寧波材料所在極端環(huán)境用環(huán)硅氧烷-碳硼烷聚合物方面取得進(jìn)展
有機(jī)硅是應(yīng)用最廣泛的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料之一，有耐高溫、耐候、防水防腐等特性。材料的耐溫性一直以來(lái)都是人們關(guān)注的重點(diǎn)，尤其隨著近代工業(yè)的發(fā)展及航天航空等領(lǐng)域?qū)Ω叻肿硬牧夏蜏匦缘男枨蟛粩嗵岣摺?/span>針對(duì)上述問(wèn)題，早在上個(gè)世紀(jì)60年代，Olin公司就研發(fā)出引入碳硼烷結(jié)構(gòu)的硅氧烷聚合物。碳硼烷由于其特殊的二十面體籠型結(jié)構(gòu)在高溫下具有良好的能量穩(wěn)定性，可穩(wěn)定聚硅氧烷從而進(jìn)一步提高其耐溫性與抗氧化能力。后續(xù)多有學(xué)者利用碳硼烷這一特性不斷探索提高有機(jī)硅耐溫性的方法，如添加不飽和基團(tuán)提高聚合物交聯(lián)度，引入Sn橋增加聚合物重復(fù)單元、提高分子量等。然而現(xiàn)有硅氧烷-碳硼烷聚合物主鏈多使用鏈狀硅氧烷，高溫下難以避免主鏈回咬成環(huán)，造成聚合物耐溫性和抗氧化性能受限。
近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室提出一種新型的碳硼烷-硅氧烷聚合物結(jié)構(gòu)：以環(huán)硅氧烷代替鏈狀硅氧烷抑制回咬，提高耐溫性能。通過(guò)改變環(huán)硅氧烷和烯丙基碳硼烷的比例，可有效調(diào)控環(huán)硅氧烷-碳硼烷聚合物結(jié)構(gòu)及其性能。該聚合物體系具有優(yōu)異的耐溫性能和抗氧化性能，由于硼原子的大量引入，該聚合物在空氣環(huán)境中升溫至1000℃仍有90%以上的殘?zhí)悸省?/span>
將環(huán)硅氧烷和烯丙基碳硼烷溶于四氫呋喃中配置成涂層溶液，可以對(duì)易氧化碳系材料進(jìn)行涂層保護(hù)。經(jīng)過(guò)環(huán)硅氧烷-碳硼烷涂層保護(hù)的碳泡沫和碳纖維的耐燒蝕性能均有明顯提高，且涂層厚度為180nm左右即可實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維的有效防護(hù)。環(huán)硅氧烷-碳硼烷聚合物作為涂層在高溫環(huán)境下硼籠瓦解與氧氣結(jié)合生成具有流動(dòng)性的B2O3，可有效填補(bǔ)高溫下的涂層缺陷從而進(jìn)一步阻止內(nèi)部碳纖維的氧化分解。
該研究結(jié)果近期以“Poly(cyclosiloxane-carborane)s for Harsh Environments”為題在Polymer Chemistry發(fā)表（原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1PY01323H）。該論文第一作者為寧波材料所19級(jí)碩士研究生趙麗華，中國(guó)科學(xué)院寧波材料所李天昊博士為共同第一作者，宋育杰副研究員為通訊作者。該工作得到了寧波3315創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2018A-03-A）、國(guó)家科學(xué)自然基金（51902319）以及中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的資助。
圖1 (a)聚合物合成路線與空氣環(huán)境下熱重曲線圖；(b)環(huán)硅氧烷-碳硼烷聚合物涂層示意圖
圖2 (a-c)環(huán)硅氧烷-碳硼烷聚合物涂層SEM圖，(d)不同厚度涂層碳纖維的熱重曲線圖
?。ㄏ冗M(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室 供稿）