[发明专利]一种基于溶剂热反应的均相碳硅有机先驱粉体及其应用

说明书

技术领域

本发明属于均相碳硅有机先驱粉体的制备技术领域，具体地说为一种基于溶剂热反应的均相碳硅有机先驱粉体及其应用。

背景技术

碳化硅（SiC）具有导热性好、化学稳定性和抗热震性高等优点,而且能够在高温、强腐蚀性环境下使用,因此是化学反应中催化剂载体的理想材料。在诸多碳化硅制备方法当中，溶胶-凝胶结合碳热还原法由于具有合成温度低、元素原子分子级别均匀混合、产品纯度高等优点，受到工业界和科研人员的广泛关注。

在常见的溶胶-凝胶合成碳硅有机先驱粉体的方法中，采用的硅源主要有硅酸乙酯（TEOS）、硅胶和水玻璃等，而采用的碳源主要有酚醛树脂、呋喃树脂、糠醇（醛）树脂、炭黑和蔗糖等。其中，由于正硅酸乙酯和酚醛树脂纯度较高，可以保证SiC产品的纯度，因此是制备高品质SiC常用的原料。然而，由于热固性酚醛树脂与水解后的硅酸乙酯之间较低的溶混性，二者直接混合会导致明显的分相现象，无法得到均相先驱粉体。而获得均相碳硅有机先驱粉体是利用碳热还原反应制备粒度均一、产品形貌可控的SiC超细粉体的前提和关键。日本研究人员最早采用低粘度水溶性酚醛树脂，在催化剂甲苯磺酸作用下与硅酸乙酯进行聚合，得到了纳米级的均相碳硅有机先驱体，并成功通过碳热还原反应制备得到了SiC超细粉体。我国科研人员采用草酸、柠檬酸和六次甲基四胺作为催化剂，采用溶胶-凝胶工艺也获得了混合均匀的碳硅有机先驱体。

然而，上述制备均相碳硅有机先驱体的方法始终存在水解过程繁杂（如需要调节溶液pH值等），溶胶-凝胶时间长，干凝胶存在不易破碎等问题。因此，发展一种简易的制备均相碳硅有机先驱粉体的方法是十分必要的。

发明内容

针对硅酸乙酯与酚醛树脂直接混合时容易分相，以及溶胶-凝胶工艺复杂等缺点，本发明的目的在于提供一种基于溶剂热反应的均相碳硅有机先驱粉体，并将其用于SiC、SiO₂以及多孔碳粉的制备。

本发明的技术方案是：

一种基于溶剂热反应的均相碳硅有机先驱粉体，按照如下的步骤和工艺制备：

1）配制正硅酸乙酯溶液

将正硅酸乙酯按比例溶于有机溶剂中，同时加入适量乙酸，其中，正硅酸乙酯:有机溶剂:乙酸＝（5~50）g:50ml:（2~50）ml，搅拌均匀，作为溶液A；

2）配制酚醛树脂溶液

将酚醛树脂按比例溶于有机溶剂中，酚醛树脂:有机溶剂=（5~50）g:50ml，搅拌均匀，作为溶液B；

3）聚合反应

在搅拌条件下，将溶液A缓慢加入溶液B，按质量比计，正硅酸乙酯:酚醛树脂=（1~3）:（1~3），待溶液澄清后将其转移到带有聚四氟乙烯衬套的反应釜中，密封后在100~250℃自生压力下原位溶剂热聚合反应4～10小时，得到淡黄色聚合物；

4）干燥和研磨

将步骤3）中所得到的淡黄色聚合物直接放入干燥箱中于50~120℃烘干，再用玛瑙钵研磨5~10分钟，得到松软蓬松的淡黄色碳硅有机先驱粉体。所制备的碳硅有机先驱粉体粒度均匀，粒径一般为2~50nm。

本发明中，采用乙酸作为正硅酸乙酯的水解抑制剂，其纯度≥99.5wt%。

本发明中，步骤1）和2）中的有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、乙二醇或丙酮中的一种或两种以上组合，其纯度均≥95wt%。

本发明中，所使用的正硅酸乙酯为分析纯，其纯度以SiO₂计≥28.4wt%。

本发明中，酚醛树脂为液态氨酚醛树脂或其它醇溶性酚醛树脂。

本发明中，均相碳硅有机先驱粉体可用于制备SiC粉体、纳米SiO₂粉体以及多孔碳粉。

将均相碳硅有机先驱粉体用于制备SiC粉体的方法为：采用碳热还原方法制备SiC粉体，首先将均相碳硅有机先驱粉体在700~1000℃碳化1~3小时，然后进行碳热还原反应，将盛有均相碳硅有机先驱粉体的坩埚放入氧化铝管式炉中，在高纯氮气或惰性气体（纯度≥99.99%）保护下，以1~5℃/min的升温速率升温至1200~1700℃，保温1~5小时后，随炉冷却至室温，然后再在空气气氛下于600~800℃煅烧1~5小时以去除残余碳。所得到的SiC粉体粒度均匀，形貌均一，粒径一般为20~500nm。