Brevet FR2006440A1 — publié le 19691226

La présente invention concerne la production d'un polymère re inorganique liquide contenant du silicium, de l'oxygène et du chlore par la réaction d'un composé hydrolysable du silicium à 1'état de vapeur avec l'oxygène à des températures élevées. La découverte qu'unie poudre de silice amorphe ou "suie de silice, qui se aépose quand la vapeur d'un composé hydrolysable du silicium est décomposée thermiquement en présence de vapeur d'eau, peut être facilement vitrifiée à des températures relativement basses est rapportée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 2.272.342. Cette découverte a conduit à la production d'articles formés de silice vitreuse. Comme expliqué dans ce brevet, la vapeur d'un composé hydrolysable du silicium est exposée à une flamme et est immédiatement hydrolysée par la vapeur d'eau présente dans la flamme du brûleur, et l'oxyde amorphe résultant passe sous la forme d'une fumée et se dépose dans ou sur une unité de réception.Cette suie de silice peut être vitrifiée en un article transparent à des températures comprises entre 1000 et 140000. Bien qu'à peu près n'importe quel composé hydrolysable du silicium soit utilisable, par exemple le silicate- de méthyle, le silicate d'éthyle et le tétrafluorure de silicium, l'ingrédient de départ préféré est le tétrachlorure de silicium. La demanderesse a découvert que, dans certaines conditions bien définies, on peut faire réagir les vapeurs de tétrachlorure de silicium avec l'oxygène pour produire un polymère inorganique liquide qui semble eAtre un progéniteur dans la formation de suie de silice. Ainsi, quand la réaction entre ces vapeurs et l'oxygène est conduite à des températures comprises entre 800 et 9750C environ, un [Cl-Si-oJ polymère liquide à peu près incolore se condense à des températures comprises entre 3000C environ et la température ambiante. Ce liquide peut former une pellicule de Si02 transparente hautement hydroxylée à la température ambiab te par exposition à l'air.Ce polymère est utile pour la production de pellicules diélectriques et/ou protectrices, comme produit intermédiaire pour des organosilicones et comme gangue dissolvante pour la synthèse du verre. Le but principal de la présente invention est donc de fournir un procédé pour préparer un LCI-Si-0J polymère inorganique liquide qui est relativement simple à mettre à oeuvre, économique dans la pratique, et utilise une matière de-départ facilement disponible et peu couteuse. D'autres buts et avantages -de l'invention résulteront encore de la description ci-après. Au dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, la figure unique représente schématiquement un appareil utilisable pour produire le polymère. Le mécanisme supposé de production du polymère liquide comprend deux réactions principales Ainsi, aux températures impliquées dans la présente invention, le SiCl4 se dissocie pour former i' sous-chlorure de silicium. Lte- quation (i) représente la forme la plus simple de cette dissociation, et la spectroscopie infra-rouge a indiqué la présence de cette espèce et même de sous-halogénures supérieurs1 par exemple Si2Cl6. En tout cas, à des températures au-dessus de 8000C, les sous-halogénures réagissent avec l'oxygène, comme indiqué dans l'Equation (2), pour produire le polymère liquide désiré1 [Cl-Si- 0}, et du chlore.On pense que l'Equation (3 > , obtenue par addition de ces deux équations, reflète le processus de réaction d'e semble Cette équation montre clairement qu'il nty a pas de variation de pression dans le système, car 2 molécules de SiC14 gazeux réagissent avec une molécule de 02 pour produire 3 molécules de Cl2. La production de polymère commence dès que la température de réaction est atteinte. Par conséquent, on peut se rendre compte qu'il serait possible de- concevoir un procédé continu pour la production du polymère dans lequel on introduirait dans la zone de réaction des quantités de tétrachlorure de silicium et d'oxygène qui compenseraient la quantité de polymère évacuée. Né-anmois dans la mise en oeuvre réelle de l'invention, on s'est rendu compte qu'un temps de réaction défini est nécessaire, couramment au moins 20 minutes environ, pour que lton obtienne un rendement notable en polymère.Toutefois, bien que la quantité de polymère produite soit certainement fonction du temps et que des temps de réaction bien plus longs, par exemple de 24 heures, puissent ê- tre utilisés sans effet nuisible apparent sur la nature du polymère, l'augmentation du rendement en polymère liquide n'est pas très considérable après 2 à 4 heures environ. Par conséquent, dans la pratique industrielle, des temps de réaction de 1 à 2 heures environ à des températures de 9500C environ sont préférés, quand on tient compte de la production de polymère en fonction du temps écoulé. A des températures au-dessous de 8000C environ, la vitesse de formation du polymère est si petite et-la production totale de polymère si faible que le procédé devient à peu près impossible à mettre en oeuvre. A des températures au-dessus deq750C environ, la suie de silice commence à se former au lieu du polymère désiré, la production de suie étant plus prononcée à mesure qu'on prolonge le temps de réaction. Pour une production industrielle, des températures de réaction comprises entre 925 et 970 C environ sont préférées, car la vitesse de réaction est-très grande audes sus de 9250C tandis que le risque de formation de suie est réduit au-dessous de 970 C. Comme la présente invention est basée sur l'oxydation de SiCl4, on peut comprendre facilement que la formation du polymère suppose la présence de SiCl4 et d'oxygène dans certaines quantités dans la chambre de réaction. On a découvert que des productions très importantes du polymère liquide peuvent être assurées quand les pressions partielles individuelles de SiC14-et de l'oxygène sont comprises entre 20 et 200 mm de mercure environ. Quand on utilise des pressions d'oxygène supérieures à 200 mm environ, la production de chlore devient excessive, ce qui a une influence nuisible sur la vitesse de réaction et la production de polymère. quand on utilise des pressions: de SiCl4 supérieures à 200 mm environ, le SiCl4 se condense à l'état liquide dans les régions froides du système où on recueille le polymère liquide désiré. L'expérimentation a montré que la pureté du polymère produit dépend directeiaent de la pureté des matières' de départ. Par conséquent, dans les exemples donnés ci-après, on-utiIise du SiCl4 et de l'oxygène de-la qualité-réactifU Néanmoins, on comprendra qu'une certaine pollution de ces ingrédients par des agents réactifs, coIuIe lthydrogènes llazote ou d'autres halogénu- res, peut eAtre tolérée, la détermination de la mesure maximale admissible de cette pollution étant bien à la portée de lthomme de l'art. Quand on le désire, un gaz inerte comme l'hélium ou l'argon peut être utilisé comme gaz porteur. L'utilisation d'un tel gaz permet aussi que ltopération soit conduite-dans le système sous la pression atmosphérique, et elle- n' a pas une influen ce importante sur la production de polymère, Pour décrire maintenant, en terres généraux, un appareil et une technique utilisables pour la mise en oeuvre de l'inven- tion en utilisant un système statique il faut une chambre de réaction-pouvant etre chauffée à 800-9750C, Formée d'une matière qui résiste à 1' attaque chimique par le chlore La chambre de réaction est chauffée à 800-9750C et ensuite mise sous une pression réduite à moins de 5 mol de mercure9 et de préférence a moins de 1 mm de mercure, pour assurer une élimination complète des gaz. On peut obtenir une production de polymère liquide quand la -cham- bre de réaction n' est pas mise sous vide, mais l'eau normalement présente dans l'air provoque la formation de suie de silice qui réduit la production du polymère résultant et pllue ce polymère. Si on le désire, on peut purger la chambre de réaction avec de l'hélium gazeux pour éliminer toutes traces d'impuretés gazeuses. On laisse ensuite entrer le SiCi4 et l'oxygène dans la chambre de réaction jusqu'aux pressions partielles prédéterminées. Si on le désire, on peut faire barboter de l'hélium ou un autre gaz inerte à travers le SiCl4 à la température ambiante et ce gaz Joue alors le rôle de gaz porteur. Après l'introduction du SiC14 et de l'oxygène dans le système, la chambre de chauffe est maintenue & latempérature voulue pendant un laps de temps prédéterminé de façon que la réaction puisse se produire. les produits de réaction de SiC14 et de l'oxygène passent à une zone plus froide dans laquelle ils sont condensés pour donner le polymère liquide. Un appareil utilisable pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention est représenté sur le dessin annexé. Ainsi, un four, désigné dans son ensemble par la référence 1 et représenté en coupe longitudinale verticale, consiste essentiellement en un tube 5 en alumine, en mullite, en sillimanite ou en VYCOR Brand, fermé à une extrémité, sur lequel est enroulé un fil de nichrome 4 qui est entouré d'une matière isolante 3 retenue dans une enveloppe dacier 2. Le tube 5 s'étend à une distance suffisante de l'avant et de l'arrière du four 1 pour qu'une partie de chaque extrémité du tube se trouve à une température au-dessous de 300 C durant le fonctionnement du four.L'extrémité avant du tube 5 est reliée par un raccord en verre 6 et un tuyau en verre 7 par l'intermédiaire d'une- vanne 8 à un tube 9 en PYREX Brand place audessus du tube 5. Le tube 9 conduit à une pompe è vide il par l'intermédiaire d'une vanne 10, ou à une source d'air (non repré sentée) par llintermsédiaire d'une vanne 12, ou aux sources de SiCl4 et d'oxygène. Egalement, un flacon 15 contenant du SiCl4 est relié au tube 9 par un tuyau en verre 14 par l'intermédiaire d'une vanne 13 et une bouteille d'oxygène 18-est reliée au tube 9 par un tuyau en verre 17 par l'intermédiaire d'une vanne 16. Enfin, la pression dans le système est contrôlée par un manomètre 19 relié au tube 9 par l'intermédiaire de vannes 20 et 21. Dans le fonctionnement réel de l'appareil, comme rapporté dans les exemples suivants, le four 1 est chauffé à une température de réaction prédéterminée avec les vannes 8, 10 et 20 ouvertes et les vannes 12, 13 et 16 fermées. Quand la température appropriée est atteinte et la chambre du four mise sous vide à une pression absolue d'environ 1 mm de mercure grâce à la pompe à vide 11, on ferme la vanne 10 et on ouvre la vanne 13 pour permettre l'introduction de SiCl4 à une pression prédéterminée. On ferme ensuite la vanne 13 et on ouvre la vanne 16 de manière que de l'oxygène soit introduit dans le système à une pression prédéterminée. Une fois la pression partielle désirée d'oxygène réalisée dans la chambre 1 du four, on ferme la vanne 16 et on laisse la réaction se poursuivre.A la fin du temps de réaction particulier, on refroidit le four 1 et on ouvre la vanne 12 pour laisser entrer de l'air dans la chambre de réaction et l'amener à la pression atmosphérique. Le polymère liquide qui s' est condensé dans les deux parties plus froides du tube 5 est ensuite enlevé et examiné. Le Tableau I montre l'effet de variations dans les temps de réaction sur le rendement en polymère. On utilise l'appareil décrit ci-dessus et le mode opératoire suivi est le même que décrit dans le paragraphe precédent. Chaque description de polymère reflète la quantité de SiC 14 ayant réagi par rapport à la quantité initialement présente dans le système pour réaction. Ainsi, le rendement en polymère est désigné sous la forme d'un pourcentage de celui qui se serait formé si tout le SiCl4 avait réagi avec l'oxygène. Dans chaque exemple, on utilise une température de réaction de 950 C. TABIRAU I Exem- Pression partielle initiale (mm) Temps de ple réaction Rendement, NO SiCi4 Oxygène (min) 1 100 100 40 54,5 2 100 100 80 69,5 3 100 100 120 80,0 4 150 150 40 39,7 5 150 150 80 66,2 6 150 150 120 70,3 7 200 200 40 40,2 8 200 200 80 66,5 9 200 200 120 67,0 Ce tableau illustre clairement le fait qu'un temps de réaction défini est nécessaire (au moins 20 minutes environ) pour assurer un rendement notable en polymère. Toutefois, ce tableau montre aussi que l'accroissement du rendement en polymère s'amenuise après un temps de réaction de deux heures environ, de sorte que des temps de réaction plus longs peuvent entre considérés comme peu pratiques d'un point de vue industriel.Enfin, on peut observer que pour l'obtention de la production la plus économique et efficace de polymère, on doit rechercher un équilibre entre le rendement, la quantité de matières de départ utilisée et le temps de réaction nécessaire. Le Tableau II rapporte l'effet de variations dans les quantités de SiCl4 et d'oxygène sur le rendement en polymère. Un temps de réaction de 60 minutes à une température de 9500C est utilisé dans chaque exemple. DABLEAE II Exemple NO Pression partielle initiale (mm) Rendement, Sicle1 Oxygène * 10 50 20 30 Il 50 40 45 12 50 80 55 13 50 120 63 14 50 160 68 15 50 200 71 16 100 20 22 17 100 40 39 18 100 80 55 ThBIEAU II (suite) Exemple NO Pression Dartielle initiale (mm) Rendement, SiCl4 SiCi4 Oxygène 19 100 420 62 20 100 160 64 21 100 200 67 22 150 20 12 23 150 40 28 24 150 80 42 25 150 120 56 26 150 160 63 27 150 200 66 28 200 20 29 200 80 48 30 200 80 48 31 200 120 56 32 200 160 61 33 200 200 61 Ce tableau montre bien l'effet d'une variation des proportions de SiCl4 et d'oxygène, et qu'une pression partielle initiale de chaque constituant d'au moins 20 mm environ est nécessaire pour que l'on obtienne un rendement en polymère d'un intérêt réel quelconque.Et, ici encore, on peut observer que dans une production industrielle de ce polymère, le mode opératoire le plus efficace et le plus économique à suivre exige une considération soigneuse de la quantité des matières de départ qui est nécessaire et du temps de réaction nécessaire pour l'obtention du rendement optimal en produit La mise en oeuvre préférée du procé dé > dans le cas du système statique décrit, envisage donc la réaction de SiCl4 et de oxygène à 950 C sous une pression partielle d'environ 150 mm pour chacune de ces matières pendant 1 à 2 heures environ. Enfin, on peut comprendre facilement que des variantes peuvent etre apportées à la réalisation de l'appareil de réaction et à la séquence des opérations sans qu'on sorte -pour autant du cadre général de l'invention, du moment qu'on observe la relation mutuelle nécessaire de la température et du temps de réaction. Toutefois, on pense que la détermination de ces paramètres est bien à la portée de l'homme de l'art, compte tenu de la descrip tion ci-dessus. Le polymère lui-meme a une pression de vapeur négligeable à la tempé rature ambiante, comme le prouve le fait qu'on n' oser ve pratiquement pas de perte de polymère après 72 heures de mise sous vide à des pressions absolues de moins de 1 micron de mercure. Ce comportement indique que le polymère a une masse moléculaire très élevée. De plus, le polymère n'a pas de point d'ébullition ou de fusion net. il peut entre vaporisé par chauffage sous vide sans dégradation. Ire polymère réagira avec différents alcools, par exemple l'alcool méthylique, i'alcool méthylique, l'alcool isopropylique et l'alcool butylique. Le résultat est un liquide incolore consistant en l'alcool en excès, le dérivé du polymère et un halogène. On pense que le processus de cette réaction est le suivant Chaque solution, quand elle est évaporée à sec à la température ambiante, produit une pellicule. Le polymère réagit aussi avec l'ammoniac, et quand on chauffe à au moins 700C, il se forme une pellicule que l'on pense être du type nitrure. On pense que le processus est ici le suivant (6) ECl-Si-0j + 2 NH; - > (H2N-Si-0 3 + NE4Cl chaleur (7) CH,N-Si-OI > ur [N-Si-O] + d'autres produits La viscosité du polymère liquide varie considérablement, ce qu'on pense être une indication de divers degrés de polymérisation. Et enfin, aux températures de dép0t, le polymère est stable à l'oxydation par l'oxygène et à la réaction avec le chlore. REVENDICATIONS 1. Un polymère inorganique liquide contenant du silicium de l'oxygène et du clore qui est stable aux températures audessous de 3000C. 2. Un procédé de préparation d'un polymère inorganique liquide contenant du silicium, de l'oxygène et au chlore qui est stable aux températures au-dessous de 3000 C, caractérisé en ce qu'on expose un mélange de SiCl4 et d'oxygène à une température comprise entre 800 C et 9750C environ pendant un laps de temps suffisant pour provoquer une réaction entre ces corps et ensuite on condense le produit de réaction à une température au-dessous de 300 C pour obtenir le polymère liquide désiré. 3. Un procédez de préparation d'un polymère inorganique liquide contenant du silicium, de l'oxygène et du chlore qui est stable aux températures au-dessous de 300 C, caractérisé en ce que (a) on introduit un mélange de SiCl4 et d'oxygène sous des pressions initiales comprises entre 20 et 200 mm de mercure environ pour chacun dans une chambre de réaction maintenue entre 800 et 9750C environ, (b) on maintient ce mélange dans la ch-Sebre pendant un laps de temps suffisant pour rovoquer une réaction entre les deux corps, et ensuite (c) on condense le produit de réaction à une température audessous de 300 C environ pour obtenir le polymère liquide désiré. 4. Un rocd selon la revendication 3, caractérisé en ce que le temps de réaction est d'au moins 20 minutes. 5. Un proc selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre de réaction est maintenue entre 925 et 97000 environ.