基于有机先驱体的硅氧类陶瓷的制备与性质研究

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以有机聚合物为先驱体制得的硅氧类陶瓷自身拥有稳定的结构,赋予了其众多优异的性能。人们为了改善陶瓷的性质,将其他元素引入到陶瓷中形成复合陶瓷以增加其物理化学性质并拓宽其应用领域。本文使用有机先驱体转化的方法,以有机光敏树脂为原材料,以直接光固化的方式,并利用3D打印技术,结合高温热解等手段分别制备出了含有B、Ti、Cu元素的硅氧类陶瓷并对陶瓷的性质加以了探究。以硼酸作为硼源,与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)反应得到含B的有机先驱体溶液,在紫外光下固化后,进一步热解得到SiBCO陶瓷。通过表征可知SiBCO陶瓷为非晶结构,含有部分游离碳,内部化学键包括Si-O-Si,Si-O-B,Si-C。当硼酸与KH-570的摩尔比为1∶9、3∶9、5∶9和7∶9时,制得的陶瓷对应的产率为11.76%、23.38%、37.06%、39.45%,视密度分别为0.8158g/cm3、1.2186 g/cm3、1.7595 g/cm3、1.9387 g/cm3,电阻率分别为4060.0Ω·cm、1163.5Ω·cm、976.5Ω·cm、686.3Ω·cm。随着硼酸加入量的增多,得到的陶瓷形貌更好,平均产率更高,密度增大,导电性变强。以钛酸异丙酯作为钛源,KH-570和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)为原料,配制出含Ti的有机先驱体溶液。再以3D打印和高温热解的方式得到Ti O2/SiOC陶瓷。制得的陶瓷整体呈非晶态,内部含有游离碳以及二氧化钛,主要的化学键为Si-O-Si。当Ti源与Si源的物质的量的比为1∶9、2∶9、3∶9和4∶9时,制得的陶瓷对应的产率分别为21.82%、23.00%、23.67%、24.71%,视密度分别为1.4049 g/cm3、1.4225 g/cm3、1.4623 g/cm3、1.4856 g/cm3,平均显微维氏硬度分别为277.3 HV,299.3 HV,315.3 HV,321.3 HV。随着Ti源的量增多,陶瓷的产率变大,密度增加,硬度也随之增强。以KH-570、TMPTA和硅氧树脂丙烯酸酯为原料制得SiO2陶瓷骨架,再以原位生长法在硝酸铜溶液和均苯三甲酸溶液中循环浸渍得到HKUST-1/SiO2复合材料,最后热解得到Cu/Cu2O/C/SiO2陶瓷。由于复合陶瓷中含有Cu/Cu2O的成分,使其具有催化硼氢化钠还原对硝基苯酚的性能。催化效果的强弱受到原位生长过程中循环浸渍次数的影响,循环次数越多,催化效果越强。在本实验中,经过6次循环浸渍的陶瓷样品具有最佳的催化效果,80 s便可完全催化硼氢化钠还原对硝基苯酚,经5次循环催化实验后,催化效率仍能达到90%以上。
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