溶胶凝胶法制备Si-O-C纤维的研究

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Si-O-C陶瓷(SiOxCy)是介于SiO2和SiC之间的中间形态,同时具备氧化物和非氧化物的一些特性,近年来受到很大关注。然而由于制备工艺难度大,对Si-O-C陶瓷纤维的研究非常有限。  本论文以乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)、正硅酸乙酯(TEOS)和苯基三甲氧基硅烷(PTMS)为原料,聚乙烯吡咯酮烷(PVP)为纺丝助剂,采用溶胶凝胶法合成出具有良好纺丝性的聚硅氧烷溶胶。通过干法纺丝制得凝胶纤维,在1000℃热解后获得Si-O-C陶瓷纤维。研究了H2O与多烷氧基硅烷比例对纺丝液的纺丝性和稳定性的影响。发现,在水∶硅醇盐=3∶1的情况下得到具有最佳纺丝性的纺丝液,该纺丝液在室温下密封保存15天后,仍然保持良好的纺丝性。  通过调整原料中TEOS、PTMS、VTMS三者的比例可以调节陶瓷纤维的含碳量,在VTMS中添加PTMS可以提高碳含量,而TEOS降低碳含量。X射线衍射表明,纤维在1000℃热解后是无定型态的Si-O-C陶瓷,扫描电镜观察下纤维的断口、表面均呈现致密、均匀的无定型材料形貌。29Si-NMR分析表明纤维中Si原子的主要结构为SiO4和SiCO3。拉曼光谱的结果表明纤维中有部分碳以自由碳的形式存在。对在600℃空气中热处理1h的样品进行元素分析和形貌对比发现,随着碳含量的增加以及自由碳的碳畴尺寸增大,纤维的抗氧化性下降。组分为TEOS25wt%-VTMS75wt%的样品具有最佳的抗氧化性,在600℃空气中保温1h后,成分和形貌都没有发生明显改变。  对热交联和紫外交联两种不同工艺路线制得的纤维对比发现,紫外交联过程中打开了C=C双键,使纤维的碳含量下降,自由碳尺寸下降,抗氧化性增强。热交联过程中由于C=C双键没有受到影响,因此纤维中碳含量更高,自由碳的碳畴尺寸更大,抗氧化性能较低。
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