Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИТТРИЙСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНОАЛЮМОКСАНСИЛОКСАНОВ, СВЯЗУЮЩИЕ И ПРОПИТОЧНЫЕ КОМПОЗИЦИИ НА ИХ ОСНОВЕ

Изобретение относится к способам получения органоалюмоксансилоксанов, содержащих иттрийоксановые фрагменты, общей формулы:

где k, m, g = 3-12; s+t+2r=3; 1+x+2y+z=3;

R - C_nH_2n+1, n=2-4;

R* - С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1 С(СН₃)=СНС(O)OC_nH_2n+1;

R** - С(СН₃)=СНС(O)СН₃;

R*** - ОС₂Н₅, СН₃, СН₂=СН

и получению на их основе связующих и пропиточных композиций для создания химически стойких, высокопрочных оксидных защитных покрытий, содержащих Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂.

Известен способ получения алюмосилоксановых полимеров в процессе окислительной конденсации силоксандиолов с гидроокисью алюминия с содержанием алюминия Al:Si=1:1000-1:200, то есть содержание Al настолько незначительно, что можно говорить лишь о модифицировании силоксанов алюминием, а не о синтезе нового класса алюмосилоксанов (А.с. №231119, МПК C08G 79/10, 1968).

Бифункциональные гидроксилсодержащие силоксаны взаимодействуют с алкилалюмоксанами в углеводородных растворителях при 25-150°С и мольном отношении алюмоксан/силоксандиол, равном 2:1, по всем гидроксильным группам (Сахаровская Г.Б. и др. Синтез и некоторые свойства полиалюмоорганосилоксанов. Пласт. массы. 1966. №10. с.23-25):

где R=Et, i-Bu; R^I, R^II=Me, Ph; n=6-180.

Известен наиболее близкий к предложенному и принятый нами в качестве прототипа способ получения полиалкоксиалюмоксанов для создания бескремнеземного связующего взаимодействием алюминийорганического соединения со спиртом и хелатирующим агентом в среде органического растворителя, отличающийся тем, что в качестве алюминийорганического соединения берут соединение общей формулы: AlL₃, где L - C_nH_2n+1, C_nH_2n+1O, (C_nH_2n+1)₂AlO[(C_nH_2n+1)AlO]_t, где n=1-4, t=2-10, которое подвергают взаимодействию при 0-250°С с водой, спиртом и хелатирующим агентом, в качестве которого берут соединения формулы R*OH, где R* - С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1; С(СН₃)=CHC(O)OC_nH_2n+1, при мольном соотношении H₂O:ROH:R*OH=p:x:y, где р=0,001÷1, x=0,05-0,95, y=0,95-0,05, x+y=1 (Патент RU №2276155, МПК C07F 5/06, 2006).

Задачей данного изобретения является получение иттрийсодержащих органоалюмоксансилоксанов, растворимых в органических (углеводородных или спиртовых) растворителях, для приготовления связующих и пропиточных композиций с целью создания химически стойких, высокопрочных иттрийсодержащих алюмосиликатных оксидных защитных покрытий и керамокомпозитов.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения иттрийсодержащих органоалюмоксансилоксанов, харатеризующийся тем, что полиалкоксиалюмоксаны подвергают взаимодействию с тетраэтоксисиланом, алкил(алкен)- или алкоксисилоксанами и гидратом ацетилацетоната иттрия формулы {[СН₃(O)ССН=С(СН₃)O]₃Y·2,5H₂O} в среде органического растворителя при температуре 20-50°С.

Полиалкоксиалюмоксаны получают известным способом (Патент RU №2276155, МПК C07F 5/06, 2006).

Предложены также связующие и пропиточные композиции, отличающиеся тем, что в качестве иттрийалюмокремниевого соединения они содержат иттрийсодержащий органоалюмоксансилоксан общей формулы: где k, m, g=3-12; s+t+2r=3; 1+x+2y+z=3; R-C_nH_2n+1, n=2-4; R*-C(CH₃)=CHC(O)C_nH_2n+1, C(CH₃)=CHC(O)OC_nH_2n+1, R**-C(CH₃)=CHC(O)СН₃, R*** - OC₂H₅, СН₃, СН₂=СН и дополнительно растворитель (алифатический спирт или углеводород), при следующем соотношении компонентов, масс.%:

иттрийсодержащий органоалюмоксансилоксан - 5-90

растворитель - остальное до 100.

Растворы иттрийсодержащих органоалюмоксансилоксанов в органических растворителях гидролитически устойчивы в атмосфере воздуха.

Приготовление связующих и пропиточных композиций можно осуществлять с выделением и анализом иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана и последующим его растворением в требуемом растворителе или без выделения иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана.

Получение иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана осуществляют следующим образом: к углеводородному или спиртовому раствору хелатированного полиалкоксиалюмоксана добавляют тетраэтоксисилан, алкил(алкен)- или алкоксисилоксан, затем при перемешивании и температуре 30-50°С дозируют заданное количество гидрата ацетилацетоната иттрия. Реакционную смесь выдерживают при перемешивании и температуре 30-50°С до полного растворения [СН₃(O)ССН=С(СН₃)O]₃Y·2,5H₂O. Отгоняют растворитель сначала при атмосферном давлении, а затем при пониженном давлении и температуре до 100°С. Охлаждают до комнатной температуры и отбирают пробы иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана на анализ (ЯМР-, ИК- спектры, СЭМ, ТГА и элементный анализ).

Для приготовления связующих или пропиточных композиций в иттрийсодержащий органоалюмоксансилоксан дозируют расчетное количество растворителя (углеводорода или алифатического спирта), перемешивают реакционную массу до полного растворения иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана при 30-50°С. Отбирают пробы на анализ (внешний вид, вязкость, массовая доля % алюминия и кремния).

Иттрийсодержащие органоалюмоксансилоксаны в зависимости от k, m и g в соединении (1) представляют собой медообразные или твердые вещества желтого цвета, растворимые в органических растворителях, реагирующие с кислотами и щелочами. При образовании гелеобразных продуктов их растворимость уменьшается, в этом случае подобные иттрийсодержащие органоалюмоксансилоксаны можно использовать для получения керамических порошков состава Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂.

Состав и особенности молекулярной структуры иттрийсодержащих органоалюмоксансилоксанов доказаны с помощью ЯМР ²⁷Al, ²⁹Si ИК-спектров, СЭМ, ТГА и элементного анализа.

Например, для иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана химической формулы:

[(СН₃(O)ССН=С(СН₃)O)_sY(ОН)_tO_r]_k·[Al(ОС₂Н₅)_l(ОС(СН₃)=СНС(O)ОС₂Н₅)_x(ОН)_zO_y]_n·[Si(ОС₂Н₅)₂O]_m,

в спектре ЯМР ¹Н наблюдались сигналы протонов следующих групп: при 0,9-2,3 м.д. (СН₃СО; СН₃), при 4,0-4,5 м.д. (СН₂О), при 5,0-5,5 м.д. (СН=).

В спектре ЯМР ²⁷Al наблюдался очень широкий сигнал при 60-90 м.д., характерный для атомов четырехкоординационного алюминия, сигнал малой интенсивности при 30-45 м.д., характерный для атомов пятикоординационного алюминия, а также два сигнала: сигнал малой интенсивности при 16,5 м.д. и очень интенсивный сигнал при 1,73 м.д., характерный для атомов шестикоординационного алюминия. Сигнал при 16,5 м.д., вероятно, связан с изменением окружения при атоме Al и возможным образованием связей Si-O-Al.

В спектре ЯМР ²⁹Si наблюдался очень широкий сигнал, характерный для алюмосиликатного стекла в области от минус 60 до минус 140 м.д. Это подтверждает наше предположение о том, что растворы ИОАС (иттрийсодержащий органоалюмоксансилоксан) являются композициями, которые могут быть использованы для получения оксидных стекловидных защитных покрытий.

В ИК-спектрах иттрийсодержащих органоалюмоксансилоксанов наблюдаются полосы поглощения в области 417 см^-1 (внутриплоскостные колебания O-Y-O), 492, 534, 656, 687 см^-1 (валентные Y-O; возможно Y-O-Al), 786 см^-1 (Al-O-Аl_мост), 936, 967 см^-1 (Al-O₄ и Si-O), 1019, 1066 см^-1 (Al-O-С), 1171 см^-1 ν(Si-O-Si), 1265, 1289, 1391 см^-1 (деформационные колебания СН и С(СН₃) и валентные С-O), 1529 см^-1 (С=С), 1597 см^-1 (С=O), 2922, 3009, 3079 см^-1 (валентные колебания СН), 3288 и 3370 см-¹ (ОН).

Анализ ТГА иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана представлен на рисунке 1. Нагрев проводили со скоростью 10 град/мин, в атмосфере воздуха до 1100°С. Кривая TGA показывает, что основная потеря массы происходит до температуры 450°С, а с 500°С керамический остаток практически не изменяется и составляет 37,7 масс.%, что соответствует суммарному содержанию Al₂O₃, Y₂O₃ и SiO₂.

Методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) определяли элементный состав иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана. Результаты СЭМ представлены на рисунке 2.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1.

В колбу, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником, химической воронкой, загружают 155,13 г толуольного раствора этилацетоацетатэтоксиалюмоксана (Al=4,6 масс.%). При комнатной температуре добавляют 34,55 г этилсиликата-40. Затем реакционную смесь при перемешивании нагревают до 40-50°С и добавляют порциями 88,61 г гидрата ацетилацетоната иттрия. Далее реакционную смесь выдерживают при перемешивании до полного растворения [СН₃(O)ССН=С(СН₃)0]₃Y·2,5H₂O. Отгоняют растворитель сначала при атмосферном давлении, а затем при остаточном давлении 0,2-0,4 кПа. После охлаждения до комнатной температуры получают 225,3 г (выход 98,9 масс.%) иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана. Отбирают пробы на анализ (ЯМР-, ИК-спектры, ТГА, СЭМ).

Получен иттрийсодержащий органоалюмоксансилоксан, элементный анализ СЭМ: С 49,22 (47,98); О 35,90 (35,84); Al 3,67 (3,69); Y 9,13 (10,18); Si 2,08 (2,30) масс.%; ТГА: керамический остаток 23,8 масс.%.

Для приготовления связующих или пропиточных композиций в иттрийсодержащий органоалюмоксансилоксан дозируют расчетное количество растворителя (углеводорода или алифатического спирта), перемешивают реакционную массу до полного растворения иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана при 30-50°С. Отбирают пробы на анализ (внешний вид, вязкость, массовая доля % алюминия и кремния).

Пример 2.

В колбу, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником, химической воронкой, загружают 88,75 г толуольного раствора этилацетоацетатэтоксиалюмоксана (Al=4,6 масс.%). При комнатной температуре добавляют 25,47 г (C₂H₅O)₄Si (ТЭОС). Затем реакционную смесь при перемешивании нагревают до 40-50°С и добавляют порциями 49,52 г гидрата ацетилацетоната иттрия. Далее реакционную смесь выдерживают при перемешивании до полного растворения [СН₃(O)ССН=С(СН₃)O]₃Y·2,5H₂O. Получают толуольный раствор иттрийсодержащего органоалюмоксансилоксана, который можно использовать в качестве связующих и пропиточных композиций. Отбирают пробы на анализ (внешний вид, вязкость, массовая доля % алюминия и кремния) (таблица 2). При необходимости можно разбавлять полученный раствор до нужной концентрации.

Остальные примеры выполнены аналогично примерам 1 или 2, данные приведены в таблице 1.

Приготовлены связующие и пропиточные композиции, представляющие собой растворы иттрийсодержащего органоалюмоксаносилоксана ИОАС (таблицы 1, 2 № пп 3) в абсолютированном этиловом спирте (таблица 3).

Изменение концентрации ИОАС, а следовательно, и содержания оксидов в составе композиции приводит к изменению ее плотности (Рис.3) и вязкости (Рис.4 и 5), которые являются основными параметрами при определении качества связующих и пропиточных композиций.

При увеличении концентрации ИОАС (в пересчете на оксиды выше 15 масс.%) резко повышается вязкость композиции, что приводит к возрастанию толщины пленки и, следовательно, к образованию микротрещин и снижению прочностных свойств керамики и повышению газопроницаемости покрытия. Для пропиточных композиций концентрация ИОАС (в пересчете на оксиды) должна составлять не более 5 масс.%, в то время как для связующих композиций с низкими концентрациями ИОАС (в пересчете на оксиды ниже 8 масс.%) происходит нарушение сплошности и непрерывности формируемой пленки.

Оптимальную концентрацию ИОАС (в пересчете на содержание оксидов ~12 масс.%) для связующих композиций определяют по кривой приведенной вязкости (Рис.5), так как известно (Лясс A.M. Быстротвердеющие формовочные смеси. Машиностроение, М., 1960; Берг П.П. Формовочные материалы. Машгиз, М., 1963), что при минимальном значении приведенной вязкости получают керамику с максимальными прочностными характеристиками.