリシランが好まし
く末端基はOH又はCH3であることが好ましい。
またメチル基の一部がエチル基、フエニル基、あ
るいは水素であるポリシランも使用できるが、生
成物の収率が低下したり、また水素を一部有する
ポリシランは不安定で発火しやすいので好ましく
ない。
本発明で使用するポリシランは例えば三枝武
夫・伊藤嘉彦・熊田誠著による「有機金属化合物
を用いる合成反応(下)」丸善や、M.Kumada
and K.Tamao、Advan.Organometal.Chem.、
6、19(1968)等に記載されている種々な方法に
よつて合成することができ、鎖状ポリシランはメ
チルハロゲノシランのナトリウム、カリウム、ナ
トリウム・カリウム合金、あるいはリチウムなど
のアルカリ金属による縮合反応を利用して合成さ
れる。
本発明の方法において使用するもう一つの出発
原料は、無水ハロゲン化金属であり、族(アル
カリ土金属および亜鉛族)、族、炭素を除く
族、族(鉄族)、および、、族の各b亜
族に属する元素と、さらにアンチモンおよびビス
マスのハロゲン化物の一種あるいは二種以上の混
合物を用いることができる。ハロゲン化金属とし
てはフツ化物、塩化物、臭化物、およびヨウ化物
のいずれも用いることができるが、塩化物と臭化
物が好ましく、特に塩化物が好ましい。また無水
ハロゲン化金属が好ましく、含水塩を用いると、
反応が進行しなかつたり、生成する有機ケイ素重
合体の骨格に酸素が含まれるようになるので好ま
しくない。使用できるハロゲン化金属としては、
例えばBeCl2、SrCl2、NdCl3、ThCl4、TiCl4、
ZrCl4、HfCl4、VCl3、VCl4、NbCl5、TaCl5、
CrCl3、MnCl2、FeCl3、CoCl2、ZnCl2、AlCl3、
GaCl3、TlCl、SiCl4、GeCl4、SnCl4、PbCl2、
SbCl5、SbCl3、BiCl3、AlBr3、GaBr3がある。
これらのなかで、AlCl3、GaCl3、MnCl2、
ZrCl4、TiCl4、VCl3、CrCl3、が生成物を高分子
量化するためには特に好適であるが、これらの一
種とこれら以外の塩化物の混合物を使用すること
により、さらに必要であれば微量のハロゲン化水
素の存在下で反応を行なわせることができ、得ら
れる有機ケイ素重合体の分子量分布の制御を容易
す行なうことができる。
本発明の方法においては、前記
【式】なる構造を有するポリシラ
ンに対して、前記無水ハロゲン化金属の一種また
は二種以上の混合物を0.5〜10重量%添加混合し、
反応に対して不活性な雰囲気下において該混合物
を加熱して反応させる。
本発明の方法の重要な利点の一つは、混合物を
加熱反応させる装置として、特殊な装置を必要と
せず通常の電気炉等による加熱炉で例えばステン
レス製の缶状の反応容器を加熱し、その際反応中
に生成する低沸点成分を冷却還流できる還流器具
と、反応に不活性なガスの流入口と流出口が装備
されていればよく、従来のポリカルボシランの製
法における如く、加圧容器やリサイクル可能な流
通式装置等を使用しなくてもよい点であり、もう
一つの利点は、ポリボロシロキサンのようなきわ
めて特殊な反応促進剤を用いなくても、容易に入
手できる無水ハロゲン化金属を使用できるという
点である。
本発明の方法においては、加熱による反応を、
反応に不活性なガス雰囲気下において行うことが
必要である。反応を空気中の如き酸化性雰囲気中
で行うと、原料のポリシランが酸化され好ましく
ない。反応に不活性なガスとしては窒素、アルゴ
ンが特に好適である。
また反応は、一般に常圧で行うことが好まし
く、真空中や減圧下で反応を行うと生成した低分
子量成分が系外に留出し著しく収率が低下するの
で好ましくない。本発明の方法を実施するために
は、不活性ガスを反応部に気流として送りこみな
がら反応させることが好ましく、その理由は、こ
れにより反応器内の圧力が常圧に保たれ、温度上
昇や、反応中に生成する例えば水素、メタンのよ
うなガスによる圧力上昇を防ぐことができるから
である。
本発明の方法における加熱温度は従来法に比べ
て低温であり、通常250℃以上好ましくは280〜
400℃であることが本発明の方法の利点の一つで
ある。反応温度が250℃以下では反応が十分進行
せず、450℃以上では、生成した有機ケイ素重合
体のゲル化が生じるので好ましくない。
また本発明の方法における反応時間は通常3時
間以上であり、使用するハロゲン化金属の種類に
よつて異なるが一般的に20時間以上反応させて
も、得られる有機ケイ素重合体に何ら実質的な向
上は見られない。
本発明の方法において無水ハロゲン化金属の添
加量は、ポリシランに対して0.5〜10重量%とす
る。その理由は、0.5%以下では、生成する有機
ケイ素重合体中のポリシラン骨格の割合がカルボ
シラン骨格に比較して非常に大きく、通常の有機
溶媒に不溶となつたり、また非酸化性雰囲気中で
の焼成残留率がきわめて小さくなるので好ましく
ない。他方10重量%以上加えることは、生成物が
ゲル化したり、また10重量%以上加えてもゲル化
しない無水ハロゲン化物を使用することは、実際
に本発明の有機ケイ素重合体を製造する上で不経
済であり、その場合には二種以上の無水ハロゲン
化物の混合物を使用することが実用的である。好
適な無ハロゲン化物の添加量は1.0〜8.0重量%の
範囲である。
以上のような反応により得られた有機ケイ素重
合体は、溶媒に溶かして過し、必要に応じて加
熱過し、その後溶媒を蒸発させて精製すること
ができ、必要ならば50〜450℃の温度範囲で、常
圧、あるいは減圧下で低分子量成分を蒸留により
除去し、平均分子量を上げることができる。かか
る溶媒としては、例えばn―ヘキサン、シクロヘ
キサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、テトラ
ヒドロフランなどがある。また蒸留以外に平均分
子量を上げる方法として、上記良溶媒と例えばア
セトン、メタノール、エタノール等の貧溶媒の混
合溶媒により、高分子量成分を選択的に沈殿させ
て分別する方法もある。
本発明の方法の新規な特徴は、ポリシランに小
量の無水ハロゲン化金属を添加した混合物から、
主としてカルボシラン骨格とポリシラン骨格とか
ら成る有機ケイ素重合体を製造するという点にあ
り、特殊な反応装置および、特殊な反応促進剤を
必要とせず、添加温度も比較的低いという利点を
もたらしたものと考えられる。以下に、ポリシラ
ンに小量のハロゲン化金属を添加することによつ
て何故上記のような利点がもたらされるかという
機構についての考察を述べるが、これは単に一つ
の推論を述べたに過ぎないものであり、この考察
によつて本発明がなんら限定されるものではな
い。
本発明の方法の一つの出発原料であるポリシラ
ンは、非酸化性雰囲気中においては、通常約180
℃以上の加熱温度によつて徐々に熱分解を始め約
250℃から熱分解が盛んになつて、280℃以上では
熱分解により、大部分が例えばモノシラン、
【式】低分子量のポリシラン、【式】
(2≦n≦10)、または一部カルボシラン化した低
分子量ポリシランの混合物に転換され、そして熱
分解は約400℃で終了する。これら低分子量生成
物は反応系外に放出され易いものであり、重合反
応を収率よく実施するためには、従来、低分子量
生成物の飛散を防止するために、加圧密閉容器、
または低分子量成分を高温に加熱した部分にリサ
イクルして徐々に高分子化するための流通式装置
等の特殊な装置、あるいはこれら低分子量成分と
シロキサン結合により中間生成物を形成して捕獲
することができるポリボロシロキサンの如き特殊
な反応促進剤が必要であつた。
然しながら本発明の方法に従いポリシランと無
水ハロゲン化金属の混合物を出発原料として使用
すると、低分子量生成物が効率よくカルボシラン
骨格とポリシラン骨格から成る有機ケイ素重合体
へと転換される。その機構は、無水塩化アルミニ
ウムによつて代表されるハロゲン化金属が、いわ
ゆる広義のFriedel―Crafts反応、すなわち、ア
ルキル化、ケトン合成、カルボン酸合成、アルデ
ヒド合成、ハロゲン化、異性化、重合などの触媒
として用いられていることから単純には推定でき
ないが例えば次のような推論を述べることができ
る。
本発明で用いるポリシランは約180℃以上の温
度で徐々に熱分解を始め、低分子量成分を生成す
るが、主にこれらはSi―Si結合のラジカル切断に
よるもので生成したラジカルはポリシランのメチ
ル基から水素原子を引き抜く。
水素を引き抜かれたメチル基がラジカル転移反
応により
【式】なるカルボシラン結合を形成す
る場合もあるが、反応系内にはラジカルが多数生
成するために、ラジカル同士の再結合が主として
起り、安定なモノシラン、ポリシラン、一部カル
ボシラン化したポリシランの如き低分子量生成物
となつていくが、この時ハロゲン化金属が存在す
るとポリシランのメチル基のハロゲン化が起き
る。その機構は不明
だが、おそらく微量に含まれるハロゲン化水素が
存在するためだと考えられる。このようにハロゲ
ン化されたメチル基を有するポリシランはハロゲ
ン化金属の触媒量の存在下で分子内転移によつて
容易にカルボシラン結合
を生成し、しかもケイ素原子上に移動したハロゲ
ン原子は反応系内に存在する水素によつて引き抜
かれてハロゲン化水素となつて再生し、メチル基
のハロゲン化を繰り返す。こうして本発明で使用
するポリシランは、安定な低分子量生成物に分解
する前に、熱分解しにくいカルボシラン骨格を多
く含む重合体へと転換される。しかし、ハロゲン
化金属のポリシランに対する触媒作用は、直鎖状
ポリシランの分岐状ポリシランへの分子内転移
や、環状ポリシラン環縮小反応にも働き、これら
の反応は一般的に最も分岐度の高い、熱的に最も
安定な異性体を生成する方向に進行するために、
本発明の方法により合成される有機ケイ素重合体
はカルボシラン骨格とポリシラン骨格より形成さ
れる。
次に上記の製造法によつて得られる本発明のカ
ルボシラン骨格とポリシラン骨格から成る有機ケ
イ素重合体について説明する。本発明の有機ケイ
素重合体のIR吸収スペクトルは例えば第1図に
示すごとく波数830cm-1付近と1250cm-1にSi―
CH3、1410、2900、2950cm-1にC―H、2100cm-1
にSi―H、1030、1355cm-1にSi―CH2―Siに基づ
く吸収を示す。また第2図に600〜250cm-1の遠赤
外部の吸収スペクトルを示すが、300〜450cm-1に
及ぶ、ブロードな吸収を示す。この吸収はSi―Si
結合に基づく吸収で例えば(Me2Si)5で400cm-1、
(Me2Si)6で383cm-1、(Me2Si)7で362cm-1に吸収
ピークを示すことから環状ポリシランに特有で、
勿論本発明で用いる直鎖状ポリシランは遠赤外部
に吸収を示さない。従つて本発明で得られる有機
ケイ素重合体の骨格中に例えば5員環、6員環、
7員環の如きポリシラン部分を含んでいることが
わかつた。また第3図に紫外線吸収スペクトルを
示す。このスペクトルにおいて吸収末端は340―
370nmに生じており、紫外部に大きな吸収を有す
る。比較のために本発明で用いるポリシランをオ
ートクレーブ中470℃で14時間、最終圧力110Kg/
cm2で合成した数平均分子量1800のポリカルボシラ
ンの吸収スペクトルを破線で示してある。ポリシ
ランは下表に示す如く
【表】
紫外部に吸収極大を示す場合が多いが、第3図
に示す吸収スペクトルは、得られた有機ケイ素重
合体の骨格中に【式】(2≦n≦10)の鎖
状、及び/または環状のポリシラン部分を含むこ
とを示している。さらに 1H NMRスペクトルお
よび 13C NMRスペクトルの測定より、テトラ
メチルシランを標準物質として吸収ピークを化学
シフト値を用いて示せば 1H NMRスペクトルで
は4〜5.5ppmにSi―H、−1〜1.5ppmにSiMe2、
SiMe、Si―CH2―、【式】の混合した巾広
い吸収ピークを示し、 13C NMRにおいても−
7〜20ppmに巾広いブロードな吸収ピークのみを
示し、SiMe2、Si―CH2―、【式】等の結合
の混合していることを支持している。
化学分析による元素比率は一般にSi:40〜55、
C:30〜40、O:0.1〜3.5、H:6.5〜8.5重量%
であり、ハロゲン化金属に起因するポリマー中の
金属元素は、0.1重量%以下、通常は0.05重量%
以下である。
上記のIRスペクトル、紫外吸収スペクトル、
NMRスペクトルおよび化学分析の結果より、本
発明の有機ケイ素重合体の構造について次の如き
結論が得られる。すなわちIRスペクトルの結果
より有機ケイ素重合体を構成する要素が
【式】【式】【式】
であり、さらに遠赤外吸収スペクトルより
【式】【式】
【式】等の環状ポリシラン部分、また
紫外吸収スペクトルより上記環状ポリシラン部分
以外に【式】(2≦n≦10)、の鎖状ポリ
シラン部分であり、さらに 1H NMRスペクトル
及び 13C NMRスペクトルより【式】
【式】【式】【式】
であると結論される。勿論カルボシラン骨格とポ
リシラン骨格より形成される例えば
【式】【式】
の如き構成要素も存在し得る。従つて、本発明の
有機ケイ素重合体は、その構造単位が実質的に下
記(A)、(B)、(C)、(D)、(E)および(F)からなるものであ
り、
(RはCH3またはHを表わす)
これら該構造単位が鎖状、分岐状、および環状
構造を形成し、さらに主鎖骨格中に【式】
(2≦n≦10)、のポリシラン骨格を有し、例えば
下記のような分子構造が推定できる。
本発明の有機ケイ素重合体は、蒸気圧浸透法に
より測定した数平均分子量は400―5000である。
本発明のカルボシラン骨格とポリシラン骨格と
から成る有機ケイ素重合体は、従来法により製造
したポリカルボシランに比べ、ポリシラン骨格を
有するために、不融化処理がしやすいという優れ
た特性を有している。すなわちポリシラン骨格は
低温で加熱すると酸素と容易に反応してシロキサ
ン結合を生成することにより、また紫外線によつ
ても容易にラジカルを生成することにより分子間
に架橋を形成し不融化する。
これは、(1)本発明において、ポリシラン100g
に無水塩化アルミニウム1.5gを添加し、355℃で
16.5時間加熱して得た有機ケイ素重合体と、(2)従
来の、ポリシランをオートクレーブ中、470℃で
14時間、最終圧力110Kg/cm2で反応させて得たポ
リカルボシランと、および(3)ポリシランにポリボ
ロジフエニルシロキサンを3.2重量%添加して350
℃で6時間反応させて得たシロキサン結合を含む
ポリカルボシランとを比較した下記表より明らか
である。
【表】
上記表に示される如く、本発明の有機ケイ素重
合体は、焼成残留率が大きく、しかも、様々な形
状の成型体が作り易いという優れた特性を有して
いる。すなわち、本発明の有機ケイ素重合体は、
室温で粘稠な液体から、300℃の加熱で溶融する
熱可塑性の固体までの形状を有し、またn―ヘキ
サン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キ
シレン、テトラヒドロフラン等の溶媒に可溶であ
るので、様々な形状の成型体とすることができ、
これを不融化し、800℃以上の非酸化性雰囲気中
で加熱焼成してその形状を保たせたまま、主とし
てSiCよりなる成形体に転換させるためにきわめ
て有利である。このような例として主としてシリ
コンカーバイドよりなる連続繊維、フイルム、被
覆膜などが挙げられる。
以下実施例によつて本発明を説明する。
実施例 1
5の三口フラスコに無水キシレン2.5とナ
トリウム400gを入れ、窒素ガス気流下でキシレ
ンの沸点まで加熱し、カクハンしながらジメチル
ジクロロシラン1を45分で滴下した。滴下終了
後、10時間加熱還流し、沈殿物を生成させた。こ
の沈殿を過し、まずメタノールで洗浄した後、
水で洗浄し乾燥後、さらにアセトンとベンゼンで
洗浄して白色粉末で【式】(n≧10)、な
るポリシランを380g得た。
このポリシラン100gに無水ハロゲン化アルミ
ニウム、AlCl3を、1.00、1.25、1.50、又は1.60g
を添加混合し、還流管を備えた1の石英管中
で、窒素気流下で加熱し8時間、あるいは16.5時
間反応させ、反応終了後、キシレン溶液として
過し、不純物を除去後320℃まで窒素雰囲気中で
蒸留し、キシレン及び低沸点成分を除去して濃縮
して本発明の有機ケイ素重合体を得た。この結果
を下表に示す。反応温度とは以下すべて最終反応
温度を示す。
【表】
実施例 2
実施例1で合成したポリシラン100gに無水塩
化ジルコニウム、ZrCl4、を1.96、2.50、3.00、又
は5.00g添加混合して実施例1と同様にして16.5
時間反応させて本発明の有機ケイ素重合体を得
た。この結果を下表に示す。
【表】
実施例 3
実施例1で合成したポリシラン100gにMnCl2、
CrCl3、VCl3、TiCl4、又はGaCl3を添加混合し実
施例1と同様の方法で16.5時間反応させて本発明
の有機ケイ素重合体を得た。この結果を下表に示
す。
【表】
実施例 4
実施例1で合成したポリシラン100gに、
CoCl2、PbCl2、BiCl3、ZnCl2、SiCl4、TlCl、
TaCl5、FeCl3、SnCl4、又はSrCl2を添加混合し、
実施例1と同様な方法で16.5時間反応させて本発
明の有機ケイ素重合体を得た。この結果を下表に
示す。
【表】
【表】
実施例 5
実施例1で合成したポリシラン100gにCoCl2、
PbCl2又はSiCl4、3.00gとAlCl3を1.00g加えて、
実施例1と同様な方法で8時間反応させて本発明
の有機ケイ素重合体を得た。この結果を下表に示
す。
【表】
この結果と実施例1を比較すると得られる有機
ケイ素重合体の数平均分子量を連続的に変化させ
る場合このような混合ハロゲン化物の使用が有利
であることがわかる。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a novel organosilicon polymer mainly consisting of a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton, and a method for producing the same. A polymer that has a skeleton in which silicon atoms and carbon atoms are alternately bonded and has an organic side chain group on the silicon atom is called a polycarbosilane. It is used as a raw material for silicon carbide because it is converted into an inorganic substance whose main component is silicon carbide by firing.For example, it is used as silicon carbide fiber, sintering aid, impregnating agent, silicon carbide fine powder, etc. ing. Conventionally known polycarbosilanes include:
Fritz; Angew.Chem., 79 , which is synthesized by subjecting monosilane to a thermal decomposition condensation reaction at a high temperature of 600-800°C using a recyclable flow-through device.
p657 (1967), etc., and patent application No. 50-50223, which is synthesized by subjecting organopolysilane to a thermal decomposition condensation reaction at 400-470°C under high pressure using a pressurized container such as an autoclave.
No., Patent Application No. 149468 and Patent Application No. 21365, No. 51.
There are some disclosed by No. Furthermore, a polyborosiloxane having a phenyl group in at least a part of the side chain of Si is added as a reaction accelerator to the organopolysilane described in Japanese Patent Application No. 127630/1987, which the present inventors previously applied for. under normal pressure
Polycarbosilane partially containing siloxane bonds can be synthesized by a method of thermal decomposition condensation reaction at 250-500°C. These synthesis methods are industrially disadvantageous because they require a recyclable distribution device and high temperature, or require reactions under high pressure using a pressurized container. Also, when using special reaction accelerators such as polyborosiloxane,
Since the produced polymer contains siloxane bonds, it is not suitable when it is desired to reduce the amount of oxygen in the fired product as much as possible. These conventional polycarbosilanes can be converted into silicon carbide by firing in a non-oxidizing atmosphere, making them extremely useful as raw materials for heat-resistant inorganic materials. Therefore, molded bodies having various shapes can be obtained. However, in order to heat and bake these molded bodies while retaining their shape, the molded polycarbosilane must be made infusible by curing as a pretreatment.
The best way to make it infusible is to heat it in air, but this requires either gradual heating to near the softening point of the polycarbosilane, or heating at low temperatures for a very long time. . However, conventional polycarbosilanes have drawbacks such as the molded body melting during heating to make it infusible, or the fact that infusibility cannot be sufficiently achieved to the inside of the molded body. This was extremely difficult. The present inventors have conducted extensive research to overcome the above-mentioned drawbacks of conventional methods. Therefore, we have invented a new method for producing an organosilicon polymer mainly consisting of a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton, which does not require the use of special reaction accelerators and does not contain siloxane bonds. Furthermore, the present inventors found that the organosilicon polymer mainly composed of a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton obtained by the above method is more easily rendered infusible than polycarbosilane obtained by a conventional method because it has a polysilane skeleton. It has been discovered that this is a novel organosilicon polymer with excellent performance in that it has a high firing residue rate in a non-oxidizing atmosphere. According to the present invention, 0.5 to 10% by weight of one or more types of anhydrous metal halide is added to and mixed with a polysilane having the structure [Formula], and the polysilane is mixed in an atmosphere inert to the reaction. Provided is a method for producing an organosilicon polymer having a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton, the method comprising heating a mixture to cause a reaction. The organosilicon polymer of the present invention obtained by the above method mainly consists of the following structural units (A), (B), (C), (D), (E) and (F), (R represents CH 3 or H) The structural unit forms a chain, branched, or cyclic structure, and further has a polysilane skeleton of the formula (2≦n≦10) in the main chain skeleton. It is an organosilicon polymer. The organosilicon polymer of the present invention is usually 450-
It has absorption in the far infrared region of 300 cm -1 , and the absorption end occurs in the ultraviolet absorption spectrum between 340 and 370 nm.
The number average molecular weight is 400-5000. The present invention will be explained in more detail below. One of the starting materials used in the method of the present invention is a polysilane having the structure [Formula], which may be either chain or cyclic, or may be a mixture of such structures. However, a linear polysilane with 10≦n is preferable, and the terminal group is preferably OH or CH 3 .
Polysilanes in which part of the methyl group is ethyl group, phenyl group, or hydrogen can also be used, but this is not preferable because the yield of the product decreases, and polysilanes having part of hydrogen are unstable and easily ignite. . The polysilane used in the present invention is, for example, published by Takeo Saegusa, Yoshihiko Ito, and Makoto Kumada in "Synthesis Reactions Using Organometallic Compounds (Part 2)" published by Maruzen, and published by M.Kumada.
and K. Tamao, Advan.Organometal.Chem.
6, 19 (1968), etc., chain polysilanes can be synthesized by the condensation reaction of methylhalogenosilane with sodium, potassium, sodium-potassium alloys, or alkali metals such as lithium. is synthesized using. Another starting material used in the process of the invention is an anhydrous metal halide, each of the groups (alkaline earth metals and zinc group), group (alkaline earth metals and zinc group), group (excluding carbon), group (iron group), and Elements belonging to subgroup b and one or a mixture of two or more halides of antimony and bismuth can be used. As the metal halide, any of fluorides, chlorides, bromides, and iodides can be used, but chlorides and bromides are preferred, with chlorides being particularly preferred. Moreover, anhydrous metal halides are preferable, and when hydrated salts are used,
This is not preferable because the reaction may not proceed or the resulting organosilicon polymer will contain oxygen in its skeleton. Metal halides that can be used include:
For example, BeCl 2 , SrCl 2 , NdCl 3 , ThCl 4 , TiCl 4 ,
ZrCl4 , HfCl4 , VCl3 , VCl4 , NbCl5 , TaCl5 ,
CrCl3 , MnCl2 , FeCl3 , CoCl2 , ZnCl2 , AlCl3 ,
GaCl3 , TlCl, SiCl4 , GeCl4 , SnCl4 , PbCl2 ,
There are SbCl 5 , SbCl 3 , BiCl 3 , AlBr 3 and GaBr 3 .
Among these, AlCl 3 , GaCl 3 , MnCl 2 ,
ZrCl 4 , TiCl 4 , VCl 3 , CrCl 3 are particularly suitable for increasing the molecular weight of the product, but mixtures of one of these and other chlorides can be used to further increase the molecular weight if necessary. The reaction can be carried out in the presence of a trace amount of hydrogen halide, and the molecular weight distribution of the resulting organosilicon polymer can be easily controlled. In the method of the present invention, 0.5 to 10% by weight of one or a mixture of two or more of the anhydrous metal halides is added and mixed to the polysilane having the structure [Formula],
The mixture is heated to react under an atmosphere inert to the reaction. One of the important advantages of the method of the present invention is that a can-shaped reaction vessel made of stainless steel, for example, can be heated in a heating furnace such as an ordinary electric furnace without requiring any special equipment as a device for heating and reacting the mixture. At that time, it is sufficient to be equipped with a reflux device that can cool and reflux low-boiling components generated during the reaction, and an inlet and an outlet for gas inert to the reaction. There is no need to use containers or recyclable flow-through equipment, and another advantage is that readily available anhydrous halogens do not require the use of very special reaction promoters such as polyborosiloxane. The point is that chemical metals can be used. In the method of the present invention, the reaction by heating is
It is necessary to carry out the reaction under an inert gas atmosphere. If the reaction is carried out in an oxidizing atmosphere such as air, the raw material polysilane will be oxidized, which is not preferable. Nitrogen and argon are particularly suitable as the gas inert to the reaction. In addition, it is generally preferable to carry out the reaction at normal pressure; it is not preferable to carry out the reaction in vacuum or under reduced pressure because the produced low molecular weight components will be distilled out of the system and the yield will drop significantly. In order to carry out the method of the present invention, it is preferable to carry out the reaction while feeding an inert gas into the reaction section as a gas stream. This is because pressure increase due to gases such as hydrogen and methane generated during the reaction can be prevented. The heating temperature in the method of the present invention is lower than that in conventional methods, usually 250°C or higher, preferably 280°C or higher.
400° C. is one of the advantages of the method of the invention. If the reaction temperature is below 250°C, the reaction will not proceed sufficiently, and if it is above 450°C, gelation of the produced organosilicon polymer will occur, which is not preferable. In addition, the reaction time in the method of the present invention is usually 3 hours or more, and although it varies depending on the type of metal halide used, generally even if the reaction is carried out for 20 hours or more, there is no substantial effect on the organosilicon polymer obtained. No improvement is seen. In the method of the present invention, the amount of anhydrous metal halide added is 0.5 to 10% by weight based on the polysilane. The reason for this is that below 0.5%, the proportion of the polysilane skeleton in the organosilicon polymer produced is extremely large compared to the carbosilane skeleton, making it insoluble in ordinary organic solvents and in a non-oxidizing atmosphere. This is not preferable because the firing residual rate becomes extremely small. On the other hand, adding 10% by weight or more may cause the product to gel, and using an anhydride halide that does not gel even if adding 10% by weight or more is actually a problem in producing the organosilicon polymer of the present invention. This is uneconomical, and in that case it is practical to use a mixture of two or more anhydrous halides. The preferred amount of non-halide added is in the range of 1.0 to 8.0% by weight. The organosilicon polymer obtained by the above reaction can be purified by dissolving it in a solvent, heating if necessary, and then evaporating the solvent. The average molecular weight can be increased by removing low molecular weight components by distillation at normal pressure or reduced pressure within a temperature range. Examples of such solvents include n-hexane, cyclohexane, benzene, toluene, xylene, and tetrahydrofuran. In addition to distillation, another method for increasing the average molecular weight is to selectively precipitate and separate high molecular weight components using a mixed solvent of the above-mentioned good solvent and a poor solvent such as acetone, methanol, or ethanol. A novel feature of the process of the present invention is that from a mixture of polysilane with the addition of small amounts of anhydrous metal halide,
The process mainly produces organosilicon polymers consisting of a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton, and has the advantage that it does not require special reaction equipment or a special reaction accelerator, and the addition temperature is relatively low. Conceivable. Below, we will discuss the mechanism of why the above advantages are brought about by adding a small amount of metal halide to polysilane, but this is just one speculation. Therefore, the present invention is not limited in any way by this consideration. Polysilane, one of the starting materials for the process of the present invention, typically has a molecular weight of about 180
When heated at temperatures above ℃, thermal decomposition begins to occur gradually.
Thermal decomposition becomes active from 250℃, and at 280℃ or higher, most of the material is converted into monosilane, for example, due to thermal decomposition.
It is converted to a low molecular weight polysilane, (2≦n≦10), or a mixture of partially carbosilated low molecular weight polysilanes, and the thermal decomposition ends at about 400°C. These low molecular weight products are easily released outside the reaction system, and in order to carry out the polymerization reaction with good yield, conventionally, in order to prevent the low molecular weight products from scattering, pressurized closed containers,
Alternatively, special equipment such as a flow-through device that recycles low-molecular-weight components to a heated part and gradually converts them into polymers, or captures intermediate products formed by bonding these low-molecular-weight components with siloxane. Special reaction accelerators such as polyborosiloxanes capable of However, when a mixture of polysilane and anhydrous metal halide is used as a starting material according to the method of the present invention, the low molecular weight product is efficiently converted into an organosilicon polymer consisting of a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton. The mechanism is that a metal halide, represented by anhydrous aluminum chloride, undergoes the so-called Friedel-Crafts reactions in a broad sense, including alkylation, ketone synthesis, carboxylic acid synthesis, aldehyde synthesis, halogenation, isomerization, and polymerization. Although it cannot be simply estimated because it is used as a catalyst, the following inference can be made, for example. The polysilane used in the present invention gradually begins to thermally decompose at a temperature of about 180°C or higher, producing low molecular weight components, but these are mainly due to radical cleavage of Si--Si bonds, and the generated radicals are the methyl groups of the polysilane. Pull out a hydrogen atom from. The methyl group from which hydrogen has been extracted undergoes a radical transfer reaction. [Formula] may form a carbosilane bond, but since many radicals are generated in the reaction system, recombination of radicals mainly occurs, resulting in stable monosilane, polysilane, and partially carbosilane polysilane. It becomes a low molecular weight product, but if a metal halide is present at this time, halogenation of the methyl groups of polysilane occurs. The mechanism is unknown However, this is probably due to the presence of trace amounts of hydrogen halides. Polysilanes having halogenated methyl groups are easily bonded to carbosilane by intramolecular rearrangement in the presence of a catalytic amount of metal halide. The halogen atoms that have been produced and moved onto the silicon atoms are extracted by the hydrogen present in the reaction system and regenerated as hydrogen halide, repeating the halogenation of the methyl group. Thus, the polysilane used in the present invention is converted into a carbosilane-rich polymer that is resistant to thermal decomposition before being decomposed into stable low molecular weight products. However, the catalytic action of metal halides on polysilane also acts on the intramolecular transfer of linear polysilane to branched polysilane and the ring reduction reaction of cyclic polysilane, and these reactions generally involve the thermal reaction of the most highly branched polysilane. in order to proceed towards producing the most stable isomer in terms of
The organosilicon polymer synthesized by the method of the present invention is formed from a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton. Next, the organosilicon polymer comprising a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton of the present invention obtained by the above-mentioned production method will be explained. For example, as shown in Figure 1 , the IR absorption spectrum of the organosilicon polymer of the present invention shows Si-
CH 3 , 1410, 2900, 2950cm -1 and CH, 2100cm -1
It shows absorption based on Si-H at 1030 and 1355 cm -1 and Si-CH 2 -Si. Further, FIG. 2 shows an absorption spectrum in the far infrared region of 600 to 250 cm -1 , which shows broad absorption ranging from 300 to 450 cm -1 . This absorption is Si-Si
For example, 400 cm -1 for (Me 2 Si) 5 due to bond-based absorption,
It is unique to cyclic polysilanes as it shows an absorption peak at 383 cm -1 for (Me 2 Si) 6 and 362 cm -1 for ( Me 2 Si) 7.
Of course, the linear polysilane used in the present invention does not exhibit absorption in the far infrared region. Therefore, in the skeleton of the organosilicon polymer obtained in the present invention, for example, a 5-membered ring, a 6-membered ring,
It was found that it contained a polysilane moiety such as a 7-membered ring. Further, FIG. 3 shows the ultraviolet absorption spectrum. In this spectrum, the absorption end is 340-
It occurs at 370 nm and has large absorption in the ultraviolet region. For comparison, the polysilane used in the present invention was heated in an autoclave at 470℃ for 14 hours at a final pressure of 110Kg/
The absorption spectrum of polycarbosilane with a number average molecular weight of 1800 synthesized in cm 2 is shown by a broken line. As shown in the table below, polysilane often exhibits an absorption maximum in the ultraviolet region, but the absorption spectrum shown in Figure 3 shows that [Formula] (2≦n≦ 10) contains a chain and/or cyclic polysilane moiety. Furthermore, from the measurement of 1 H NMR spectrum and 13 C NMR spectrum, if we use tetramethylsilane as a standard substance and show the absorption peak using chemical shift values, Si-H, -1 to 1.5 ppm in 1 H NMR spectrum is 4 to 5.5 ppm. SiMe 2 in ppm,
It shows a mixed broad absorption peak of SiMe, Si-CH 2 -, and [Formula], and also - in 13 C NMR.
It shows only a broad absorption peak in the range of 7 to 20 ppm, supporting the presence of a mixture of bonds such as SiMe 2 , Si--CH 2 --, and [Formula]. The elemental ratio according to chemical analysis is generally Si: 40-55,
C: 30-40, O: 0.1-3.5, H: 6.5-8.5% by weight
The amount of metal elements in the polymer due to metal halides is less than 0.1% by weight, usually 0.05% by weight.
It is as follows. The above IR spectrum, ultraviolet absorption spectrum,
From the results of the NMR spectrum and chemical analysis, the following conclusions can be drawn regarding the structure of the organosilicon polymer of the present invention. In other words, the IR spectrum shows that the elements constituting the organosilicon polymer are [Formula], [Formula], [Formula], and the far infrared absorption spectrum shows that the cyclic polysilane moieties such as [Formula], [Formula], [Formula], etc. According to the ultraviolet absorption spectrum, in addition to the above-mentioned cyclic polysilane moiety, there is a chain polysilane moiety of [Formula] (2≦n≦10), and furthermore, from the 1 H NMR spectrum and the 13 C NMR spectrum, [Formula] [Formula] [Formula] [ It is concluded that the formula is Of course, constituent elements formed from a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton, such as [Formula] [Formula], may also exist. Therefore, the organosilicon polymer of the present invention has structural units substantially consisting of the following (A), (B), (C), (D), (E) and (F), (R represents CH 3 or H) These structural units form chain, branched, and cyclic structures, and further have a polysilane skeleton of the formula (2≦n≦10) in the main chain skeleton. For example, the following molecular structure can be estimated. The organosilicon polymer of the present invention has a number average molecular weight of 400 to 5000 as measured by vapor pressure osmosis. The organosilicon polymer composed of a carbosilane skeleton and a polysilane skeleton of the present invention has an excellent property that it can be easily treated to make it infusible because it has a polysilane skeleton, compared to polycarbosilane produced by conventional methods. . That is, the polysilane skeleton easily reacts with oxygen to form siloxane bonds when heated at low temperatures, and also easily forms radicals when exposed to ultraviolet rays, thereby forming crosslinks between molecules and making it infusible. (1) In the present invention, 100 g of polysilane
1.5g of anhydrous aluminum chloride was added to the water at 355℃.
Organosilicon polymer obtained by heating for 16.5 hours and (2) conventional polysilane were heated at 470℃ in an autoclave.
350 by adding 3.2% by weight of polyborodiphenylsiloxane to the polycarbosilane obtained by reacting for 14 hours at a final pressure of 110Kg/cm 2 and (3) polysilane.
This is clear from the table below, which compares this with polycarbosilane containing a siloxane bond obtained by reacting at °C for 6 hours. [Table] As shown in the above table, the organosilicon polymer of the present invention has excellent properties in that it has a large firing residue rate and can be easily formed into molded bodies of various shapes. That is, the organosilicon polymer of the present invention is
It has a shape ranging from a viscous liquid at room temperature to a thermoplastic solid that melts when heated to 300°C, and is soluble in solvents such as n-hexane, cyclohexane, benzene, toluene, xylene, and tetrahydrofuran. Can be molded into various shapes,
This is extremely advantageous in that it can be made infusible and then heated and fired in a non-oxidizing atmosphere at 800° C. or higher to convert it into a molded body mainly made of SiC while maintaining its shape. Examples of such materials include continuous fibers, films, and coatings mainly made of silicon carbide. The present invention will be explained below with reference to Examples. Example 1 2.5 g of anhydrous xylene and 400 g of sodium were placed in the 5-necked flask and heated to the boiling point of xylene under a nitrogen gas stream, and 1 dimethyldichlorosilane was added dropwise over 45 minutes while stirring. After the dropwise addition was completed, the mixture was heated under reflux for 10 hours to form a precipitate. After filtering this precipitate and first washing it with methanol,
After washing with water and drying, the product was further washed with acetone and benzene to obtain 380 g of polysilane having the formula (n≧10) as a white powder. Add 1.00, 1.25, 1.50, or 1.60 g of anhydrous aluminum halide, AlCl 3 to 100 g of this polysilane.
was added and mixed, heated under a nitrogen stream in a quartz tube equipped with a reflux tube, and reacted for 8 hours or 16.5 hours. After the reaction was completed, it was filtered as a xylene solution, and after removing impurities, it was heated to 320℃ with nitrogen. Distillation was carried out in an atmosphere to remove xylene and low-boiling components and concentrate to obtain the organosilicon polymer of the present invention. The results are shown in the table below. The reaction temperature hereinafter refers to the final reaction temperature. [Table] Example 2 1.96, 2.50, 3.00, or 5.00 g of anhydrous zirconium chloride, ZrCl 4 , was added and mixed to 100 g of the polysilane synthesized in Example 1, and the mixture was prepared in the same manner as in Example 1.
The organosilicon polymer of the present invention was obtained by reacting for a period of time. The results are shown in the table below. [Table] Example 3 Add MnCl 2 to 100 g of polysilane synthesized in Example 1,
CrCl 3 , VCl 3 , TiCl 4 or GaCl 3 were added and mixed and reacted for 16.5 hours in the same manner as in Example 1 to obtain an organosilicon polymer of the present invention. The results are shown in the table below. [Table] Example 4 To 100g of polysilane synthesized in Example 1,
CoCl2 , PbCl2 , BiCl3 , ZnCl2 , SiCl4 , TlCl,
Add and mix TaCl 5 , FeCl 3 , SnCl 4 , or SrCl 2 ,
The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 for 16.5 hours to obtain the organosilicon polymer of the present invention. The results are shown in the table below. [Table] [Table] Example 5 CoCl 2 was added to 100 g of the polysilane synthesized in Example 1,
Add 3.00 g of PbCl 2 or SiCl 4 and 1.00 g of AlCl 3 ,
The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 for 8 hours to obtain an organosilicon polymer of the present invention. The results are shown in the table below. [Table] Comparison of these results with Example 1 shows that the use of such mixed halides is advantageous when the number average molecular weight of the resulting organosilicon polymer is continuously changed.
第1図は本発明の実施例1のAlCl3を1.50g添
加して合成した有機ケイ素重合体のIR吸収スペ
クトル(KBr錠剤法)、第2図は第1図と同じ有
機ケイ素重合体の遠赤外吸収スペクトル(KI錠
剤法)、第3図は第1図と同じ有機ケイ素重合体
の紫外吸収スペクトルを示す。
Figure 1 shows the IR absorption spectrum (KBr tablet method) of the organosilicon polymer synthesized by adding 1.50 g of AlCl 3 in Example 1 of the present invention, and Figure 2 shows the far-field spectrum of the same organosilicon polymer as in Figure 1. Infrared absorption spectrum (KI tablet method), Figure 3 shows the same ultraviolet absorption spectrum of the organosilicon polymer as in Figure 1.
Claims (1)
遠赤外領域に吸収を有し、紫外吸収スペクトルに
おいて吸収末端が340―370nmに生じ、数平均分
子量が400―5000である有機ケイ素重合体であつ
て、 該有機ケイ素重合体は、主鎖骨格が下記(A)、
(B)、(C)、(D)、(E)および(F)なる構造単位から主とし
てなり (RはCH3またはHを表わす) 該構造単位が鎖状、分枝状、および環状構造を
形成し、さらに主鎖骨格中に【式】(2≦n ≦10)、のポリシラン骨格を有することを特徴と
する有機ケイ素重合体。[Claims] 1. Has absorption in the far infrared region of 450-300 cm -1 in the infrared absorption spectrum, has an absorption end in the ultraviolet absorption spectrum of 340-370 nm, and has a number average molecular weight of 400-5000. An organosilicon polymer, the organosilicon polymer has a main chain skeleton as shown below (A),
Mainly consists of structural units (B), (C), (D), (E) and (F). (R represents CH 3 or H) The structural unit forms a chain, branched, or cyclic structure, and further has a polysilane skeleton of the formula (2≦n≦10) in the main chain skeleton. An organosilicon polymer characterized by:
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