DE4430820C1 - Herstellung keramischer Materialien über die Hydroborierung von Silylcarbodiimiden - Google Patents
Herstellung keramischer Materialien über die Hydroborierung von SilylcarbodiimidenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her
stellung neuer polymerer Keramikvorstufen im System
Si-B-C-N.
Die Verwendung von Silylcarbodiimiden als Vorstufen zur
pyrolytischen Herstellung von keramischen Materialien im
System Si-C-N ist bekannt (Kienzle et al. Chem. Ber. 126
(1993), 2569-2571). Keramiken im System Si-C-N, die aus
elementorganischen Vorstufen hergestellt wurden, wandeln
sich in einem Temperaturbereich von 1450 bis 1600°C unter
einer Argonatmosphäre zur Stickstoffabspaltung in SiC und C
um. Diese Reaktion führt zu einer Zersetzung sowie zu einer
Erhöhung der Porösität und limitiert daher die Anwendung
dieser Keramiken bei hohen Temperaturen.
Dagegen zeigten thermogravimetrische Messungen von Materialien
im System Si-C-B-N einen Beginn der Zersetzung erst im
Temperaturbereich von 1900°C. Die Herstellung dieser
Keramiken gelingt beispielsweise durch Umsetzung kommerziell
erhältlicher Polysilazane mit Dimethylsulfidboran und
anschließende Pyrolyse. Ein Nachteil dieser Methode besteht
jedoch darin, daß die Keramikprodukte hohe Gehalte an Bor
(ca. 19 Masse-%) oder/und Kohlenstoff aufweisen. Dies führt
zu einer geringen Formbeständigkeit und Oxidationsstabilität.
Einholz und Haubold (Z. Naturforsch. 41b (1986), 1367-1372)
beschreiben die Darstellung von borylierten Carbodiimiden.
Hierzu wird Bis(trimethylsilyl)carbodiimid mit verschieden
substitutierten Borhalogenioden unter Abspaltungg von Trichlormethylsilan
zum entsprechend borylierten Carbodiimid
umgesetzt. Weiterhin wird auch die Umsetzung von 9-Borabi
cyclononan mit Cyanamid im Verhältnis von 2 : 1 untersucht.
Hierbei wird unter Wasserstoffabspaltung nur eine monosub
stituierte Verbindung mit Cyanamidstruktur erhalten. Die
Herstellung von Verbindungen, welche die Elemente Si, C, B
und N enthalten, wird nicht offenbart.
Die Reaktion von Bis(trimethylsilyl)carbodiimid mit Alumi
nium-, Galium- und Indium-Trimethyl wird von Lechler et al.
(J. Organomet. Chem. 359 (1989), 1-12) beschrieben. Es wird
gefunden, daß Trimethylaluminium unter Einschub in die
Carbodiimid-Gruppe reagiert, wobei das monomere Insert
ionsprodukt Dimethylaluminium-N,N′-bis(bistrimethylsilyl)
acetamid entsteht. Galium- und Indium-Trimethyl bilden mit
Bis(trimethylsilyl)carbodiimid destillierbare, flüssige 1 : 1
Addukte. Gerstner und Weidlein (Z. Naturforsch. 33 B
(1978), 24-29) beschreiben die Umsetzung von Dialkylcarbo
diimiden mit Aluminium-, Indium- und Galium-Trialkylen, es
wurden monomere Dialkylmetallverbindungen der Strukturfor
mel R₂M(N₂Me₂CMe) erhalten, wobei M Al, Ga und In bedeutet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereit
stellung neuer Keramikvorstufen im quaternären System
Si-C-B-N und die Herstellung neuer Keramikmaterialien aus
diesen Vorstufen.
Diese Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zur Her
stellung polymerer Keramikvorstufen, welches dadurch ge
kennzeichnet ist, daß man
- (a) ein Silylcarbodiimid mit einem Boran oder einem Boran-Addukt umsetzt,
- (b) flüchtige Bestandteile des Reaktionsgemisches abtrennt und
- (c) eine vernetzte polymere Keramikvorstufe gewinnt, welche die Elemente Si, B, C, N und H enthält.
Es wurde festgestellt, daß bei der Reaktion von Silylcarbo
diimiden mit Boran oder Boran-Addukten eine polymere Kera
mikvorstufe entsteht, die anschließend pyrolytisch in ein
keramisches Material des Systems Si-C-B-N überführt werden
kann. Überraschenderweise besitzt das auf diese Weise
hergestellte neue keramische Material eine bessere Formbe
ständigkeit und Oxidationsstabilität als bekannte kera
mische Materialien des Systems Si-C-B-N.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Herstellung der polymeren Keramikvorstufen ein
monomeres Silylcarbodiimid der Formel (I) verwendet:
R₃Si-N = C = N-SiR₃ (I)
worin R jeweils unabhängig eine C₁-C₃-Alkyl- oder Alkenyl
gruppe bedeutet. Ein Beispiel für eine Verbindung der
Formel (I) ist N,N′-Bis(trimethylsilyl)carbodiimid.
Ein einer weiteren und bevorzugten Ausführungsform ver
wendet man als Ausgangsmaterial zur Herstellung polymerer
Kramikvorstufen ein oligomeres oder polymeres Silylcarbo
diimid der Formel (II):
[R′₂Si-N = C = N-]n (II)
worin R′ jeweils unabhängig H oder eine C₁-C₃-Alkyl- oder
Alkenylgruppe ist und n eine Zahl 4 ist. Beispiele für
Verbindungen der Formel (II) sind [(CH₃)₂Si-N=C=N-]n,
[H(CH₃)Si-N=C=N-)n oder/und [(CH₂=CH)(CH₃)Si-N=C=N-]n.
Die Herstellung von Verbindungen der Formel (II) ist von
Kienzle et al., supra, beschrieben. Hierzu werden Dichlorsi
landerivate etwa Dichlormethylsilan, Dichlordimethylsilan
oder Dichlormethylvinylsilan mit Cyanamid in Tetrahydrofu
ran in Gegenwart von Pyridin als Hilfsbase umgesetzt. Bei
dieser Reaktionsführung werden polymere und oligomere
cyclische Silylcarbodiimide erhalten.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet man als Ausgangsmaterial
zur Herstellung polymerer Keramikvorstufen ein polymeres
Silylcarbodiimid, das durch Reaktion einer Verbindung der
Formel (I), wie oben definiert, mit einem Siliciumhaloge
nid, z. B. Siliciumtetrachlorid in einem organischen Lö
sungsmittel, z. B. Toluol oder THF, und anschließende Ab
trennung flüchtiger Reaktionsprodukte erhältlich ist.
Dieses polymere Silylcarbodiimid besitzt im wesentlichen
die Zusammensetzung Si(N=C=N)₂ und besitzt einen Wasser
stoffgehalt von vorzugsweise 6 Masse-%, besonders bevor
zugt 4,5 Masse-% und am meisten bevorzugt 3 Masse-%.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren setzt man das Silylcarbo
diimid mit einem Boran oder einem Boran-Addukt um. Beispie
le für Borane sind BH₃ bzw. B₂H₆ oder B₅H₉. Vorzugsweise
erfolgt die Umsetzung mit Boran-Addukten. Beispiele der
artiger Verbindungen sind Boran-Sulfid-Addukte, z. B. Boran-Dialkylsulfid-Addukte
wie etwa Dimethylsulfid-Boran, Boran-Ether-Addukte,
z. B. Addukte von Boran mit cyclischen Ethern
wie etwa Tetrahydrofuran-Boran und Boran-Amin-Addukte wie
etwa Pyridin-Boran. Die Verwendung von Boran-Sulfid-Ad
dukten, insbesondere Dimethylsulfid-Boran, oder Boran-Ether-Addukten,
insbesondere Tetrahydrofuran-Boran, ist
besonders bevorzugt.
Die Reaktion wird vorzugsweise in einem organischen Lö
sungsmittel durchgeführt. Beispiele für geeignete orga
nische Lösungsmittel sind aromatische Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel
wie etwa Toluol.
Die Reaktion kann im Bereich von Raumtemperatur bis zur
Rückflußtemperatur des Lösungsmittels durchgeführt werden.
Die Entfernung flüchtiger Bestandteile aus dem Reaktions
gemisch erfolgt nach üblichen Methoden, z. B. durch Destil
lation oder/und Trocknung. Das molare Verhältnis von Bor
atomen zu Carbodiimidgruppen bei der Reaktion ist vorzugs
weise 5 : 1 bis 1 : 5 und besonders bevorzugt 2 : 1 bis 1 : 2.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine
vernetzte polymere Keramikvorstufe, welche durch das erfin
dungsgemäße Verfahren erhältlich ist und die Elemente Si,
B, C, N und H enthält. Diese polymere Keramikvorstufe des
Systems Si-C-B-N unterscheidet sich von bekannten Keramik
vorstufen mit diesen Elementen dadurch, daß die Si-Atome im
wesentlichen über N-C-N-Brücken miteinander verknüpft sind.
Die erfindungsgemäße Keramikvorstufe eignet sich hervor
ragend zur Herstellung keramischer Materialien im System
Si-C-B-N.
Hierzu wird die Keramikvorstufe einer Pyrolysebehandlung
bei erhöhter Temperatur unterzogen. Die Pyrolysebehandlung
wird vorzugsweise durch Erhitzen auf eine Temperatur im
Bereich von 1.000-1.300°C durchgeführt. Die Vorstufe
wird für eine ausreichende Zeit bei dieser Temperatur
gehalten, um eine vollständige Pyrolyse des Ausgangspro
dukts zu erhalten. Die Pyrolysebehandlung wird vorzugsweise
in einer inerten Atmosphäre, z. B. einer Edelgasatmosphäre
durchgeführt.
Das durch die Pyrolyse erhaltene Material weist vorzugs
weise die Zusammensetzung auf:
Si 25-35 Masse-%,
N 23-33 Masse-%,
C 18-30 Masse-%,
B 4-12 Masse-% und
O 8 Masse-%.
N 23-33 Masse-%,
C 18-30 Masse-%,
B 4-12 Masse-% und
O 8 Masse-%.
Besonders bevorzugt ist der Kohlenstoffgehalt 30 Masse-%
und der Borgehalt 10 Masse-%.
Die aus der erfindungsgemäßen Keramikvorstufe hergestellte
keramische Material unterscheidet sich von bekannten, aus
polymeren Vorstufen hergestellten Materialien durch einen
geringeren Gehalt an B und C. Dies führt dazu, daß das
keramische Material besser zu einem Formkörper
verpreßt werden kann und eine höhere Oxidationsstabilität
als bekannte Materialien aufweist.
Die Erfindungg wird weiterhin durch die folgenden Beispiele
erläutert.:
Zur Reaktion wurden 16,4 g (0,088 mol) der Verbindung (1)
in 20 ml Toluol gelöst, bei Raumtemperatur langsam mit 44
ml einer Lösung von 2 mol/l Dimethylsulfidboran in Toluol
(entsprechend 12,1 g; 0,088 mol) umgesetzt und 10 Stundenn
lang unter Rückfluß des Toluols erhitzt. Nach Aufarbeitung
des Ansatzes wurde eine farblose ölige Flüssigkeit erhalten.
Durch weitere destillative Aufarbeitung konnte hieraus
ein Gemisch von oligomeren Verbindungen (8,41 g) isoliert
werden. Als Destillationsrückstand wurde ein bei Raumtemperatur
festes, dunkelgelb gefärbtes Polymer (4,15 g) erhalten.
Die Verbindung (2) wurde nach der aus Kienzle et al. be
kannten Reaktion von Dichlordimethylsilan mit Cyanamid und
Pyridin als Hilfsbase hergestellt. Bezüglich der genauen
Durchführung dieser Reaktion wird auf die Offenbarung bei
Kienzle et al., supra verwiesen.
Zur Reaktion wurden 8,7 g (0,08 mol) der Verbindung (2) in
20 ml Toluol gelöst und bei Raumtemperatur mit 40 ml einer
Lösung von 2 mol/l Dimethylsulfidboran in Toluol (entspre
chend 11 g; 0,08 mol) umgesetzt. Während der Zugabe von
Dimethylsulfidboran konnte keine Erwärmung des Ansatzes
festgestellt werden. Das Gemisch bildete trotz des ver
wendeten hohen Lösungsmittelanteils ein Gel, das nach 24
Stunden Alterung unter scharfer Schrumpfung getrocknet
wurde. Dieses Gel konnte nicht wieder in Lösung gebracht
werden. Das getrocknete gelb gefärbte Gel (9,0 g) war von
hartgummiartiger Konsistenz.
Das polymere Silylcarbodiimid (3) wurde nach Kienzle et
al., supra, aus Dichlormethylvinylsilan und Cyanamid herge
stellt. Bei Umsetzung von 10 g (0,09 mol) der Verbindung
(3) in 20 ml Toluol mit 45,3 ml einer 2 mol/l Lösung von
Dimethylsulfidboran in Toluol (entsprechend 12g; 0,09 mol)
kam es schon nach Zugabe von wenigen Tropfen der Dimethyl
sulfidboran/Toluol-Lösung zu einer Vernetzung des Polymers
unter Gelbildung. Das Gemisch erwärmte sich dabei auf
Temperaturen bis zu 60°C. Auch durch Zugabe von weiteren
Toluol und Erhitzen auf 110°C konnte das Gel nicht wieder
in Lösung gebracht werden. Nach der Trocknung wurden kom
pakte harte, gelbgefärbte Gelbruchstücke (9,8 g) erhalten.
Das durch Umsetzung von (2) mit Dimethylsulfidboran erhal
tene Gel wurde nach dem Trocknen mit einer Aufheizrate von
0,5°C/min unter Argon auf 1200°C erhitzt, bei dieser
Temperatur eine Stunde getempert und anschließend mit
3°C/min abgekühlt. Die ermittelte keramische Ausbeute
betrug 61%. Die durch die Gelbruchstücke vorgegebenen
Formen des Polymers blieben während der Pyrolyse nicht
erhalten. In den einzelnen Gelstücken kam es während der
Pyrolyse zu einer Gasentwicklung.
Die elementaranalytische Untersuchung des keramischen
Materials ergab die in Tabelle 1 aufgeführten Werte. Der
Borgehalt wurde zu 9,3% bestimmt. Dies zeigt, daß durch
Addition von Boranen an die Carbodiimid-Gruppe ein weiterer
Weg zur Darstellung von keramischen Materialien im quater
nären System SiCBN möglich wird.
Aus dem molaren C/Si-Verhältnis der erhaltenen Keramik, das
zu 1,48 ermittelt wurde, läßt sich weiterhin schließen, daß
durch den Einbau von Bor in das Polymer der Kohlenstoff
gehalt gegenüber einer Keramik, die durch Pyrolyse von
unvernetztem (2) erhalten wird, deutlich erniedrigt wird.
Gleichzeitig findet eine deutliche Erhöhung des N-Gehaltes
gegenüber dem C-Gehalt statt. Das molare N/C-Verhältnis
erhöht sich von 0,69 für das aus unvernetztem (1) erhalte
nen keramischen Materials auf 1,24 für das borhaltige
keramische Material. Diese starke Erhöhung des N-Gehaltes
kann auf die unter Ausbildung von B-N-Bindungen ablaufende
Vernetzung des Polymers mit Dimethylsulfidboran zurückge
führt werden. Dies führt dazu, daß N während der Pyrolyse
stärker im Polymer fixiert wird und daher bei der Ausbil
dung des keramischen Netzwerkes in dieses stärker eingebaut
wird als bei der Pyrolyse von unvernetztem (2). Das erhal
tene röntgenamorphe Material läßt sich durch die auf Sili
cium normierte Summenformel Si₁N1,85C1,48B0,74O0,08 ausdrücken.
Das durch Umsetzung von (3) mit Dimethylsulfidboran erhal
tene Gel wurde nach dem Trocknen mit einer Aufheizrate von
1°C/min unter Argon auf 1100°C erhitzt und bei dieser
Temperatur eine Stunde getempert. Die sich anschließende
Abkühlung erfolgte mit 3°C/min. Die ermittelte keramische
Ausbeute betrug 64%. Die durch die Gelbruchstücke vor
gegebene Form des Polymers blieb während der Pyrolyse
erhalten. Elementaranalytische Untersuchungen des kerami
schen Materials ergaben die in Tabelle 1 aufgeführten
Werte. Der Borgehalt wurde zu 6,1% bestimmt.
Aus dem Vergleich der molaren C/Si-Verhältnisse des kerami
schen Materials, das durch Pyrolyse aus einem nicht mit
Boran vernetzten Polymer erhalten wurde, mit dem aus (3)
hergestellten borhaltigen keramischen Material, folgt, daß
hier Kohlenstoff stärker in der Keramik angereichert wird.
Das molare Si/N-Verhältnis erniedrigt sich im borhaltigen
keramischen Material auf 0,54, während sich das molare N/C-Verhältnis
von 0,57 auf 0,84 erhöht. Daraus folgt, daß bei
dem mit Boran vernetzten Polymer Stickstoff während der
Pyrolyse im keramischen Material angereichert wird, was auf
Reaktionen des Carbodiimid-Stickstoffs mit Bor während der
Pyrolyse schließen läßt. Das erhaltene röntgenamorphe
Material läßt sich durch die auf Silicium normierte Summen
formel Si₁N1,85C2,2B0,55O0,3 ausdrücken.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung polymerer Keramikvorstufen,
dadurch gekennzeichnet,
daß man
- (a) ein Silylcarbodiimid mit einem Boran oder einem Boran-Addukt umsetzt,
- (b) flüchtige Bestandteile des Reaktionsgemisches abtrennt und
- (c) eine vernetzte polymere Keramikvorstufe gewinnt, welche die Elemente Si, B, C, N und H enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß man ein monomeres Silylcarbodiimid der Formel (I)
verwendet:
R₃Si-N = C = N-SiR₃ (I)worin R jeweils unabhängig eine C₁-C₃-Alkyl- oder Al
kenylgruppe bedeutet.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß man als Verbindung der Formel (I) N,N′-Bis(trime
thylsilyl)carbodiimid verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß man ein oligomeres oder polymeres Silylcarbodiimid
der Formel (II) verwendet:
[R′₂Si-N = C = N-]n (II)worin R′ jeweils unabhängig von H oder eine C₁-C₃-Al
kyl- oder Alkenylgruppe ist und n eine Zahl 4 ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß man als Verbindung der Formel (II)
[(CH₃)₂Si-N=C=N-)n, [H(CH₃)Si-N=C=N-)n oder/und
[(CH₂=CH)(CH₃)Si-N=C=N-]n verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß man ein polymeres Silylcarbodiimid verwendet, das
im wesentlichen die Zusammensetzung Si(N=C=N)₂ auf
weist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß man ein Boran-Addukt verwendet, das aus Boran-Sul
fid-Addukten, Boran-Ether-Addukten und Boran-Amin-Addukten
ausgewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß man als Boran-Addukt Dimethylsulfid-Boran oder
Tetrahydrofuran-Boran verwendet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Reaktion in einem organischen Lösungsmit
tel durchführt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Reaktion in einem aromatischen Kohlenwas
serstoff-Lösungsmittel durchführt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das molare Verhältnis von Boratomen zu Carbo
diimidgruppen im Bereich von 5 : 1 bis 1 : 5 ist.
12. Vernetzte polymere Keramikvorstufe erhältlich durch
ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wel
che die Elemente Si, B, C, N und H enthält.
13. Keramikvorstufe nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Si-Atome im wesentlichen über -N-C-N-Brücken
miteinander verknüpft sind.
14. Verwendung einer Keramikvorstufe nach Anspruch 12
oder 13 zur Herstellung keramischer Materialien,
welche die Elemente Si, B, C und N sowie gegebenen
falls O enthalten.
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