научная статья по теме ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИЕ ОРГАНОИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНЫ Химия

Текст научной статьи на тему «ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИЕ ОРГАНОИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНЫ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 3, с. 253-261

УДК 547.256.2'26-001.8+666.3

ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИЕ ОРГАНОИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНЫ

© 2015 г. Г. И. Щербакова, Т. Л. Апухтина, Н. С. Кривцова, М. С. Варфоломеев,

Д. В. Сидоров, П. А. Стороженко

ГНЦ РФ

Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений, Москва e-mail: eos2004@inbox.ru Поступила в редакцию 26.03.2014 г.

Установлено, что органоиттрийоксаналюмоксанам общей формулы [Al(OR)i(OR*)x(OH)zO>,]m • • [(R**0)sY(OH)(Or]b где m/k < 200, свойственна волоконная организация, что позволяет использовать их в качестве прекурсоров тугоплавких волокон на основе оксида алюминия, модифицированного оксидами иттрия, в том числе волокон состава алюмоиттриевого граната Al5Y3Oi2.

DOI: 10.7868/S0002337X15030148

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывные оксидные керамические волокна на основе А1203 обладают высокой термической и химической стабильностью в широком диапазоне температур, а также низким удельным весом, поэтому их применяют в качестве упрочняющих фаз при конструировании композиционных керамических материалов, способных выдерживать высокие температуры в окислительной среде. Однако волокна на основе А1203 склонны к высокотемпературной ползучести (крипу), при введении в них У203 даже в количестве около 1 мас. % последний препятствует зерногра-ничному проскальзыванию, что снижает крип [1-4].

Основные способы получения тугоплавких волокон (У203-А1203) основаны на достаточно сложном с технологической точки зрения золь-гель-методе, так как получение волокон путем переработки расплавов А1203 и У203 затруднено вследствие их высокой температуры плавления: соответственно 2044 и 2410°С [4, 5]. Поэтому весьма перспективно получение предкерамиче-ских волокнообразующих органоиттрийоксана-люмоксанов, из расплава которых можно было бы вытягивать полимерные иттрийсодержащие органоалюмоксановые волокна, последующее отверждение и пиролиз которых приводили бы к образованию керамических оксидных волокон состава кУ203 • тА1203.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Волокнообразующие органоиттрийоксаналю-моксаны формулы:

[А1(0Я),(0Я*)х(0Н)ру]т • [(Я**0)Д(0Н)Д.]ь (1)

где т/к < 200, I + х + 2у + I = 3; ж + г + 2г = 3; Я -С„Н2„ + 1, п = 2-4; Я* - С(СНз)=СНС(0)0С„Н2„ +1; Я** - С(СН3)=СНС(0)СН3, синтезировали в среде органического растворителя (гексан, толуол, этиловый спирт и т.п.) путем взаимодействия хелатированных полиалкоксиалюмоксанов с раствором гидрата ацетилацетоната иттрия {[СН3(0)ССН=С(СН3)0]3У • 2.5Н2О} (концентрация 4.5-5.0 мас. %) в ацетоуксусном эфире при температуре 20-50°С и мольном отношении А1 : У менее 200 с последующей отгонкой растворителей сначала при атмосферном давлении, а затем при пониженном давлении и температуре до 150°С [1].

Содержание иттрия и алюминия в органоит-трийоксаналюмоксанах определяли рентгено-флуоресцентным методом. Содержание углерода и водорода определяли гравиметрическим методом — сжиганием навески образца в токе кислорода. Количество гидроксильных групп определяли газометрическим методом.

Спектры ЯМР 1Н, 13С, 27А1, 17О и ИК-спектры волокнообразующих органоиттрийоксаналюмок-санов аналогичны спектрам ЯМР и ИК органоит-трийоксаналюмоксанов, полученных ранее [6].

Поверхность волокон исследовали с помощью микровизора металлографического, модель цУко-МЕТ-221с увеличением х200 и х500.

Рис. 1. Фотографии сформованных вручную полимерных волокон состава алюмоиттриевого граната из органоиттрий-оксаналюмоксана (образец 7 из табл. 1).

Термогравиметрический анализ (ТГА) полимерных, отвержденных и керамических волокон проводили на приборе TGA/SDTA 851 Mettler Toledo со скоростью 10°С/мин на воздухе, при t = 1100°С.

Фотографии рельефа поверхности алюмоиттри-евых полимерных, отвержденных и керамических волокон, а также их элементного состава получены на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Philips SEM505, оснащенным энергодисперсионным детектором SAPHIRE Si(Li) (тип SEM 10) и системой захвата изображения Micro Capture SEM3.0M (энергодисперсионные спектры (ЭДС)).

Рентгенофазовый анализ (РФА) керамических волокон проводили на вертикальном рентгеновском дифрактометре SHIMADZU XRD-6000 при комнатной температуре в монохроматизирован-ном медном излучении с длиной волны X к = = (2А, к + X к )/3 = 1.54178 Ä. Кристаллические фазы идентифицировали по банку данных ICDD-2003.

Определение характеристических температур — размягчения (t1), волокнообразования (t2) и кап-лепадения (t3) — проводили по методу, разработанному в ГНИИХТЭОС. Твердые органоиттрий-оксаналюмоксаны помещали в грушевидную колбу и нагревали в токе инертного газа от комнатной температуры до 200°С за 20—30 мин. Температуры t1, t2, t3 определяли при помощи термометра и стеклянной палочки, опущенных в массу органоиттрийоксаналюмоксана (при t1 — органо-иттрийоксаналюмоксан становится эластичным, мягким и прилипает к стеклянной палочке; t2 — температура, при которой при энергичном удалении стеклянной палочки из массы органоиттрий-оксаналюмоксана вытягивается длинное тонкое

эластичное волокно; при 13 при подъеме стеклянной палочки органоиттрийоксаналюмоксан стекает с нее в виде капель).

Термообработку полимерных волокон проводили в электропечи сопротивления СНОЛ 12/16 по стадиям: до 500; 1100 и 1600°С. Получены керамические волокна, которые исследовали методами СЭМ и РФА.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Органоиттрийоксаналюмоксаны с мольным отношением А1 : У менее 200 (табл. 1, образцы 1—7) обладают волокнообразующими свойствами (табл. 2), в отличие от синтезированного для сравнения образца 8 (табл. 1 и 2).

В табл. 2 представлены характеристические температуры волокнообразующих органоиттрий-оксаналюмоксанов.

Были сформованы вручную полимерные орга-ноалюмоиттриевые волокна с мольным отношением А1 : У, близким к 1.67 (табл. 1, образец 7) и характерным для состава алюмоиттриевого граната (рис. 1), и органоалюмоиттриевые волокна с мольным отношением А1 : У = 30 (табл. 1, образец 5) (рис. 2). Полимерные волокна из образца 5 (табл. 1) отверждали, а затем термообрабатывали при 500, 1100 и 1500°С. Фотографии СЭМ и элементный состав полимерных, отвержденных и пироли-зованных волокон приведены на рис. 3—7. На поверхности волокон наблюдаются частицы пыли и засоры, вероятно, из-за ручного формования.

Результаты ТГА полимерных, отвержденных и керамических алюмоиттриевых волокон (рис. 8) показывают, что основные потери массы поли-

o'S о ceF К

sag о ^

сл 2 5 5

8 in сл 00 00 сч 8

m сч to ^ СЭ

2 2 2 2 2 m 2 m

2 ^ о о 5 f^ о

m in in m СЧ 4ID

сч ^ m 00 to ,—i о ,—i

О о f^ о СЛ ^

чо о ЧО ^ ^ ^

о о о ЧО c^

о о ^ f^ m

о in '—1 (N f^

сч сч rn 4ID

5 2 сл f^ ^ 5

00 00 in 00 '—i 6

to to to in to to in to

о 2 m ^ СЛ ^

in чо in in ЧО

tt- in О сч ЧО f^

m m

о «

(U

4 о

5

S 3 m

m ce H О

о

C

я

О

¡¡H

C

ce

£ s ft

о

-e «

ce M о <D F S ft s

G S

m

¡¡H

m 40 40

9

ГО

О

m m oc

Я

О

in m

и

ÍH ОС ÍH m

*

CD CD

о о ос

я Я

CD

и и

o\

съ

s о

и

m

о

m

я

rs rs

и

>r 40

m о ó4

CD 4!D

Я

o\

Tt и и

о rs

г

Tt

oc

о

oc

я

m m о

и

>4 S

.4

5

чо

а\

5 5

чо сл

ЧО

чо

2 5

чо о

2

се 1—1

% Ь

оо to

m'

2

^ ci

2

о in

2

5

ЧО

2

00 о

ЧО

to ci m

ЧО

vq Ö

2

tn

ЧО m

О «

<D »g

ce

S

m ce H о о

C

Я О

¡¡н

C

о 00

о

6

о о

2

о

5

5 5

о сл

оо

2

сл

сл

6

5

00

2

о

6

о

6

о

2

о

6

5

5

чо

6

оо

5 2

оо

2

0^8 t№

о

5

m

6

а\ сл

5

о чо

0^8 (N

ft С

О Q

Я

ft с

о о

Я

6

2

сч чо

сл сл

5

се ft vo

O

(а)

(в)

3.4 2.6 1.7 0.9 0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Е, кэВ

Элемент С, мас. % С, ат. %

СК 72.42 78.67

ОК 25.54 20.83

А1К 00.61 00.30

УЬ 01.44 00.21

Рис. 2. СЭМ с ЭДС полимерных алюмоиттриевых волокон состава алюмоиттриевого граната из органоиттрийоксана-люмоксана (образец 7 из табл. 1).

(а)

(б)

5.1

4.0

3.0

2.0

1.0

0.1 мм

отн.ед.

А л

- О

. С ¡и 1 ---— 1 У I ----1---

1 мкм

(в)

Элемент С, мас. % С, ат. %

СК 41.80 52.69

ОК 39.82 37.68

А1К 16.66 09.35

УЬ 01.72 00.29

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Е, кэВ

Рис. 3. СЭМ с ЭДС полимерных алюмоиттриевых волокон из органоиттрийоксаналюмоксана (образец 5 из табл. 1).

(а) (б)

I, отн. ед. 4.3

(в)

А1 1

3.4

2.6

1.7 " О

С С

0.9 1 1 |

1 и, к™— -—1—~

Элемент С, мас. % С, ат. %

СК 36.62 47.36

ОК 43.06 41.76

А1К 18.31 10.52

УХ 02.01 00.36

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Е, кэВ

Рис. 4. СЭМ с ЭДС термообработанных при 500°С алюмоиттриевых волокон из органоиттрийоксаналюмоксана (образец 5 из табл. 1).

Таблица 2. Характеристические температуры волокнообразующих органоиттрийоксаналюмоксанов

Образец ¿2**, °С Область волокнообразования***, °С 5{> 0 *3 , с

1 44 78 78-92 96

2 65 110 110-115 123-126

3 50 66 66-78 114

4 54 71 71-84 Неплавкий

5 76 112 112-156 157-159

6 55 112 112-150 Неплавкий

7 36 79 79-114 118-120

8 Волокнообразующие свойства отсутствуют

* Температура размягчения.

** Температура волокнообразования.

*** Хорошо формуется тонкое непрерывное волокно.

**** Температура плавления.

(а)

(б)

1.5 1.1

0.8 0.4 0

Элемент С, мас. % С, ат. %

СК 11.30 23.08

ОК 31.52 28.60

А1К 51.52 46.75

УЬ 05.66 01.57

У

лА

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Е, кэВ

Рис. 5. СЭМ с ЭДС термообработанных при 1100°С алюмоиттриевых волокон из органоиттрийоксаналюмоксана (образец 5 из табл. 1).

(а) __(б)

' * /

... ; ;

10 мкм 1 мкм

(в)

I, отн. ед. 772

617

463

308

154

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Е, кэВ

Рис. 6. СЭМ с ЭДС термообработанных при 1500°С алюмоиттриевых волокон из органоиттрийоксаналюмоксана (образец 5 из табл. 1).

Элемент С, мас. % С, ат. %

СК 07.56 12.40

ОК 45.61 56.10

А1К 41.65 30.36

УЬ 05.18 01.14

О

С

Е, кэВ

Элемент С, мас. % С, ат. %

СК 04.62 08.07

ОК 35.33 46.32

А1К 58.05 45.13

УХ 02.00 00.47

Рис. 7. СЭМ с ЭДС термообработанных при 1600°С алюмоиттриевых волокон из органоиттрийоксаналюмоксана (образец 5 из табл. 1).

мерных и отвержденных волокон происходят до 500°С, причем керамический выход полимерных волокон составляет 27.6 мас. % (рис. 8, кривая 1), а от

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком