宁波材料所在极端环境用环硅氧烷-碳硼烷聚合物方面取得进展

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有机硅是应用最广泛的有机无机杂化材料之一，有耐高温、耐候、防水防腐等特性。材料的耐温性一直以来都是人们关注的重点，尤其随着近代工业的发展，国防、航天航空等领域对高分子材料耐温性的需求不断提高。针对上述问题，早在上个世纪60年代，Olin公司就研发出引入碳硼烷结构的硅氧烷聚合物。碳硼烷由于其特殊的二十面体笼型结构在高温下具有良好的能量稳定性，可稳定聚硅氧烷从而进一步提高其耐温性与抗氧化能力。后续多有学者利用碳硼烷这一特性不断探索提高有机硅耐温性的方法，如添加不饱和基团提高聚合物交联度，引入Sn桥增加聚合物重复单元、提高分子量等。然而现有硅氧烷-碳硼烷聚合物主链多使用链状硅氧烷，高温下难以避免主链回咬成环，造成聚合物耐温性和抗氧化性能受限。
　　近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料工程实验室提出一种新型的碳硼烷-硅氧烷聚合物结构：以环硅氧烷代替链状硅氧烷抑制回咬，提高耐温性能。通过改变环硅氧烷和烯丙基碳硼烷的比例，可有效调控环硅氧烷-碳硼烷聚合物结构及其性能。该聚合物体系具有优异的耐温性能和抗氧化性能，由于硼原子的大量引入，该聚合物在空气环境中升温至1000℃仍有90%以上的残碳率。

图1 (a)聚合物合成路线与空气环境下热重曲线图；(b)环硅氧烷-碳硼烷聚合物涂层示意图

图2 (a-c)环硅氧烷-碳硼烷聚合物涂层SEM图，(d)不同厚度涂层碳纤维的热重曲线图

　　将环硅氧烷和烯丙基碳硼烷溶于四氢呋喃中配置成涂层溶液，可以对易氧化碳系材料进行涂层保护。经过环硅氧烷-碳硼烷涂层保护的碳泡沫和碳纤维的耐烧蚀性能均有明显提高，且涂层厚度为180nm左右即可实现对碳纤维的有效防护。环硅氧烷-碳硼烷聚合物作为涂层在高温环境下硼笼瓦解与氧气结合生成具有流动性的B2O3，可有效填补高温下的涂层缺陷从而进一步阻止内部碳纤维的氧化分解。
　　该研究结果近期以“Poly(cyclosiloxane-carborane)s for Harsh Environments”为题在Polymer Chemistry发表（原文链接：https://doi.org/10.1039/D1PY01323H）。该论文第一作者为宁波材料所19级硕士研究生赵丽华，中国科学院宁波材料所李天昊博士为共同第一作者，宋育杰副研究员为通讯作者。该工作得到了宁波3315创新团队（2018A-03-A）、国家科学自然基金（51902319）以及中国科学院相关项目的资助。


       文章来源：宁波材料所