聚鋁硅氮烷的合成、紡絲及陶瓷化性能研究

李海龍 陳建軍

（浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)陶瓷材料與纖維研究所，杭州 310018）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天、軍事兵器等高新領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芴岢隽烁叩囊螅?-3］。Si3N4纖維不僅具有高強(qiáng)度、高模量和低密度等特性，而且在耐高溫、耐腐蝕和抗氧化等方面也有著優(yōu)異的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景［4-6］。目前制備Si3N4纖維主要采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，此方法最早是由YAJIMA等［7-9］提出用于制備連續(xù)的SiC 纖維。研究發(fā)現(xiàn)，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法具有先驅(qū)體合成所需溫度低、分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、陶瓷產(chǎn)率高等優(yōu)勢(shì)，可以制備高性能的SiC纖維［10-12］，因而也逐漸應(yīng)用于Si3N4纖維的制備。美國(guó)道康寧公司［13］、法國(guó)Domaine 大學(xué)［14］、日本東亞燃料公司［15］，以及國(guó)內(nèi)廈門(mén)大學(xué)［16］和國(guó)防科技大學(xué)［17］等均采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，通過(guò)制備先驅(qū)體、熔融紡絲、不熔化處理、高溫陶瓷化等工藝獲得了性能優(yōu)異的Si3N4纖維。

隨著Si3N4纖維應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，為了滿(mǎn)足Si3N4纖維在更耐高溫、抗氧化以及應(yīng)用于一些特殊環(huán)境的需求，研究者們逐漸開(kāi)始對(duì)先驅(qū)體PSZ 進(jìn)行物理和化學(xué)改性，通過(guò)引入B、Al、Fe、Zr、Ti、Co 等異質(zhì)元素制備具有不同特殊性能的Si3N4纖維［18-21］。例如Fe、Co 的引入可以提高Si3N4纖維的電導(dǎo)率，并使其具有磁性；B 的引入提高Si3N4纖維的吸波性；Al 的引入也受到研究者的關(guān)注，研究表明纖維中含有微量的鋁元素具有極好的高溫穩(wěn)定性。KISHI 等［22］針對(duì)陶瓷的不均勻性使用Al（Oi-Pr）3為鋁源在燒結(jié)體中獲得了更好的均質(zhì)性。SALAMEH 等［23］通過(guò)二甲基乙胺鋁烷絡(luò)合物與聚硅氮烷反應(yīng)合成一系列聚鋁硅氮烷，并研究了其高溫?zé)峤庑袨楹臀⒂^結(jié)構(gòu)的演變。FUNAYAMA 等［24］使用全氫聚硅氮烷與二異丙醇鋁合成聚鋁硅氮烷，并經(jīng)高溫裂解得到非晶相陶瓷，發(fā)現(xiàn)鋁的存在可以抑制熱解過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大。李松等［25］使用聚甲基乙烯基硅氮烷與異丙醇鋁在不同溫度下合成了聚鋁硅氮烷，研究了合成溫度對(duì)聚鋁硅氮烷陶瓷化過(guò)程和陶瓷產(chǎn)率的影響。李耀等［26］通過(guò)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備聚鋁硅氮烷前驅(qū)體，并裂解陶瓷化得到SiAlCN納米多孔陶瓷。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于SiC和Si3N4纖維的制備工藝已有很多報(bào)道，對(duì)PASZ 的制備和陶瓷化也有新的進(jìn)展，然而關(guān)于PASZ紡絲性能及含鋁Si3N4纖維研究的報(bào)道較少。區(qū)別于上述文獻(xiàn)報(bào)道的含鋁化合物直接改性聚硅氮烷高聚物，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自制的聚硅氮烷液態(tài)低聚物與乙酰丙酮鋁反應(yīng)合成紡絲性能優(yōu)異的PASZ，經(jīng)熔融紡絲、空氣預(yù)氧化不熔化處理、高溫裂解制備得到SiAlCN（O）纖維，并對(duì)PASZ 及SiAlCN（O）纖維的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行初步分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

聚硅氮烷（PSZ）液態(tài)低聚物由實(shí)驗(yàn)室通過(guò)甲基二氯硅烷和二甲基二氯硅烷氨解制備得到的，呈透明液體狀［27］。乙酰丙酮鋁（Al（AcAc）3）購(gòu)買(mǎi)于上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 含鋁氮化硅纖維的制備

使用不同比例的PSZ 液態(tài)低聚物與Al（AcAc）3在380 ℃下熱聚合6 h 制備出一系列聚鋁氮硅烷PASZ-X（X 為Al（AcAc）3占PSZ 低聚物的質(zhì)量百分比），分別記為PASZ-0.1、PASZ-0.2、PASZ-0.3、PASZ-0.5、PASZ-1，熱聚合反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。

圖1 聚鋁硅氮烷的制備反應(yīng)機(jī)理Fig.1 The reaction mechanism of the preparation of polyaluminosilazane

將得到的PASZ采用如圖2所示的自制紡絲機(jī)進(jìn)行熔融紡絲，紡絲溫度為230 ℃，氮?dú)饬魉贋?5 mL/min，纖維收卷速度為300 r/min。紡制的PASZ 原纖維置于烘箱240 ℃進(jìn)行空氣氧化交聯(lián)8 h，得到PASZ交聯(lián)絲。然后在管式爐中，將PASZ 交聯(lián)絲在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下分別于600、1 300、1 400 ℃燒制2 h 得到一系列SiAlCN（O）纖維。

圖2 自制熔融紡絲機(jī)裝置示意圖Fig.2 Schematic of the homemade melt-spinning setup

1.3 樣品表征

采用Waters 2690 D 型凝膠滲透色譜儀測(cè)定PASZ 的分子量及分子分布。采用WRS-1A 數(shù)字熔點(diǎn)測(cè)試儀測(cè)定PASZ 的軟化點(diǎn)。采用Nicolet-360 型紅外光譜儀分析PASZ 結(jié)構(gòu)。采用MCR 301 流變儀測(cè)定PASZ 復(fù)表觀黏度、損耗模量與儲(chǔ)存模量等相關(guān)性能。采用CM 857 金相顯微鏡和Vltra 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)PASZ 纖維、不熔化處理纖維及SiAlCN（O）纖維進(jìn)行形貌觀測(cè)。采用DX-2700BH 型X 射線(xiàn)衍射儀對(duì)制備的SiAlCN（O）纖維進(jìn)行物相分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PASZ的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)組成及紡絲性能分析

2.1.1 PASZ-X先驅(qū)體分子量及分子分布

熱聚合制備的PASZ-X 為無(wú)色透明的脆性固體，通過(guò)GPC 測(cè)得分子量及分子分布如表1 所示。從表中可以看出，PASZ-X 的分子量均符合Mz＞Mw＞Mn，PSZ 的分子量最小。當(dāng)引入Al 元素后，分子量驟增，這是由于Al 元素的引入可以使聚合程度增大。且Mw（PASZ-0.5）＞Mw（PASZ-0.3）＞Mw（PASZ-0.1），PASZ-1的分子量低可能是因?yàn)橐氲腁l含量過(guò)多，導(dǎo)致交聯(lián)過(guò)度，溶解性差，其大分子量部分無(wú)法溶于四氫呋喃，因此測(cè)得的分子量偏低。從分子量的分散系數(shù)看，Al元素的引入會(huì)影響分子量分布寬度，相比PSZ 明顯增大，說(shuō)明了引入Al 會(huì)使分子量分布不均，這也是PASZ 的紡絲性能比PSZ 差的主要原因。PASZ-0.2 的分子量略低于PASZ-0.1 是由于其分散系數(shù)相對(duì)較低，因此同系物的種類(lèi)較少，分子量分布均勻，較易于紡絲。

表1 PSZ及PASZ的分子量及分子分布Tab.1 Molecular weight and molecular weight distribution of PAZ and PASZ

2.1.2 PASZ-X的組成及結(jié)構(gòu)分析

PASZ-X的紅外光譜分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 PASZ的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectrum of PASZ

圖中3 402 cm-1處對(duì)應(yīng)N—H鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；2 962 cm-1和1 267 cm-1處為Si—CH3鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；2 126 cm-1處為Si—H 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 412 cm-1處對(duì)應(yīng)Si—O鍵的振動(dòng)吸收峰；1 149 cm-1處為Si—N鍵的振動(dòng)吸收峰。從圖中可看出，這5種先驅(qū)體峰的種類(lèi)及位置基本相同，峰強(qiáng)略有差異。PASZ-0.2、PASZ-0.3、PASZ-0.5、PASZ-1的SiCH3鍵、Si—H鍵的峰強(qiáng)明顯低于PASZ-0.1，這表明PASZ的合成會(huì)消耗SiCH3鍵和Si—H鍵，與上述機(jī)理一致，但當(dāng)含量超過(guò)0.2%后，沒(méi)有明顯變化。結(jié)合上述2.1.1的GPC分析結(jié)果，認(rèn)為PASZ-0.2、PASZ-0.3、PASZ-0.5聚合程度更高，選取PASZ-0.2進(jìn)行下一步研究。

2.1.3 PASZ-0.2的動(dòng)態(tài)流變分析

通過(guò)熔點(diǎn)儀測(cè)試PASZ-0.2 的軟化點(diǎn)為200 ℃，完全融化時(shí)溫度為230 ℃。因此，對(duì)PASZ-0.2 進(jìn)行動(dòng)態(tài)流變分析的測(cè)試條件為230 ℃，在測(cè)試應(yīng)變振幅10% 的情況下，通過(guò)改變測(cè)試振蕩頻率（1～102rad/s），得到儲(chǔ)能模量、損耗模量及復(fù)表觀黏度隨振蕩頻率的變化曲線(xiàn)如圖4所示。由圖可知，隨測(cè)試角頻率的增大，PASZ-0.2 的復(fù)表觀黏度η*隨之減小，表現(xiàn)為剪切變稀。且其動(dòng)態(tài)損耗模量G″與動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量G'均隨測(cè)試角頻率的增加而增大，表明所制備的PASZ-0.2 先驅(qū)體在熔融狀態(tài)下具有良好的紡絲性，并確定熔融紡絲溫度為230 ℃。

圖4 PASZ-0.2的G'，G″和η*的頻率譜Fig.4 Frequency spectrum of G'，G″和η*of PASZ-0.2

2.1.4 PASZ-0.2的紡絲與不熔化處理

PASZ-0.2經(jīng)熔融紡絲得到的纖維原絲數(shù)碼照如圖5（a）所示，金相顯微形貌如圖5（b）所示，可以看出纖維柔軟可收卷，表面光滑，纖維直徑通常為20～70 μm。

圖5 連續(xù)PASZ-0.2纖維原絲圖Fig.5 Images of continuous PASZ-0.2 fiber precursor

對(duì)紡出的纖維進(jìn)行不熔化處理，設(shè)置不熔化溫度為200、210、220、230、240、250 ℃，每個(gè)溫度段處理時(shí)間為0.5 h，圖6 為金相顯微鏡觀察的每個(gè)溫度段處理后的纖維表觀形貌。從圖6 中可看出，纖維在240 ℃及之前，纖維形貌基本沒(méi)有發(fā)生變化，纖維與纖維之間交聯(lián)點(diǎn)清晰，無(wú)熔并現(xiàn)象發(fā)生。隨著溫度的升高，250 ℃時(shí)纖維的交聯(lián)點(diǎn)處開(kāi)始熔融，表明纖維過(guò)熱，因此確定后續(xù)的不熔化處理溫度為240 ℃。而處理溫度高于熔融紡絲溫度，則是因?yàn)锳l 元素的引入在加熱條件下有利于PASZ 的進(jìn)一步聚合，從而也縮短了交聯(lián)所需要的時(shí)間。

圖6 不同溫度下不熔化處理0.5 h后的纖維表觀形貌Fig.6 Apparent morphology of fibers after curing for 0.5 h at different temperatures

2.2 SiAlCN（O）纖維的形貌和相結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 纖維的形貌分析

SiAlCN（O）纖維為脆性纖維，圖7 分別是600、1 300、1 400 ℃下燒制的纖維表面SEM 圖，從圖7 可看出，SiAlCN（O）纖維表面光滑平坦，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋、溝槽等表面缺陷。在600、1 300 ℃燒制的SiAlCN（O）纖維截面出現(xiàn)中空現(xiàn)象，這是由于在不熔化處理過(guò)程中，PASZ 纖維與氧交聯(lián)主要發(fā)生在纖維表面，導(dǎo)致纖維表層分子量高形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，而纖維內(nèi)部交聯(lián)度低，甚至未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，所以在溫度高于飽和蒸汽壓后，內(nèi)部未交聯(lián)的部分發(fā)生分解，從而形成中空。而1 400 ℃的纖維呈現(xiàn)表面致密內(nèi)部疏松的皮芯結(jié)構(gòu)，則可能是高溫下SiCxOy相分解，在芯中留下殘余的碳，阻礙了晶粒的連接，從而形成納米級(jí)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。圖8 是1 300 ℃下燒制的連續(xù)SiAlCN（O）纖維數(shù)碼圖，表明PASZ 交聯(lián)絲經(jīng)高溫裂解后可以實(shí)現(xiàn)SiAlCN（O）纖維的成卷制備。

圖7 SiAlCN（O）纖維不同溫度下的SEM圖Fig.7 SEM images of SiAlCN（O）fiber at different temperatures

圖8 1 300 ℃燒制的SiAlCN（O）纖維數(shù)碼圖Fig.8 Digital image of SiAlCN（O）fiber fired at 1 300 ℃

2.2.2 纖維的物相分析

經(jīng)600、1 300、1 400 ℃裂解的纖維XRD 圖譜如圖9所示，在15°～30°均出現(xiàn)一個(gè)寬的衍射峰，屬于無(wú)定形SiO2相的特征峰，這是由于纖維氧熱交聯(lián)過(guò)程中形成的Si—O 結(jié)構(gòu)在高溫下裂解形成的。除此之外，未發(fā)現(xiàn)其他沒(méi)有明顯的結(jié)晶峰，表明煅燒的樣品都為無(wú)定形態(tài)。結(jié)合1 400 ℃燒制的氮化硅纖維應(yīng)有α-Si3N4結(jié)晶相產(chǎn)生，表明鋁的存在可以在高溫裂解時(shí)有效地抑制其結(jié)晶行為。

圖9 不同溫度煅燒后SiAlCN（O）纖維的XRD圖Fig.9 XRD patterns of SiAlCN（O）fibers calcined at different temperatures

3 結(jié)論

（1）聚鋁硅氮烷PASZ-0.2 具有較低的分子量、分散系數(shù)和良好的紡絲性能。經(jīng)熔融紡絲后的PASZ-0.2 原纖維表面光滑，直徑為20～70 μm，連續(xù)紡絲長(zhǎng)度可達(dá)3 km。

（2）PASZ-0.2 纖維空氣氧熱不熔化處理的最佳溫度為240 ℃，經(jīng)交聯(lián)固化后的纖維在高溫裂解后可以維持纖維形貌。

（3）制得的SiAlCN（O）纖維為無(wú)定形的含鋁Si3N4纖維，纖維表面光滑平坦，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和溝槽等明顯缺陷，而截面出現(xiàn)了部分中空和皮芯結(jié)構(gòu)。