JP3974975B2 - 重合したシラボロカルボアザン、その製造法およびその利用 - Google Patents

重合したシラボロカルボアザン、その製造法およびその利用 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は重合した新規シラボロカルボアザン、その製造法およびその利用に関する。
【0002】
分子的に単一成分の前駆体から多元素から成る非酸化物性のセラミックスを製造する方法は極めて重要になっている。この方法を用いると伝統的な固体反応を経由しては得られない窒化物および炭窒化物(carbonitridic)材料システムを得ることが可能である。生成物は純度が高く、元素の分布が均一で、しかも均一な粒径をもっていることを特徴としている。
【0003】
Si、BおよびN、および可能の場合にはCから成る材料は熱的安定性および酸化耐性に関して特殊な性質を示す。これらの材料は塊状の材料として使用できるが、また被覆用の材料また繊維材料として用いることができる。硼素を含んだ材料は結晶化を遅延させる性質が増加し、他方炭素を含んだセラミックスは炭素を含まないセラミックスに比べ高い分解点をもっている。
【0004】
米国特許5 233 066号に従えば、無定形のセラミックスSi337およびSiBN3Cを前駆体であるトリクロロシリルアミノジクロロボラン(TADB)から合成する反応は、アンモニアおよびアミンと交叉結合させ、次いで気流中で熱分解することにより進行する。製造される硼炭化窒化珪素は優れたセラミックスの性質により特徴付けられている。
【0005】
この方法においては、生成物の組成は一方では単一成分の前駆体により、他方では交叉結合の種類により予め決定される。Si:Bの比は前駆体により1:1に設定されるが、N:C比は交叉結合剤としてメチルアミンを選ぶこと、および熱分解の挙動に依存している。
【0006】
炭素はアミン中の有機側鎖を介してセラミックス中に導入される。しかしこの反応は、現時点では同定できない反応により調節不可能な方法で進行する。この方法の欠点は炭素の濃度が僅かではあるが変動する可能性があることである。何故なら側鎖を長くしても必ずしもセラミックス中に炭素を高い割合で導入することにはならないからであり、材料中にグラファイトが沈積し、これが性質に悪影響を及ぼす。さらに側鎖は揮発性のアルカン、アルケン等の形で除去されるから、熱分解の際に大部分の炭素が失われる。
【0007】
本発明の目的は、簡単且つ高収率で製造でき、またさらにそれからセラミックスの成形品、フィルム等を高収率で製造することができる新規種類の重合したシラボロカルボアザンを提供することである。Si、B、NおよびCだけから成り、且つ上記の欠点をもたない炭窒化物のセラミックスは、これらの重合したシラボロカルボアザンを熱分解することによって製造される。
【0008】
これらの要求は本発明の目的である下記の重合体によって達成される。この重合体は一般構造式
【0009】
【化3】
Figure 0003974975
【0010】
の重合したシラボロカルボアザンである。ここで各Si原子には2個のRと1個のLが配位し、各B原子には1個のRと1個のLが配位し、他方SiとBとは1個のNRを介して連結されている。ここでL=Cxyzであり、x≧1、y≧1、z≧0であり、Rは互いに独立にC1〜C6−アルキル、ビニルまたはフェニル基又はLであり、nは5より大きな値である。
【0011】
本発明の好適な具体化例においては、重したシラボロカルボアザンのSiR2(NR)BR単位は少なくとも1個のL架橋残基の助けにより連鎖または環をつくっている。
【0012】
好適な具体化例においては、本発明の重合体シラボロカルボアザンの中で元素は均一に分布している。特に好適な具体化例においては、元素の分布は少なくとも0.5μmの程度の分解能まで均一である。
【0013】
また本発明によれば、式
【0014】
【化4】
Figure 0003974975
【0015】
のボロシラザン前駆体を、遊離のNH−および/またはCH−官能基を含み、x≧1、y≧1、z≧であるCxyz分子と反応させることにより本発明の重合したシラボロカルボアザンを製造する方法が提供される。上記式においてR1は互いに独立にH、ハロゲン、C1〜C6−アルキル、ビニル、フェニルおよび/または−NR2 2基を表し、ここでR2はH、C1〜C6−アルキル、ビニルまたはフェニル基である。(Me2N)3Si−NH−B(NMe22(TABB)を好適な前駆体として使用することが好ましい。
遊離のNH−および/またはCH−官能基を含むCxyz分子としては次のものが好適である:フォルムアミジン、グアニジン、アミノグアニジン、ジアミノグアニジン、ヒドラジン、メチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ジシアンアミド、トリアゾール、メラミン、アミノアセトニトリル、アミノトリアゾール、シアノグアニジン、ジアミノトリアゾール、アセトアミジン、メチルグアニジン、エチレンジアミン、ジニトリロアミノマロネート、アミノトリアジン、アセチレンおよび/またはプロパルギルアミン。シアンアミド、グアニジン、フォルムアミジン、および/またはメラミンを使用することがことが好ましい。
好適具体化例においては、反応は温度−80〜200℃、好ましくは20℃において、そのままの状態、または非プロトン性の有機溶媒、例えばC5〜C8−アルカン、非環式または環式エーテル、アルキル芳香族化合物、例えばトルエンまたはピリジン、DMFまたはDMSOの中で行われる。反応を非プロトン性の有機溶媒中で行うことがことが好ましい。
使用する混合物中のN−C−H化合物の数および割合は、元素CおよびNに関する所望の化学量論的な関係が生成物に対して設定出来るような任意の値を得るように選ばれる。ボロシラザン前駆体対Cxyz分子の比は好ましくは1:2.5〜1:10、特に1:5である。
【0016】
本発明に従えば、N−C−H化合物を介して交叉結合度および分子量を調節することができる。低濃度においては粘稠な油が得られ、高濃度では固体が得られる。
【0017】
粉末を製造するためには、過剰の交叉結合剤を用いて溶媒を除去し、減圧で重合体を乾燥する。他の通常使用される乾燥法も適している。
【0018】
また本発明によれば、本発明の重合したシラボロカルボアザンを使用し、これを400〜2000℃、好ましくは1500℃において窒素または希ガスを含む不活性雰囲気中で熱分解することによりセラミックス材料を製造する方法が提供される。
【0019】
好適具体化例においては、この重合体を100〜600℃の温度に加熱し、数時間この温度に保ってセラミックス粉末を合成する。次いで窒素またはアルゴン雰囲気中で1200〜1500℃の温度でカ焼して水素を除去する。
【0020】
また本発明によれば、本発明の重合したシラボロカルボアザンを使用し、これを400〜2000℃において希ガス、窒素、アンモニアまたは1級アミンを含む不活性雰囲気中で熱分解することによりセラミックスの成形品、フィルム、繊維、または被膜を製造する方法が提供される。
【0021】
xyz化合物の選択によって重合体のシラボロカルボアザンの性質を調節することができる。N−C−H化合物に依存して不溶性の熱硬化された材料または可溶性の熱可塑性材料が得られ、溶液中でまたは熔融物として種々の成形法、例えば注型、繊維への紡糸、熱加工によるフィルムの製造、浸漬被覆または回転被覆のような種々の被覆法による被膜の製造を行うことができる。
【0022】
下記実施例により本発明を例示する。これらの実施例は本発明を限定するものではない。
【0023】
【実施例】
実施例 1
シアンアミドを使用するポリボロシラザンの製造
Figure 0003974975
実験法:
THF100ml中にシアンアミド2.1g(0.05モル)を含む溶液を沸点に加熱する。これにTHF10mlに溶解したTABB2.7g(0.01モル)を滴下する。さらに1時間沸騰を続ける。重合体が白色固体として沈澱する。過剰のシアンアミドとともにTHFを除去し、沈澱を減圧下で5時間160℃において乾燥する。
【0024】
重合体に対する分析データ:
赤外分光法[cm-1
3340(s,b) νN−H
2193(m),2151(m) νasN=C=N
1639(s),1556(s) δN−H
1498(w),1436(w) νsN=C=N
1323(w) νB−N
1067(m,b) νSi−N
553(m,b)
粉末回折法: 無定形
エネルギー分散X線解析: 均一な重合体
この重合体1.028gを窒素気流中で毎分5Kの割合で200℃まで加熱し、この温度で4時間保持した後5K/分の速度で1500℃に加熱し、この温度に24時間保持して熱分解した。0.218gのビロード状の黒色無定形粉末を得た。これはセラミックスの収率21%に相当する。
【0025】
重合体に対する分析データ:
赤外分光法[cm-1
3443(w,vb) OH−(水から)
1398(m,vb) νB−N
896(m,b) νSi−N
788(w),753(w) δB−N
500(w)
418(w) δSi−N
粉末回折法: 無定形
エネルギー分散X線解析: 少なくとも0.5μmの分解能限界まで元素は均一に分布。
【0026】
熱分解生成物は直径が0.5〜2μmの球状粒子の形をしていた。
【0027】
Figure 0003974975
実施例 2
シアノグアニジンを使用するポリボロシラザンの製造
Figure 0003974975
実験法:
10mlのジメチルエチレングリコールエーテル中にTABB2g(0.0073モル)を含む溶液を、400mlのジメチルエチレングリコールエーテル中に3.9g(0.0041モル)のシアノグアニジンを含む溶液に撹拌しながら室温において滴下する。白色重合体が生じ、これを瀘別し、減圧下で乾燥する。
【0028】
重合体に対する分析データ:
赤外分光法[cm-1
3430(s,b) νN−H
2195(m),2161(m) νCN
1641(m) νC=N
1560(m)、1498(w) δN−H
1321(w)
1258(w) νC−N
1022(w,b) νSi−N
929(w) νSi−N
556(w)
465(w,b) δSi−N
粉末回折法: 無定形
エネルギー分散X線解析: 均一な重合体
この重合体234mgを窒素気流中において5K/分の速度で300℃に加熱し、この温度に4時間保持した後5K/分の速度で1500℃に加熱する。50.6mgの灰色の熱分解生成物が得られた。これはセラミックスの収率21.6%に相当する。
【0029】
実施例 3
フォルムアミジンを使用するポリボロシラザンの製造
Figure 0003974975
実験法:
250mlのジメチルスルフォキシドおよび5mlのクロロフォルム中にフォルムアミジン塩酸塩6.7g(0.083モル)を溶解する。TABB2.7g(0.01モル)をこれに迅速に滴下する。次いで加温する間、最初は白色の、後になって淡い褐色の沈澱が生じる。これを瀘別し、真空中で200℃において乾燥する。
【0030】
重合体に対する分析データ:
赤外分光法[cm-1
3038(s,b) νNH
1710(s) νC=N
1645(m) δNH
1422(m)
1358(m) νC−N
1151(w) νB−N
1064(w) νSi−N
731(w,b)
610(w)
粉末回折法: 無定形
エネルギー分散X線解析: 均一な重合体
この重合体512mgを窒素気流中において5K/分の速度で300℃に加熱し、この温度に4時間保持した後5K/分の速度で1500℃に加熱する。113mgの灰色の熱分解生成物が得られた。これはセラミックスの収率22%に相当する。
【0031】
Figure 0003974975
実施例 4
メラミンを使用するポリボロシラザンの製造
Figure 0003974975
実験法:
250mlのジメチルスルフォキシドおよび25mlのジクロロメタン中にメラミン5.3g(0.042モル)を溶解する。TABB2.7g(0.01モル)をこの溶液に加える。最初は透明であった溶液は加熱すると曇り、褐色の沈澱が生じる。これを瀘別し、真空中で200℃において乾燥する。
【0032】
重合体に対する分析データ:
赤外分光法[cm-1
3420(m) νN−H
1568(s,b) δN−H
1345(s,b) νC−N
812(m) νC−N
467(w,b) νSi−N
粉末回折法: 無定形
エネルギー分散X線解析: 均一な重合体
この重合体832mgを窒素気流中において5K/分の速度で300℃に加熱し、この温度に4時間保持した後5K/分の速度で1500℃に加熱する。258mgの灰色の熱分解生成物が得られた。これはセラミックスの収率31%に相当する。
【0033】
Figure 0003974975
実施例 5
グアニジンを使用するポリボロシラザンの製造
Figure 0003974975
実験法:
ピリジン10ml中に2.7gのTABBを含む溶液を、300mlのピリジン中に4.8g(0.05モル)のグアニジン塩酸塩を含む溶液に沸点において1時間に亙って加える。さらに3時間反応混合物を加熱還流させる。樹脂状の固体が生じる。濾過してこれを溶媒から分離する。これを真空下において乾燥した。
【0034】
重合体に対する分析データ:
赤外分光法[cm-1
3295(s,b) νN−H
2771(m),2440(w) δNH2 +
1648(s) νC=N
1439(m)
1068(m) νSi−N
粉末回折法: 無定形
エネルギー分散X線解析: 均一な重合体
この重合体223mgを窒素気流中において5K/分の速度で300℃に加熱し、この温度に4時間保持した後5K/分の速度で1500℃に加熱する。46.3mgの黒色の熱分解生成物が得られた。これはセラミックスの収率20.8%に相当する。
【0035】
Figure 0003974975
本発明の主な特徴及び態様は次の通りである。
1.一般構造式
【0036】
【化5】
Figure 0003974975
【0037】
但し式中各Si原子には2個のRと1個のLが配位し、各B原子には1個のRと1個のLが配位し、他方SiとBとは1個のNRを介して連結されおり、L=Cxyzであり、ここでx≧1、y≧1、z≧0であり、Rは互いに独立にC1〜C6−アルキル、ビニルまたはフェニル基又はLを表し、nは5より大きい値を有している、
の重合したシラボロカルボアザン。
【0038】
2.元素が均一に分布している上記第1項記載の重合したシラボロカルボアザン。
【0039】
3.0.5μmno分解能まで元素が均一に分布している上記第1または2項記載の重合したシラボロカルボアザン。
【0040】
4.式
【0041】
【化6】
Figure 0003974975
【0042】
但し式中R1は互いに独立にH、ハロゲン、C1〜C6−アルキル、ビニル、フェニルおよび/または−NR2 2基を表し、ここでR2はH、C1〜C6−アルキル、ビニルまたはフェニル基である、
のボロシラザン前駆体を、遊離のNH−および/またはCH−官能基を含み、x≧1、y≧1、z≧であるCxyz分子と反応させる上記1〜3項記載の重合したシラボロカルボアザンの製造法。
【0043】
5.(Me2N)3Si−NH−B(NMe22をボロシラザン前駆体として使用する上記第4項記載の方法。
【0044】
6.遊離のNH−および/またはCH−官能基を含むCxyz分子としてシアンアミド、グアニジン、フォルムアミジン、および/またはメラミンを使用する上記第4項記載の方法。
【0045】
7.上記第1項記載の重合したシラボロカルボアザンからつくられたセラミックス。
【0046】
8.重合したシラボロカルボアザンを窒素または希ガスを含む不活性雰囲気中において400〜2000℃の温度で熱分解させてつくられた上記第7項記載のセラミックス。
【0047】
9.上記第7項記載のセラミックスからつくられた成形品、フィルム、繊維または被膜。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1に従って製造された熱分解生成物の電子顕微鏡写真である。

Claims (7)

  1. 一般構造式
    Figure 0003974975
    但し式中各Si原子には2個のRと1個のLが配位し、各B原子には1個のRと1個のLが配位し、他方SiとBとは1個のNRを介して連結されおり、L=Cxyzであり、ここでx≧1、y≧1、z≧0であり、Rは互いに独立にC1〜C6−アルキル、ビニルまたはフェニル基又はLを表し、nは5より大きい値を有している、
    の重合したシラボロカルボアザン。

  2. Figure 0003974975
    但し式中R1は互いに独立にH、ハロゲン、C1〜C6−アルキル、ビニル、フェニルおよび/または−NR2 2基を表し、ここでR2はH、C1〜C6−アルキル、ビニルまたはフェニル基である、
    のボロシラザン前駆体を、=NHおよび−NH 2 からなる群から選択される遊離のNH−官能基および/または≡CH、=CH 2 、−CH 3 からなる群から選択される遊離のCH−官能基を含み、x≧1、y≧1、z≧1であるCxyz分子と反応させることを特徴とする請求項1記載の重合したシラボロカルボアザンの製造法。
  3. (Me2N)3Si−NH−B(NMe22をボロシラザン前駆体として使用することを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. =NHおよび−NH 2 からなる群から選択される遊離のNH−官能基および/または≡CH、=CH 2 、−CH 3 からなる群から選択される遊離のCH−官能基を含む、X、YおよびZが請求項2に記載の意味を有するxyz分子としてシアンアミド、グアニジン、フォルムアミジン、および/またはメラミンを使用することを特徴とする請求項2記載の方法。
  5. 請求項1記載の重合したシラボロカルボアザンからつくられたセラミックス。
  6. 重合したシラボロカルボアザンを窒素または希ガスを含む不活性雰囲気中において400〜2000℃の温度で熱分解させてつくられた請求項5記載のセラミックス。
  7. 請求項5記載のセラミックスからつくられた成形品、フィルム、繊維または被膜。
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