KR100684648B1 - Manufacturing method of semi-crystallized silicon carbide fiber made from polycarbosilane - Google Patents

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Abstract

A method for manufacturing a semi-crystallized silicon carbide fiber from poly-carbosilane is provided to control an amount of molecules of poly-carbosilane, thereby securing the spinning property of the poly-carbosilane fiber. A poly-de-methylsilane and the zeolite catalyst are reacted at the first temperature so that the poly-de-methylsilane is converted into a poly-carbosilane. The poly-carbosilane is polymerized by the ascended second temperature. The polymerized poly-carbosilane is melted and spun so that the poly-carbosilane fiber is manufactured. The poly-carbosilane fiber is stabilized at 100-300 degrees in centigrade in the air. The poly-carbosilane fiber is heated at 1000-1400 degrees in centigrade so that the partially crystallized SiC fiber is manufactured.

Description

폴리카보실란으로부터 반결정형 실리콘 카바이드 섬유를 제조하는 방법{MANUFACTURING METHOD OF SEMI-CRYSTALLIZED SILICON CARBIDE FIBER MADE FROM POLYCARBOSILANE}MANUFACTURING METHOD OF SEMI-CRYSTALLIZED SILICON CARBIDE FIBER MADE FROM POLYCARBOSILANE

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 폴리카보실란의 분자량 제어를 위한 2단계 반응을 개략적으로 설명하기 위한 예시적인 승온 스케쥴을 도시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an exemplary temperature rising schedule for schematically illustrating a two-step reaction for molecular weight control of polycarbosilanes in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 폴리디메틸실란으로부터 폴리카보실란으로 전환 과정에서 얻어진 각 시료의 FT-IR 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.2 is a graph showing the FT-IR spectrum of each sample obtained in the process of conversion from polydimethylsilane to polycarbosilane according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 중합 공정을 거치면서 나타나는 분자량 분포의 변화를 GPC로 측정하여 나타낸 그래프이다. Figure 3 is a graph showing the measurement of the change in molecular weight distribution appearing through the polymerization process by GPC.

도 4는 400℃에서 10시간 중합한 후 이를 250℃의 진공이 유지되는 석영 튜브에서 1시간 동안 증류한 후 튜브의 중심에서 떨어진 거리에 따라 시료를 회수하여 GPC 분석을 행한 결과를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the results of GPC analysis by collecting the sample according to the distance away from the center of the tube after distilling for 1 hour in a quartz tube maintained at 250 ℃ vacuum after polymerization for 10 hours at 400 ℃.

도 5는 PCS를 400℃에서 5~15시간 동안 재중합하여 얻은 시료에 대한 GPC 그래프이다.5 is a GPC graph of a sample obtained by repolymerizing PCS at 400 ° C. for 5-15 hours.

도 6은 400℃에서 5~15시간 재중합하여 얻은 시료에 대한 열분석 곡선이다. 6 is a thermal analysis curve for a sample obtained by repolymerization at 400 ° C. for 5 to 15 hours.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실리콘카바이드 섬유의 파단면의 전자현미경 사진 및 그 파단면을 EDS 선 분석(line mapping)한 결과를 도시하는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing electron micrographs of fracture surfaces of silicon carbide fibers prepared according to an embodiment of the present invention, and the results of EDS line mapping of the fracture surfaces. FIG.

도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실리콘카바이드 섬유의 XRD 차트이다.8 is an XRD chart of silicon carbide fibers prepared according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실리콘카바이드 섬유의 TG 분석결과를 도시하는 그래프이다.9 is a graph showing the results of TG analysis of silicon carbide fibers prepared according to an embodiment of the present invention.

도 10a 및 도 10b는 각각 산화 실험 전후의 실리콘카바이드 섬유의 표면의 SEM 사진이다. 10A and 10B are SEM photographs of the surface of silicon carbide fibers before and after the oxidation experiment, respectively.

도 11a 및 도 11b는 각각 산화실험 전후의 실리콘카바이드 섬유의 단면 SEM 사진이다. 11A and 11B are cross-sectional SEM photographs of silicon carbide fibers before and after the oxidation experiment, respectively.

본 발명은 실리콘 카바이드(Silicon Carbide; SiC) 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제올라이트를 촉매로 하여 폴리카보실란을 제조한 후 이를 방사하여 폴리카보실란 섬유를 제조하고, 제조된 폴리카보실란 섬유를 안정화한 후 열분해하여 SiC 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing silicon carbide (SiC) fibers, and more specifically to producing a polycarbosilane using a zeolite as a catalyst and then spinning it to produce a polycarbosilane fiber, the poly The present invention relates to a method of preparing SiC fibers by stabilizing and then decomposing the carbosilane fibers.

폴리카보실란(polycarbosilane; PCS)은 SiC 계 섬유를 제조하기 위한 전구체 또는 내산화성, 내열성을 증진시키기 위한 SiC 코팅, SiC분말, SiC 복합재료의 전 구체로 널리 이용되고 있다. Polycarbosilane (PCS) is widely used as a precursor for preparing SiC fibers, or as a precursor for SiC coating, SiC powder, and SiC composite materials to enhance oxidation resistance and heat resistance.

폴리카보실란은 폴리디메틸실란(polydimethylsilane; PDMS)을 출발 물질로 하여 400 ℃이상에서의 고온 가압 반응에 의한 야지마(Yajima) 방법(미국 특허 US 4,052,430에 개시되어 있음)이 주로 이용되어 왔다. 그러나 이 방법은 가압 용기를 사용하여 가압하므로, 반응 중 Me2SiH2, Me3SiH 등과 열분해 부산물을 생성하여 반응 중 가압 용기의 내부 압력이 100기압 이상 올라가며, 특히 이들 실란 계열 기체는 저온에서 발화되는 성질이 있기 때문에, 반응 도중에 이들 기체가 누출되는 경우에는 발화 위험성 등의 안정에 문제가 있다. The polycarbosilane has been mainly used in the Yajima method (disclosed in US Pat. No. 4,052,430) by high temperature pressurization at 400 ° C. or higher using polydimethylsilane (PDMS) as a starting material. However, this method is pressurized using a pressurized vessel, which generates pyrolysis by-products such as Me2SiH2, Me3SiH, etc. during the reaction, and the internal pressure of the pressurized vessel rises above 100 atm during the reaction. When these gases leak during the reaction, there is a problem in stability such as the risk of ignition.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 야지마(Yajima)는 폴리보로디페닐실록산 촉매를 사용하여 상압에서 폴리카보실란을 합성한 바 있다(Nature Vol. 273 No. 15, 525-527). 또, 구로사키 리프랙토리즈(Kurosaki Refractories Co. Ltd.)에서는 AlCl3, ZrCl2, VCl3, SbCl3 등의 고체산을 촉매로 사용하여 상압, 320℃~370℃에서 폴리카보실란을 합성하였다(미국 특허US 4,590,253 , 일본 특허 JP 87-79228). To overcome this problem, Yajima has synthesized polycarbosilane at atmospheric pressure using a polyborodiphenylsiloxane catalyst (Nature Vol. 273 No. 15, 525-527). In addition, Kurosaki Refractories Co. Ltd. synthesized polycarbosilane at a normal pressure of 320 ° C. to 370 ° C. using solid acids such as AlCl 3, ZrCl 2, VCl 3, and SbCl 3 as catalysts. US 4,590,253, Japanese Patent JP 87-79228).

그러나, 이들 고체산 촉매는 강산성을 나타내므로 촉매의 산도 조절이 곤란하여 최종 생성물의 수율이 낮고 생성물의 분자량 조절에 어려움이 있었다.However, since these solid acid catalysts exhibit strong acidity, it is difficult to control the acidity of the catalyst, resulting in low yield of the final product and difficulty in controlling the molecular weight of the product.

폴리카보실란의 방사성은 분자량 분포와 녹는점에 의해 크게 좌우되는데, 예컨대 저분자량의 폴리카보실란은 저온 방사를 가능하게 하지만 안정화 및 열처리 공정에서 세라믹 섬유의 형성 및 물성에 악영향을 미치므로, 이들을 정제과정에서 제거하여야 한다. The radioactivity of polycarbosilanes is highly dependent on the molecular weight distribution and melting point. For example, low molecular weight polycarbosilanes allow for low temperature spinning but adversely affect the formation and physical properties of ceramic fibers in stabilization and heat treatment processes, thereby purifying them. Should be removed from the process.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 제올라이트를 촉매로 하여 폴리카보실란을 제조하는 과정에서 폴리카보실란의 분자량을 제어함으로써 폴리카보실란 섬유의 방사성을 확보하여 높은 수율의 반결정성 SiC 섬유의 제조를 가능하게 하는 SiC 섬유의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems of the prior art, the present invention, by controlling the molecular weight of the polycarbosilane in the process of producing a polycarbosilane using a zeolite as a catalyst to secure the radioactivity of the polycarbosilane fibers, high yield semicrystalline SiC It is an object of the present invention to provide a method for producing SiC fibers which enables the production of fibers.

또한, 본 발명은 폴리카보실란 분자량의 제어를 통해 높은 기계적 강도를 갖는 SiC 섬유의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a method for producing SiC fibers having high mechanical strength through control of the polycarbosilane molecular weight.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, The present invention to achieve the above technical problem,

폴리디메틸실란과 제올라이트 촉매를 제1 온도에서 반응시켜 상기 폴리디메틸실란을 폴리카보실란으로 전환하는 단계, 상기 폴리카보실란을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 승온하여 중합하는 단계, 증합된 상기 폴리카보실란을 용융 방사하여 폴리카보실란 섬유를 제조하는 단계, 상기 폴리카보실란 섬유를 100~300℃ 대기 중에서 안정화하는 단계 및 상기 폴리카보실란 섬유를 1000~1400℃에서 열처리하여 부분 결정화 된 SiC 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 SiC 섬유의 제조 방법을 제공한다. Converting the polydimethylsilane into a polycarbosilane by reacting a polydimethylsilane and a zeolite catalyst at a first temperature, and heating the polycarbosilane to a second temperature higher than the first temperature to polymerize Preparing polycarbosilane fibers by melt spinning polycarbosilane, stabilizing the polycarbosilane fibers in an atmosphere of 100 to 300 ° C., and heat-treating the polycarbosilane fibers at 1000 to 1400 ° C. to partially crystallize SiC fibers. It provides a method for producing a SiC fiber comprising the step of preparing a.

본 발명에서 상기 제1 온도(전환 반응 온도)는 300~400℃이고, 상기 제2 온도(중합 반응 온도)는 350~450℃인 것이 바람직하다.In the present invention, the first temperature (conversion reaction temperature) is 300 ~ 400 ℃, the second temperature (polymerization reaction temperature) is preferably 350 ~ 450 ℃.

본 발명은 상기 중합 단계 다음에 200~300℃에서 증류하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 증류 단계 다음에 350~450℃ 질소 분위기에서 5~20시간 동안 재중합하는 단계를 더 포함할 수 있다. The present invention may further comprise a step of distilling at 200 ~ 300 ℃ after the polymerization step. In addition, the present invention may further include a step of repolymerization for 5 to 20 hours in a nitrogen atmosphere 350 ~ 450 ℃ after the distillation step.

본 발명에서 폴리디메틸실란의 전환에 사용되는 제올라이트는 실리콘 원자 또는 알루미늄 원자 등을 중심으로 정사면체의 정점에 산소 원자를 결합시킨 3차원 구조를 갖는 것으로서, 예를 들어 일반식 Nam(AlO2)m(SiO2)n·xH2O 으로 표시된다. 이대로는 산으로는 되지 않으나, Na+를 암모늄 이온 등과 교환하여 소성하면 브렌스테드산 형의 촉매로 된다. 상기 제올라이트 촉매는 Si/Al비 또는 Si/B비를 조정함으로써 촉매의 산도 조절이 가능하므로, 기존의 고체산 촉매에 비해 최종 생성물의 분자량 조절이 용이하고 또 제품 수율이 향상이 예측될 수 있다. 상기 제올라이트 촉매는 Si/Al비 또는 Si/B비가 1~200의 범위에 있는 것이 바람직하다. The zeolite used in the conversion of the polydimethylsilane in the present invention has a three-dimensional structure in which oxygen atoms are bonded to a vertex of a tetrahedron around a silicon atom or an aluminum atom, for example, the general formula Nam (AlO 2) m (SiO 2). ) n x H2O. This is not an acid. However, when Na + is exchanged with ammonium ions or the like for calcination, it is a bronsted acid catalyst. Since the zeolite catalyst can control the acidity of the catalyst by adjusting the Si / Al ratio or Si / B ratio, it is easy to control the molecular weight of the final product compared to the conventional solid acid catalyst and the product yield can be expected to be improved. It is preferable that the said zeolite catalyst has a Si / Al ratio or Si / B ratio in the range of 1-200.

본 발명의 제조 방법에서, 폴리디메틸실란의 산화를 방지하기 위하여, 전환 반응 및 중합 반응은 불활성 가스 분위기에서 행하여야 한다. 상기 불활성 가스로는 질소, 아르곤, 헬륨, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 들 수 있다.In the production method of the present invention, in order to prevent oxidation of the polydimethylsilane, the conversion reaction and the polymerization reaction must be performed in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, helium, carbon monoxide, carbon dioxide, and the like.

또한, 본 발명에서 상기 전환 반응 및 중합 반응은 약 1~20 기압의 저압에서 행할 수 있으며, 바람직하게는 약 10기압 이하에서 수행되는 것이 좋다. 진공하에서 행하면, 저분자량 성분이 반응계로부터 증류 제거되므로 제품의 수율이 떨어지며, 고압에서 행하면 다량의 부산물이 발생하여 압력이 상승하여 안정성에 문제가 있다.In addition, in the present invention, the conversion reaction and the polymerization reaction may be performed at a low pressure of about 1 to 20 atm, and preferably at about 10 atm or less. When carried out under vacuum, the yield of the product decreases because the low molecular weight component is distilled off from the reaction system, and when it is carried out at high pressure, a large amount of by-products are generated and the pressure rises, which causes a problem in stability.

또한 본 발명의 방법에서, 전환 반응은 및 중합 반응의 온도는 통상 250℃~450℃ 범위에서 수행된다. 반응 온도가 250℃ 미만이면 폴리카보실란으로 충분한 전환이 일어나지 않으며, 450℃를 초과하면 폴리디메틸실란의 급격한 열분해 반응에 의해 고압이 초래될 수 있다. In addition, in the process of the present invention, the conversion reaction and the temperature of the polymerization reaction are usually carried out in the range of 250 ° C to 450 ° C. If the reaction temperature is less than 250 ° C sufficient conversion to the polycarbosilane does not occur, and if it exceeds 450 ° C high pressure may be caused by the rapid pyrolysis of the polydimethylsilane.

또한 본 발명의 방법에서, 반응 시간은 통상 3~72 시간, 바람직하게는 5~20시간이 다. 반응 시간이 3시간 미만에서는 폴리카보실란으로 충분한 전환이 일어나지 않으며, 72시간을 초과하면 더 이상의 수율 향상을 기대할 수 없다.Also in the process of the invention, the reaction time is usually 3 to 72 hours, preferably 5 to 20 hours. If the reaction time is less than 3 hours, sufficient conversion to polycarbosilane does not occur, and if it exceeds 72 hours, no further yield improvement can be expected.

또한 본 발명의 방법에서, 제올라이트는 폴리디메틸실란의 중량에 대하여 0.1~10 중량%가 사용된다. 0.1 중량% 미만 사용하면 전환되지 않는 폴리카보실란의 비율이 높아 수율이 떨어지며, 10 중량%를 초과하여 사용하여도 더 이상의 수율향상을 기대할 수 없다.In the method of the present invention, the zeolite is used in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the weight of the polydimethylsilane. If the amount is less than 0.1% by weight, the yield of polycarbosilane that is not converted is high, and the yield is lowered. Even when it is used more than 10% by weight, no further improvement of yield can be expected.

이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 SiC 제조 방법은 폴리디메틸실란으로부터 폴리카보실란으로의 전환, 폴리카보실란의 방사 및 폴리카보실란의 열분해의 과정을 거쳐 제조된다.The process for producing SiC of the present invention is prepared through the process of conversion from polydimethylsilane to polycarbosilane, spinning of polycarbosilane and pyrolysis of polycarbosilane.

본 발명의 방법에서 상기 폴리디메틸실란으로부터 폴리카보실란로의 전환은 2단계의 반응을 거치는 것을 특징으로 한다.In the method of the present invention, the conversion from the polydimethylsilane to the polycarbosilane is characterized by a two-step reaction.

도 1은 본 발명의 2단계 반응을 개략적으로 설명하기 위한 예시적인 승온 스케쥴을 도시하고 있다. Figure 1 shows an exemplary heating schedule for schematically illustrating the two step reaction of the present invention.

도 1을 참조하면, 단계 1의 반응은 PDMS로부터 PCS로의 전환 반응을 나타내며, 단계 2의 반응은 얻어진 PCS의 분자량을 증가시키기 위한 중합 반응을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 중합 반응의 중간에는 증류(distillation)가 개재될 수 있다. 본 발명에서 상기 단계 2의 반응 온도는 상기 단계 1의 반응 온도보다 높은 것을 특징으로 한다. 예컨대 상기 단계 1의 반응 온도가 300~400℃이면, 상기 단계 2의 반응 온도는 350~450℃인 것이 좋다.Referring to FIG. 1, the reaction of step 1 represents a conversion reaction from PDMS to PCS, and the reaction of step 2 represents a polymerization reaction for increasing the molecular weight of the obtained PCS. As shown, distillation may be interposed in the middle of the polymerization reaction. In the present invention, the reaction temperature of step 2 is higher than the reaction temperature of step 1. For example, when the reaction temperature of the step 1 is 300 ~ 400 ℃, the reaction temperature of the step 2 is preferably 350 ~ 450 ℃.

실시예Example

폴리디메틸실란의 합성예Synthesis Example of Polydimethylsilane

먼저 10ℓ 용량의 6구 플래스크와 이를 가열할 수 있는 대형 맨틀(mantle)을 준비하였다. 반응 중 증발되는 디메틸클로로실란(dimethyldichlorosilane)과 톨루엔(Toluene)을 효과적으로 응축시키기 위해 40cm 높이에 내부가 이중 코일로 되어있는 대형 응축기 타워를 플래스크 양단에 부착하였다. 질소를 불어넣으며 공기를 차단시킨 글로브 백(glove bag) 안에서 Na 블록 덩어리를 8cm3 이상으로 크게 잘라 3ℓ 톨루엔이 들어있는 반응 플래스크에 넣고 이를 다시 반응 맨틀위에 장착한 후 교반 속도가 조절되는 스터러(stirrer)와 함께 두개의 응축기 타워 설치한 후 vacuum suction 방법으로 1300cc를 담은 dropping funnel을 부착하고 질소를 흘리며 공기가 배제된 분위기를 만들었다. 이때 최종 라인에 설치한 bubbler로부터 버블이 나오는 것을 확인하여 누설 없이 반응기 내부에 양압의 질소압이 유지되도록 하였다. 100 rpm으로 교반하며 반응기의 온도를 120℃까지 올리게 되면 100℃ 이상에서 Na가 녹아 톨루엔에 분산되기 시작한다. 이 때 400 rpm 이상으로 고속 교반을 하여 Na를 수 mm 이하의 작은 액적으로 분산시킨 후 110℃에서 디메틸클로로실란 1300cc를 8시간에 걸쳐 적하하였다. 디메틸클로로실란이 반응기로 적하되는 동안 질소유량보다 더 많은 양의 가스가 버블러(bubbler)를 통해 방출되었으며 반응기의 온도는 ㅁ3도 정도의 변화가 있었다. 디메틸디클로로실란의 적하가 완료되면 동일온도에서 8시간 더 반응하였다. 반응이 끝나면 진보라색의 반응물이 형성되었으며 미반응의 Na과 반응 부산물이 NaCl이 폴리디메틸실란과 함께 존재하였다. 무수메탄올을 이용하여 미반응 Na를 제거하고 진공여과를 통해 톨루엔과 무수메탄올을 진보라색 반응물과 분리하였다. 분리된 반응물은 다시 증류수 4회, 메탄올 3회 그리고 톨루엔 1회 세척을 진행하였다. 매회 세척이 끝나면 진공여과하여 여액을 분리해냈으며 세척과정에서 흰색의 고운 분말상이 세척액과 분리되었으며. 이를 회수하여 다시 하루이상 진공건조하여 폴리디메틸실란 분말을 얻었다.First, a 10 L six-necked flask and a large mantle capable of heating it were prepared. In order to effectively condense dimethyldichlorosilane and toluene evaporated during the reaction, a large condenser tower with a double coil inside at a height of 40 cm was attached to both ends of the flask. In a glove bag which is blown with nitrogen and cut off the air, a large block of Na block is cut into 8 cm3 or more and placed in a reaction flask containing 3 L toluene, which is then mounted on the reaction mantle and the stirring speed is controlled. After the installation of two condenser towers with a stirrer, a dropping funnel containing 1300cc was attached by vacuum suction method, and nitrogen was flowed to create an air-free atmosphere. At this time, it was confirmed that the bubble comes out from the bubbler installed in the final line to maintain a positive pressure of nitrogen inside the reactor without leakage. When the reactor temperature is raised to 120 ° C. while stirring at 100 rpm, Na melts at 100 ° C. or higher and begins to disperse in toluene. At this time, Na was dispersed in small droplets of several mm or less by high-speed stirring at 400 rpm or more, and then 1300 cc of dimethylchlorosilane was added dropwise at 110 ° C. over 8 hours. During the dropping of dimethylchlorosilane into the reactor, more gas than the nitrogen flow rate was released through the bubbler and the temperature of the reactor varied by about 3 degrees. When the dropwise addition of dimethyldichlorosilane was completed, the reaction was further performed at the same temperature for 8 hours. At the end of the reaction, a progressive purple reactant was formed and the unreacted Na and reaction by-products were present with NaCl together with polydimethylsilane. Anhydrous methanol was used to remove unreacted Na, and toluene and anhydrous methanol were separated from the progressive purple reactant by vacuum filtration. The separated reaction was washed again with distilled water 4 times, methanol 3 times and toluene once. After each cleaning, the filtrate was separated by vacuum filtration, and a fine white powdery phase was separated from the washing solution. This was recovered and vacuum dried again for at least one day to obtain a polydimethylsilane powder.

제올라이트 촉매 합성예Zeolite Catalyst Synthesis Example

A. Al-ZSM-5 촉매A. Al-ZSM-5 Catalyst

Si/Al비가 30인 ZSM-5 제올라이트의 제조는 테프론으로 된 반응용기에 1.37g의 수산화 나트륨 (97 중량%)과 5.43 g의 Tetrapropylammonium bromide (98 중량%)와 0.619g의 Na2O . Al2O3 . H2O를 넣고 여기에 126 g의 물을 가하여 1시간 동안 저어서 녹인다. 여기에 12 g의 연무 실리카 (fumed silica) 또는 TEOS를 가하여 12시간 동안 저어준 후 테프론 반응기를 스테인레스 강철로 만든 용기에 넣어 100℃-150℃에서 5일 동안 가열하여 제조하였다. 위에서 얻어진 ZSM-5 제올라이트 고체 생성물은 증류수로 여러 번 세척한 후 100℃ 오븐에서 건조하였다. ZSM-5 제올라이트에 포함된 아민을 제거하기 위하여 550 ℃의 공기 중에서 12시간 동안 소성 하였고, 소성한 ZSM-5 제올라이트는 ZSM-5 제올라이트 1 g당 100 g의 1.0 M의 질산암모늄 수용액에서 12시간 동안 환류한 후에 증류수로 여러 번 세척하고 건조한 다음 500℃의 공기 중에서 4시간 동안 소성 하여 사용하였다.Si / Al ratio of 30 or ZSM-5 zeolite is prepared Tetrapropylammonium bromide in a reaction vessel with Teflon sodium hydroxide (97 wt%) of 1.37g and 5.43 g (98% by weight) and 0.619g of Na 2 O of. Al 2 O 3 . Add H 2 O, add 126 g of water, and stir for 1 hour to dissolve. 12 g of fumed silica or TEOS was added thereto, followed by stirring for 12 hours, and the Teflon reactor was placed in a container made of stainless steel and heated at 100 ° C.-150 ° C. for 5 days. The ZSM-5 zeolite solid product obtained above was washed several times with distilled water and then dried in an oven at 100 ° C. The calcined ZSM-5 zeolite was calcined in air at 550 ° C. for 12 hours to remove amines contained in the ZSM-5 zeolite. After refluxing, the mixture was washed several times with distilled water, dried and calcined in air at 500 ° C. for 4 hours.

B. B-ZSM-5 촉매B. B-ZSM-5 Catalyst

테프론 반응 용기에 수산화나트륨(97%) 1.37g과 Tetrapropylammonium bromide (98 중량%) 5.43g과 H3BO4 0.420g을 넣고, 여기에 물 126g을 첨가하여 1시간 동안 저어서 용해하였다. 그 후 연무 실리카(fumed silica) 12g을 첨가하여 12시간 저어준 후, 상기 테프론 용기를 스테인레스제 용기에 넣고 150℃에서 5일 동안 가열하여 불순물이 함유된 Si/B비 30의 ZSM-5 제올라이트 촉매를 얻었다. 보론을 함유하는 제올라이트 촉매를 증류수로 수회 세척한 후 100℃ 오븐에서 건조하고, 이어서 촉매에 포함되어 Na이온을 제거하기 위하여 촉매 1g당 0.1M 질산암모늄 수용액 100g을 사용하여 12시간 환류하였다. 그 후, 촉매를 증류수로 수회 세척하고, 오븐에서 건조한 다음, 500℃의 공기 중에서 4시간 더 소성하여, 순수한 Si/B비 30의 ZSM-5 제올라이트 촉매를 얻었다. 1.37 g of sodium hydroxide (97%), 5.43 g of Tetrapropylammonium bromide (98% by weight) and 0.420 g of H 3 BO 4 were added to a Teflon reaction vessel, and 126 g of water was added thereto, followed by stirring for 1 hour. Thereafter, 12 g of fumed silica was added thereto, followed by stirring for 12 hours. Then, the Teflon container was placed in a stainless steel container and heated at 150 ° C. for 5 days to carry out a ZSM-5 zeolite catalyst having a Si / B ratio of 30 with impurities. Got. The zeolite catalyst containing boron was washed several times with distilled water, dried in an oven at 100 ° C., and then refluxed for 12 hours using 100 g of 0.1 M aqueous ammonium nitrate solution per 1 g of catalyst to remove Na ions. Thereafter, the catalyst was washed several times with distilled water, dried in an oven, and further calcined in air at 500 ° C. for 4 hours to obtain a pure Si / B ratio 30 ZSM-5 zeolite catalyst.

C. 제올라이트 Y 촉매C. Zeolite Y Catalyst

수산화나트륨(97%) 4.07g과 알루민산나트륨 2.09g을 19.95g의 증류수에 완전히 녹인 후 여기에 규산나트륨 용액 22.72g을 첨가하고 실온에서 하루 숙성하여 seed gel을 얻었다. 이와 별도로, 수산화나트륨(97%) 0.14g과 알루민산나트륨 13.09g을 130.97g의 증류수에 완전히 녹인 후 여기에 규산나트륨 용액 142.43g을 첨가하고 실온에서 하루 숙성하여 feed stock gel을 얻었다. Seed gel 16.50을 feed stock gel에 넣고 잘 혼합한 다음 100℃에서 4일간 가열하여 Si/Al비 2.37의 제올라이트 Y를 얻었다.   4.07 g of sodium hydroxide (97%) and 2.09 g of sodium aluminate were completely dissolved in 19.95 g of distilled water, and 22.72 g of sodium silicate solution was added thereto, and aged at room temperature for one day to obtain a seed gel. Separately, 0.14 g of sodium hydroxide (97%) and 13.09 g of sodium aluminate were completely dissolved in 130.97 g of distilled water, and then 142.43 g of sodium silicate solution was added thereto and aged at room temperature for one day to obtain a feed stock gel. Seed gel 16.50 was added to the feed stock gel, mixed well, and heated at 100 ° C. for 4 days to obtain zeolite Y having a Si / Al ratio of 2.37.

위 방법으로 얻어진 촉매를 증류수로 수회 세척한 후 100℃ 오븐에서 건조하고, 이어서 촉매에 포함되어 있는 Na이온을 제거하기 위하여 촉매 1g당 0.1M 질산암모늄 수용액 100g을 사용하여 12시간 환류하였다. 그 후, 촉매를 증류수로 수회 세척하고, 오븐에서 건조한 다음, 500℃의 공기 중에서 4시간 더 소성하여, 순수한 Si/Al비 2.37의 제올라이트 Y를 얻었다.   The catalyst obtained by the above method was washed several times with distilled water, dried in an oven at 100 ° C., and then refluxed for 12 hours using 100 g of 0.1 M aqueous ammonium nitrate solution per 1 g of catalyst to remove Na ions contained in the catalyst. Thereafter, the catalyst was washed several times with distilled water, dried in an oven, and further calcined in air at 500 ° C. for 4 hours to obtain zeolite Y having a pure Si / Al ratio of 2.37.

D. 제올라이트 A 촉매D. Zeolite A Catalyst

Si/Al비가 1.020인 제올라이트 A는 다음과 같이 제조 하였다. 0.723g의 수산화 나트륨 (97 중량%)을 80ml의 증류수에 녹인 다음 두개의 테프론으로 된 반응용기에 나누어 놓는다. 한쪽의 수산화나트륨 용액에 8.258g의 Sodium Aluminate를 녹이고 다른 한쪽에는 15.48g의 Sodium Metasilicate을 완전히 녹인다음 silicate 용액을 aluminate 용액에 빠르게 부으면 젤이 형성된다. 젤이 풀어 질때까지 완전히 저어준 다음 100℃에서 4일 동안 가열하여 제조하였다.    Zeolite A having a Si / Al ratio of 1.020 was prepared as follows. 0.723 g sodium hydroxide (97% by weight) is dissolved in 80 ml of distilled water and then divided into two Teflon reaction vessels. Dissolve 8.258 g of Sodium Aluminate in one sodium hydroxide solution, completely dissolve 15.48 g of Sodium Metasilicate in the other, and quickly pour the silicate solution into the aluminate solution to form a gel. Stir until the gel is released completely and then prepared by heating at 100 ℃ for 4 days.

위에서 얻어진 제올라이트 A 고체 생성물은 증류수로 여러 번 세척한 후 100℃ 오븐에서 건조하였다. 제올라이트에 포함된 Na 이온을 제거하기 위하여 제올라이트 A 1 g당 100 g의 1.0 M의 질산암모늄 수용액에서 12시간 동안 환류한 후에 증류수로 여러 번 세척하고 건조한 다음 500℃의 공기 중에서 4시간 동안 소성 하여 사용 하였다.   The zeolite A solid product obtained above was washed several times with distilled water and then dried in an oven at 100 ° C. In order to remove Na ions contained in zeolite, the mixture was refluxed in 100 g of 1.0 M aqueous ammonium nitrate solution per 1 g of zeolite A for 12 hours, washed several times with distilled water, dried and calcined in air at 500 ° C. for 4 hours. It was.

폴리카보실란의 합성예 Synthesis Example of Polycarbosilane

폴리디메틸실란과 1%의 제올라이트 촉매를 교반이 가능하고 환류장치가 포함된 고온고압 반응기에 넣고 2단계 공정을 통해 폴리카보실란를 합성하였다. 첫 번째 단계에서는 촉매 공정을 통한 폴리카보실란으로의 전환을 목적으로 반응기 온도를 350℃로 유지하여 10~20시간 반응하였으며, 2단계에서 반응 온도를 400℃로 승온하여 10시간 동안 중합하였다. 위의 과정은 모두 질소 분위기에서 수행되었다. 얻어진 시료를 정제하고 이를 다시 400℃ 질소 분위기에서 5~15시간 동안 재중합하였다. The polydimethylsilane and 1% zeolite catalyst were stirred in a high temperature and high pressure reactor including a reflux device and a polycarbosilane was synthesized through a two step process. In the first step, the reactor was maintained at 350 ° C. for 10 to 20 hours for the purpose of conversion to polycarbosilane through a catalytic process, and in the second step, the reaction temperature was raised to 400 ° C. and polymerized for 10 hours. All of the above processes were carried out in a nitrogen atmosphere. The obtained sample was purified and repolymerized for 5-15 hours in a nitrogen atmosphere at 400 ° C.

이와 같은 전환, 중합, 정제 및 재중합 과정을 통해 분자량이 100이하, 1000~3000, 그리고 10000이상인 샘플 등 다양한 분자량을 갖는 폴리카보실란을 얻을 수 있었다.Through such conversion, polymerization, purification and repolymerization, polycarbosilanes having various molecular weights such as samples having a molecular weight of 100 or less, 1000 to 3000, and 10000 or more were obtained.

아래 표 1에 반응 조건에 따라 얻어진 폴리카보실란 샘플의 평균 분자량 및 수율을 나타내었다.Table 1 below shows the average molecular weight and yield of the polycarbosilane samples obtained according to the reaction conditions.

샘플Sample 반응조건Reaction condition 분자량Molecular Weight 수율(%)yield(%) PCS1PCS1 350℃, 20h350 ℃, 20h 427427 8585 PCS2PCS2 350℃, 20h + 400℃, 10h350 ° C, 20h + 400 ° C, 10h 973973 6060 PCS3PCS3 PCS2의 증류 잔류분Distillation Residue of PCS2 14891489 잔류분 중 고상 분율 : 70 잔류분 중 액상 분율 : 30Solid fraction in residue: 70 Liquid fraction in residue: 30 PCS4PCS4 400℃, 5h(추가 재중합)400 ° C, 5h (additional repolymerization) 46054605 -- PCS5PCS5 400℃, 10h(추가 재중합)400 ° C, 10h (additional repolymerization) 24935(고분자량) 3207(저분자량)24935 (high molecular weight) 3207 (low molecular weight) -- PCS6PCS6 400℃, 15h(추가 재중합)400 ° C, 15h (additional repolymerization) 29090(고분자량) 4460(저분자량)29090 (high molecular weight) 4460 (low molecular weight) --

도 2는 폴리디메틸실란으로부터 폴리카보실란로 전환 과정에서 얻어진 각 시료의 FT-IR 스펙트럼을 도시하는 그래프이다. FIG. 2 is a graph showing the FT-IR spectrum of each sample obtained in the process of conversion from polydimethylsilane to polycarbosilane.

먼저, 도 2의 (a)는 출발 물질로 사용된 폴리디메틸실란의 스펙트럼이다. 736cm-1과 828cm-1에서 Si-CH3 벤딩에 의한 피크와, 1242cm-1에서 Si-CH3 스트레칭에 의한 피크를 관찰할 수 있다.First, Figure 2 (a) is the spectrum of the polydimethylsilane used as the starting material. And the peak due to Si-CH3 bend at 736cm -1 and 828cm -1, the peak can be observed due to the Si-CH3 stretch at 1242cm -1.

도 2의 (b) 및 (c)는 1단계 전환 공정 즉 350℃에서 각각 2시간과 15시간 반응한 후의 IR 스펙트럼으로 폴리카보실란의 전환으로 인한 새로운 결합이 각각 2100cm-1(Si-H)와 1020, 1355cm-1(Si-CH2-Si)에서 나타남을 보여주고 있다. 2 (b) and 2 (c) show a new binding due to the conversion of polycarbosilane to the IR spectrum after 1 hour conversion process, that is, 2 hours and 15 hours of reaction at 350 ° C., respectively, 2100 cm −1 (Si-H) And 1020, 1355 cm -1 (Si-CH2-Si).

도 2의 (d)는 350℃에서 20시간 전환 반응을 거쳐서 폴리카보실란을 제조한 후 이를 400℃에서 10시간 재중합한 후의 IR 스펙트럼이다. 1355cm-1 피크의 강도가 더욱 증가하였음을 알 수 있다. Figure 2 (d) is an IR spectrum after the polycarbosilane was prepared through a conversion reaction at 350 ℃ for 20 hours and then repolymerized at 400 ℃ for 10 hours. It can be seen that the intensity of the 1355 cm −1 peak was further increased.

표 2는 1355cm-1과 1405cm-1 피크의 강도비로부터 계산된 폴리디메틸실란으로부터 폴리카보실란으로의 전환 비율이 나타나 있다.Table 2 shows the conversion ratio of polydimethylsilane to polycarbosilane calculated from the intensity ratios of the 1355 cm −1 and 1405 cm −1 peaks.

샘플Sample 반응 조건Reaction conditions 비율 (1355cm-1/1405cm-1)Rate (1355cm-1 / 1405cm-1) 수율(%)yield(%) 폴리디메틸실란Polydimethylsilane -- -- 폴리실라카보실란Polysilacabosilane 350℃, 2h350 ℃, 2h 0.320.32 25.825.8 폴리카보실란 올리고머Polycarbosilane oligomer 350℃, 15h350 ℃, 15h 0.430.43 34.934.9 폴리카보실란Polycarbosilane 350℃, 20h + 400℃, 10h350 ° C, 20h + 400 ° C, 10h 0.980.98 79.179.1

도 3은 중합 공정을 거치면서 나타나는 분자량 분포의 변화를 GPC로 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 3에서 (a)는 폴리실라카보실란, (b)는 폴리카보실란 올리고머, (c)는 폴리카보실란의 GPC 그래프를 나타낸다.Figure 3 is a graph showing the measurement of the change in molecular weight distribution appearing through the polymerization process by GPC. In FIG. 3, (a) shows a polysilane carbosilane, (b) shows a polycarbosilane oligomer, and (c) shows the GPC graph of polycarbosilane.

도 3을 참조하면, 초기에 형성되는 액상실란은 분자량 분포가 좁은 반면 (a)는 분자량 분포가 넓게 나타난 것으로 보이며, 머무름 시간(Retention time) 26분의 넓은 피크와 27, 27.5분에 샤프한 피크가 나타나고 있다. 27.5분에 나타난 피크는 전환되지 않은 액상실란과 환형실란 등을 포함하는 피크로 보이며, 350℃에서 반응이 진행됨에 따라 그 크기가 감소하고 전반적으로 피크가 왼쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. 반면 왼쪽의 두 피크는 그 크기가 증가하는 것으로 보아 분자량이 증가한 것으로 보이나 평균 분자량 값은 크게 증가하지 않았다. (c)에서는 27.5분에서의 피크가 거의 없어지고 반면 26분에서의 피크가 크게 증가하였으며, 평균 분자량도 크게 증가하였다.Referring to FIG. 3, the initially formed liquid silane has a narrow molecular weight distribution, while (a) appears to have a wide molecular weight distribution, with a broad peak of retention time of 26 minutes and sharp peaks of 27 and 27.5 minutes. Appearing. The peak at 27.5 minutes appears to be a peak including unconverted liquid silane and cyclic silane, and as the reaction proceeds at 350 ° C., the size decreases and the peak generally shifts to the left. On the other hand, the two peaks on the left showed an increase in molecular weight due to the increase in size, but the average molecular weight value did not increase significantly. In (c), the peak at 27.5 minutes was almost disappeared while the peak at 26 minutes was greatly increased, and the average molecular weight was also greatly increased.

이시카와(Ishikawa) 등은 폴리보로다이페닐실록산 촉매를 이용하여 350℃에서 폴리카보실란을 합성하였으며, 반응시간에 따라 평균 분자량이 크게 증가하였고 이 때 수율은 약 65%였다. 그러나, 본 발명의 방법에서는 평균 분자량은 작으며 반응 시간을 길게 해도 그 값의 변화가 크게 증가하지 않았으나 반응 수율은 80% 이상으로 높음을 알 수 있다. 이러한 결과는 제올라이트가 350℃에서 카보실란으로의 전환 공정에 효과적으로 작용하는 것에 의한 것으로 판단된다. 폴리카보실란 중합은 반응온도와 반응시간에 의존하며 또한 저분자량의 분율에 영향을 받는다. 그러므로 폴리카보실란 내의 저분자량 분율을 효과적으로 제거하면 중합속도 역시 가속화될 것으로 보인다.Ishikawa et al. Synthesized polycarbosilane at 350 ° C. using a polyborodiphenylsiloxane catalyst, and the average molecular weight increased significantly with the reaction time. The yield was about 65%. However, in the method of the present invention, the average molecular weight is small, and even if the reaction time is long, the change in the value does not increase significantly, but it can be seen that the reaction yield is high as 80% or more. This result is believed to be due to the zeolite effectively acting on the conversion process to carbosilane at 350 ° C. Polycarbosilane polymerization depends on the reaction temperature and reaction time and is also affected by the low molecular weight fraction. Therefore, the effective removal of low molecular weight fraction in polycarbosilane seems to accelerate the rate of polymerization.

도 4는 400 ℃에서 10시간 중합한 후 이를 250 ℃의 진공이 유지되는 석영 튜브에서 1시간 동안 증류한 후 튜브의 중심에서 떨어진 거리에 따라 시료를 회수하여 GPC 분석을 행한 결과를 나타내는 그래프이다. 튜브 중심에는 노란색 고형분의 폴리카보실란이 남아 있었으며, 평균 분자량이 1450이었고 PDI(다분산도)는 2.6으로 정제전보다 더 작아졌다. 제거된 폴리카보실란은 투명한 액상 또는 점성을 띤 상태의 것이었으며 분자량은 300이하였고 IR 스펙트럼 분석에서 나타난 폴리카보실란의 특성 스펙트럼 등으로부터 이들이 이미 카보실란으로 전환된 저분자량 폴리카보실란과 환상실란인 것을 알 수 있었다.Figure 4 is a graph showing the results of GPC analysis by collecting the sample according to the distance away from the center of the tube after distilling for 1 hour in a quartz tube maintained at 250 ℃ vacuum after polymerization for 10 hours at 400 ℃. There was a yellow solid polycarbosilane at the center of the tube with an average molecular weight of 1450 and a PDI (polydispersity) of 2.6, which was smaller than before purification. The removed polycarbosilanes were transparent liquid or viscous and had a molecular weight of less than 300. These polycarbosilanes were low molecular weight polycarbosilanes and cyclic silanes which had already been converted to carbosilanes from the characteristic spectra of the polycarbosilanes shown in the IR spectral analysis. I could see that.

도 5는 정제된 고형분의 폴리카보실란을 400 ℃에서 5~15시간 동안 재중합하여 얻은 시료에 대한 GPC 그래프이다. 그래프에서 (a)는 350 ℃, 20시간 및 400 ℃ 10시간 반응을 거친 후 250 ℃ 진공상태에서 1시간 증류 한 샘플, (b), (c) 및 (d)는 400 ℃에서 각각 5시간, 10시간 및 15시간 추가적인 재중합을 거친 샘플의 곡선이다. FIG. 5 is a GPC graph of a sample obtained by repolymerizing purified polycarbosilane at 400 ° C. for 5 to 15 hours. In the graph, (a) is a sample distilled at 250 ° C. for 1 hour after reaction at 350 ° C., 20 hours, and 400 ° C. for 10 hours, and (b), (c) and (d) are respectively 5 hours at 400 ° C., Curves of samples after 10 and 15 hours additional repolymerization.

반응 시간이 증가함에 따라 중간 이하의 분자량 피크가 감소하고 10000이상의 고분자량 부분에서 새로운 피크가 나타남을 알 수 있다. 이는 저분자량의 폴리카보실란을 제거한 후 재중합하면 짧은 반응시간 내에 중합이 가속화되기 때문으로 판단된다.It can be seen that as the reaction time increases, the molecular weight peak below the middle decreases and a new peak appears in the high molecular weight portion above 10000. This is because the polymerization is accelerated within a short reaction time when the low molecular weight polycarbosilane is removed and then repolymerized.

도 6은 400 ℃에서 5~15시간 재중합하여 얻은 시료에 대한 열분석 곡선이다. 도 6에서 (a)는 350 ℃ 20시간 및 400 ℃ 10시간 반응하여 얻어진 샘플, (b)는 이 샘플을 250 ℃ 진공상태에서 1시간 증류한 샘플, (c), (d) 및 (e)는 400 ℃에서 각각 5시간, 10시간 및 15시간 추가적인 재중합을 거친 샘플의 곡선을 나타낸다. 이 그래프로부터 중합이 진행됨에 따라 75% 이상으로 수율도 크게 증가함을 알 수 있다. 6 is a thermal analysis curve for a sample obtained by repolymerization at 400 ℃ for 5 to 15 hours. In Figure 6 (a) is a sample obtained by reacting 350 ℃ 20 hours and 400 ℃ 10 hours, (b) is a sample obtained by distilling this sample under vacuum at 250 1 hour, (c), (d) and (e) Shows the curves of the samples which were further repolymerized at 400 ° C. for 5 hours, 10 hours and 15 hours, respectively. From this graph, it can be seen that as the polymerization proceeds, the yield also greatly increases to 75% or more.

반결정형 SiC 섬유 제조예Semicrystalline SiC Fiber Preparation Example

평균 분자량이 1000~3000인 폴리카보실란을 노즐이 한 개인 주사기형 용융 방사기에 장입하고 진공을 유지한 후 용융 방사하였다. 방사된 섬유를 직경 0.5 m 드럼에 권취하여 15 cm로 잘라 회수하였고, 회수된 섬유는 200 ℃ 대기 중에서 4시간 동안 안정화하였다. 안정화 전의 섬유는 약하고 취성이 강해서 부서졌으나 안정화 후에는 유연해지고 강도가 증가하였다.Polycarbosilane having an average molecular weight of 1000 to 3000 was charged to a syringe-type melt spinning machine having one nozzle, and melt-spun after maintaining a vacuum. The spun fibers were wound into a 0.5 m diameter drum, cut to 15 cm, and recovered, and the recovered fibers were stabilized for 4 hours in an atmosphere of 200 ° C. The fibers before stabilization were brittle and brittle, but after stabilization they became pliable and increased in strength.

이와 같이 안정화된 섬유를 아르곤 분위기가 유지되는 알루미나 관상로에서 1200 ℃까지 12시간 동안 승온하여 1시간 유지하여 SiC 섬유로 만든 후 상온에서 회수하였다. 또한, 제조된 SiC 섬유의 일부를 1200 ℃ 대기로에서 산화 처리한 후 미세 구조를 관찰하고, 만능 시험기(Instron model 4024)를 이용하여 30 mm 스팬의 섬유를 0.5 mm/min의 크로스 헤드 스피드로 인장시험하여 섬유의 상온 강도를 측정하였다. The stabilized fibers were heated at 1200 ° C. for 12 hours in an alumina tubular furnace in which argon was maintained, and maintained for 1 hour to make SiC fibers and then recovered at room temperature. In addition, after oxidizing a part of the prepared SiC fibers in an atmosphere of 1200 ℃, the microstructure was observed, and using a universal testing machine (Instron model 4024) tensioning 30 mm span fibers at a crosshead speed of 0.5 mm / min The test was carried out to measure the room temperature strength of the fiber.

도 7은 SiC 섬유의 파단면의 전자현미경 사진 및 그 파단면을 EDS 선 분석(line mapping)한 결과를 도시하는 도면이다. It is a figure which shows the electron micrograph of the fracture surface of a SiC fiber, and the result of EDS line mapping of the fracture surface.

섬유는 파단시 전형적인 세라믹 파괴거동을 나타내었다. 사진으로부터 섬유의 표면이 매끈함을 알 수 있고, 섬유 단면의 직경은 약 20㎛였으며, 섬유의 표면으로부터 섬유의 중심으로 조성의 차이가 발견되었는데, 섬유의 표면부위에서는 산소 농도가 약 20%로 높은 반면 Si 농도는 상대적으로 낮았다. The fiber exhibited a typical ceramic failure behavior at break. It can be seen from the photograph that the surface of the fiber is smooth, and the diameter of the fiber cross section was about 20 µm, and the difference in composition was found from the surface of the fiber to the center of the fiber. Si concentration, on the other hand, was relatively low.

도 8은 SiC 섬유의 XRD 차트이다. 도 8로부터 β-SiC의 특성 피크에서 브로드한 형태로 나타났으며 나노 사이즈의 SiC 입자가 미세하게 분산되었을 것으로 판단된다. SiC 섬유에 대한 상온 인장 강도는 약 1.5~1.8 GPa을 나타내었다.8 is an XRD chart of SiC fibers. 8 shows a broad form at the characteristic peak of β-SiC and it is determined that the nano-size SiC particles are finely dispersed. Room temperature tensile strength for SiC fibers was about 1.5-1.8 GPa.

도 9는 80%N2-20%O2 혼합 가스를 흘리며 SiC 섬유를 10 ℃/min로 1200 ℃까지 승온하여 12시간 동안 산화시켰을 때의 TG 분석결과를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the results of TG analysis when SiC fiber was heated to 1200 ° C. at 10 ° C./min and oxidized for 12 hours while flowing 80% N 2-20% O 2 mixed gas.

도 9를 보면, 승온 후 4시간이 지나면서 무게 증가가 1.5%로 거의 일정해짐을 알 수 있다. 이것은 초기에 SiC 섬유의 표면에서 연속적인 산화막이 형성되기 전까지는 산화의 속도가 빠르고, 약 1시간 가량 산화한 후부터는 SiO2 산화막이 형성된 후 이 막을 통한 확산에 의해 산화가 진행되는데 치밀한 SiO2 막이 산소의 확산속도를 낮추기 때문인 것으로 판단된다.9, it can be seen that after 4 hours of temperature increase, the weight increase becomes almost constant at 1.5%. This is because the rate of oxidation is fast until the continuous oxide film is formed on the surface of SiC fiber at the beginning, and after about 1 hour of oxidation, the SiO2 oxide film is formed and the oxidation proceeds by diffusion through the film. The dense SiO2 film diffuses oxygen. This is because the speed is lowered.

도 10a 및 도 10b는 각각 산화 실험 전후의 SiC 섬유의 표면의 SEM 사진이다. 이 사진으로부터 산화전에는 표면이 매우 매끈함을 알 수 있으며, 산화처리 후에는 표면에 얇은 SiO2층이 형성되었으며, 부분적으로는 SiO2가 α-crystoballite를 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 10A and 10B are SEM photographs of the surfaces of SiC fibers before and after oxidation experiments, respectively. From this photograph, it can be seen that the surface is very smooth before oxidation. After oxidation, a thin SiO 2 layer is formed on the surface, and in part, SiO 2 forms α-crystoballite.

도 11a 및 도 11b는 각각 산화실험 전후 SiC 섬유의 단면 SEM 사진이다. 이 사진으로부터 산화 처리 후 표면에 약 350nm 두께의 산화층이 균일하게 형성됨을 알 수 있다. 또한 산화층은 표면에서 박리되지 않고 섬유표면에 잘 결합되어 있음을 알 수 있다.11A and 11B are cross-sectional SEM photographs of SiC fibers before and after oxidation experiments, respectively. It can be seen from this photograph that an oxide layer having a thickness of about 350 nm is uniformly formed on the surface after the oxidation treatment. In addition, it can be seen that the oxide layer is well bonded to the fiber surface without peeling off from the surface.

도 12는 산화 처리 전후의 SiC 섬유의 인장 강도 측정 결과를 도시하는 그래프이다. 산화처리 후 SiC 섬유의 인장 강도는 약 1.5 GPa을 나타내었으며, 이로부터 산화전에 비해 강도 저하가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. 12 is a graph showing the tensile strength measurement results of SiC fibers before and after oxidation treatment. The tensile strength of the SiC fiber after oxidation was about 1.5 GPa, indicating that the decrease in strength hardly occurs compared to before oxidation.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 첨부된 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the above has been illustrated and described with reference to the preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the appended claims.

본 발명에 따르면, 폴리카보실란의 특정의 제올라이트를 촉매로 사용하여 저압에서 폴리디메틸실란을 폴리카보실란으로 제조한 후 이를 중합하여 용융 방사시 방사성이 우수하여 얻어지는 SiC 섬유의 수율을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 방법에서 폴리카보실란 섬유는 중합 및 재중합에 의해 분자량의 제어가 용이하며, 고분자화에도 불구하고 높은 수율의 SiC 섬유를 얻을 수 있게 한다.According to the present invention, a specific zeolite of polycarbosilane is used as a catalyst to prepare polydimethylsilane as polycarbosilane at low pressure, and then polymerize it to increase the yield of SiC fibers obtained by excellent spinning in melt spinning. . In the process of the present invention, polycarbosilane fibers are easy to control the molecular weight by polymerization and repolymerization, and it is possible to obtain a high yield of SiC fibers despite the polymerization.

또한, 본 발명의 방법에 따르면, 산화처리 전에 비해 산화처리 후의 SiC 섬유의 기계적 강도 저하가 거의 발생하지 않아 종래의 SiC 섬유에 비해 높은 기계적 강도를 갖는 SiC 섬유를 제공할 수 있게 된다.In addition, according to the method of the present invention, it is possible to provide a SiC fiber having a higher mechanical strength than that of a conventional SiC fiber because hardly any decrease in the mechanical strength of the SiC fiber after the oxidation treatment occurs compared to before the oxidation treatment.

Claims (4)

폴리디메틸실란과 제올라이트 촉매를 제1 온도에서 반응시켜 상기 폴리디메틸실란을 폴리카보실란으로 전환하는 단계; Converting the polydimethylsilane to polycarbosilane by reacting the polydimethylsilane and the zeolite catalyst at a first temperature; 상기 폴리카보실란을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 승온하여 중합하는 단계;Heating the polycarbosilane to a second temperature higher than the first temperature to polymerize the polycarbosilane; 증합된 상기 폴리카보실란을 용융 방사하여 폴리카보실란 섬유를 제조하는 단계; Melt spinning the polycarbosilane that is expanded to produce polycarbosilane fibers; 상기 폴리카보실란 섬유를 100~300 ℃ 대기 중에서 안정화하는 단계; 및Stabilizing the polycarbosilane fibers in an atmosphere of 100 to 300 ° C .; And 상기 폴리카보실란 섬유를 1000~1400 ℃에서 열처리하여 부분 결정화 된 SiC 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 SiC 섬유의 제조 방법.Heat treating the polycarbosilane fibers at 1000 to 1400 ° C. to produce SiC fibers partially crystallized. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 온도는 300~400 ℃이고, 상기 제2 온도는 350~450 ℃인 것을 특징으로 하는 SiC 섬유의 제조 방법.Said 1st temperature is 300-400 degreeC, and said 2nd temperature is 350-450 degreeC manufacturing method of SiC fiber. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 중합 단계 다음에 200~300 ℃에서 증류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 섬유의 제조 방법.Method for producing a SiC fiber characterized in that it further comprises the step of distilling at 200 ~ 300 ℃ after the polymerization step. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 증류 단계 다음에 350~450 ℃ 질소 분위기에서 5~20시간 동안 재중합하는 단 계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 섬유의 제조 방법.After the distillation step further comprises the step of repolymerizing for 5 to 20 hours in a 350 ~ 450 ℃ nitrogen atmosphere.
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