Brevet FR2616436A1 — publié le 19881216

Copolymères à Liaisons Si-N et Si-Si, polycarbosilazanes obtenus par pyrolyse desdits copolymères et utilisation desdits poLy- carbosilazanes pour la préparation de carbonitrure de silicium. La présente invention concerne les copolymères à liaisons -Si-N- et -SiSi- obtenus par polycondensation - d'au moins un silane de formule R R1 Si Cl2 (A) - et d'au moins un disitazane de formule R R 1,I1 R2-Si-N-Si-R (B) R3 R R3 formules dans Lesquelles: - R2 est un atome d'halogène de préférence Br et Cl - R, R1, R3 identiques -ou différents représentent un atome d'hydro- gène, ou un radical hydrocarboné alkyle, alcényle, alcynyle, cyclo- alkyle, cycloalcényle, aryle, alkylaryle, alcénylaryle, éventuelle- ment fonctionnel. Les proportions de A et de Bdans le copolymère, peuvent être quelconques. Les copolymères selon l'invention sont caractérisés en ce qu'ils comportent, dans leur chaîne principale, des séquences ESi-Si-N3 provenant du monomère (B), des séquences ESi-Sin avec n n > 1 provenant du monomère (A) et des séquences ESi-(Si) n-Si-N avec n > 1 provenant de l'enchaînement des deux monomères. On notera que, lorsqu'au moins l'un des radicaux R, R1, R est de l'hydrogène, le copolymère obtenu comporte une liaison Si-H, ce qui permet ultérieurement des réactions de réticulation chimique ou thermique du produit. Parmi les copolymères les plus intéressants, on mentionnera les produits pour lesquels R2=Cl, R1=R3=CH3 et R=H; ces produits forment une sous-famille particulièrement importante car la prépara- tion desdits copolymères nécessite seulement l'utilisation [(CH3)3C1-Si]2 NH et de CH3HSiC12 et de (CH3)2SiCl2 qui sont des produits commerciaux et des produits de base pour la synthèse des silicones. C'est ainsi que L'on pourra utiliser comme silane un disilane chloré de formule ClxSiMe3_xSiMe3_yCl dans Laquelle 1 dans la présente invention est La possibilité offerte par ces pro- duits d'effectuer la transformation thermique des enchaînements CH3 H -Si-Si- en enchaînements -Si-CH2-Si- (cf., par exemple, S YAJIMA, Ceram. Bull. 1983, 62, 893 et ref. citées). Lespolycarbosilazanes obtenus sont non seulement originaux, mais ils peuvent être obtenus solubles, fusibles sans dégradation sous atmosphère inerte, filables, réticulables et à taux de Si/C/N pouvant être très variables. Ces nouveaux polycarbosilazanes sont obtenus par thermolyse des copolymères à des températures comprises entre 250 et 500 C sous atmosphère inerte; ces polycarbosilazanes sont d'excellents précur- seurs pour l'obtention de matrices et de fibres en carbonitrure de silicium, ce carbonitrure de silicium étant obtenu par chauffage des polycarbosilazanes à des température de 900-1000 C environ. Ces polycarbosilazanes, s'ils ont été élaborés selon l'invention sous atmosphère inerte sèche, ne contiennent pas (ou très peu) d'oxygène à condition d'utiliser, dans l'étape de formation du copolymère, un solvant non oxygéné. Le procédé pour la préparation des copolymères selon l'invention consiste à mettre en présence, dans un milieu solvant, les comonomères en proportions choisies en présence d'un métal alcalin,plus particulièrement de sodium. Le solvant (ou mélange de solvants) utilisable peut être le toluène, le xylène, un alcane lourd, un mélange de toluène et de tétrahydrofuranne... La température de copolymérisation est avantageusement la température d'ébullition du solvant, à pression atmosphérique. Les exemples qui suivent illustrent l'invention: 261643-6 Exemple 1 Dans cet exemple, ainsi que dans les suivants, le diméthyl- dichlorosilane a été préalablement distillé avant utilisation. De même, le toluène a été séché par distillation azéotropique, et le THF traité par le sodium en présence de benzophénone afin d'éliminer les traces d'eau et de peroxydes. L'appareillage servant à effectuer la réaction est constitué d'un ballon de 500 ml muni d'une agitation magnétique, d'une ampoule à brome isobare, d'une entrée de gaz inerte (argon ou azote) et d'un réfrigérant ascendant à décaline, relié à une colonne desséchante (CaCl2). On introduit tout d'abord le mélange des solvants, constitué par 21,75 g de THF et 152,29 g de toluène, soit au total 200 ml dans la proportion de 1/7 en poids, puis 29 g de sodium (1,26 at.-g, 5 % en excès). Le mélange solvant est chauffé au reflux, et le sodium granulé par une agitation énergique. Lorsque la dispersion de sodium fondu est suffisamment fine, on introduit goutte à goutte le mélange diméthyldichlorosilane (65,82 %, 0,51 mole) et (HMeClSi)2 NH (15,67 g, 0,09 mole - 15 % molaire). Il est à noter que, lors du mélange des deux chlorosilanes, il apparaît un trouble blanc en raison probablement d'une faible quantité de chlorure d'ammonium. Dès les premières gouttes, le milieu se trouble et devient bleu pâle. En quelques minutes; une couleur bleu foncé est apparue. Durée de l'addition: 2 h.- Au bout de 24 h de reflux on laisse refroidir sous atmosphère inerte, et l'on filtre sur fritté en boite à gants sous atmosphère inerte. On obtient ainsi une solution limpide et incolore. Le solide bleu restant est repris au toluène puis filtré et cette opération est effectuée deux fois. Les deux filtrats ainsi obtenus sont rassemblés avec le premier et, l'ensemble concentré sous pression réduite, on obtient alors une graisse fluide de couleur gris-bleu, que l'on dévolatilise ensuite sous 1 mm de mercure, à C pendant 90 min, à l'aide d'une colonne à distiller courte équipée d'un rectificateur. Apres refroidissement, le produit possède l'aspect d'une graisse opaque, figée, de couleur gris-bleu. Poids obtenu: 32,9 g (rdt: 84,6 %). Le copoLymère est soLuble dans des soLvants tels que le benzène, Le toluène, le cyclohexane, L'heptane, le tétra- chlorure de carbone, l'éther, Le tétrahydrofuranne etc. Il est caractérisé par les méthodes physico-chimiques (IR, RMN) et par GPC. Par ailleurs, le solide bleu est méthanolysé, puis hydrolysé, ce qui conduit alors à un solide blanc pâteux. Après lavage aux solvants (acétone, éther) , le solide est séché sous vide (1 mmHg) pendant une nuit à 140 C. On obtient alors 5,1 g de solide insoluble. Exemple 2 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 1, mais sans THF, avec 200 ml de toluène comme solvant. On obtient alors 0,53 g de produits légers, 28,1 g de copolymère soluble (rdt: 72,1 %) et 6,6 g de copolymère solide insoluble. Exemple 3 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 1, avec ml d'un mélange toluène-THF comme solvant (dans les proportions respectives 7 pour 1 en poids), 23 g de sodium (1 at.-g.), 41,1 g de Me2SiCl2 (0,318 mole) et 18, 5 g de (HClMeSi)2 NH (0,106 mole, 25 % molaire). On obtient alors 1,45 g de produits légers, 25,45 g de copolymère soluble sous la forme d'une graisse qui devient fluide à 100 C (rdt: 86,4 %) et 1,4 g de copolymère solide insoluble. Exemple 4 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec 200 ml de toluène comme solvant, 25 g de sodium, 50,33 g de Me2 SiCl2 (0,39 mole) et 22,64 g de (HMeClSi)2 NH fraîchement distillé (0,13 mole, 25 % molaire). On obtient alors 0,95 g de produits Légers, 29,2 g de copolymère soluble (rdt: 81,1 %) et 2,15 g de solide inso- luble. Exemple 5 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec 250 ml de toluène comme solvant, 28,73 g de sodium (1,25 at.-g), ,33 g de Me2 SiCl2 (0,39 mole) et 36,6 g de (HMeClSi)2 NH (0,21 mole, % molaire). On obtient alors 1,05 g de produits légers, 40,52 g de copolymère soluble (rdt: 91,3 %) (huile visqueuse) et 0,95 g de copolymère insoluble. Exemole 6 L'expérience est conduite comme dans L'exempLe 2, avec mL de toluène, 19,55 g de sodium (0,85 at.-g), 25,81 g de Me2 SiCL2 (0,2 mole) et 34,83 g de (HMeSiCl)2 NH (0,2 mole, 50 % moLaire).Onobtient alors0,15g deproduits Légers, 25,55 gde copoly wère (huile fluide soluble) (rdt: 79,2 %) et 0,35 g d'insoluble. ExemoLe 7 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec ml de toluène, 19,3 g de sodium (0,84 at.-g, excès de 5 %), 34,5 g de méthyldichlorosilane (0,3 mole) et 17,4 g de (CLMeHSi)2 NH (0t,1 mole, 25. % molaire).Onobtientalors0,32gdeproduits légers, 21,8g de copolymère soluble.(huile) (rdt: 82,7 %) et 1,5 g de copolymère insoluble. Exemple 8 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 1, avec 300 mL du mélange toluène - THF dans les proportions respectives 7 pour 1 en poids, 32,2 g de sodium (1,4 at.-g), 79,94 g-de dichloro- méthylvinyLsilane fraîchement distillé (0,566 mole) et 17,42 g de (HMeCLSi)2 NH (0,1 moLe, 15 % molaire). On obtient alors 12,77 g de copolymère soluble (soLide) (rdt: 23 %) et 41,4 g de copolymère insoluble solide (rdt: 77 %). ExemoLe 9 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec 250 mL de toluène, 23 g de sodium (1 at.-g), 50,78 g de dichloro- méthylvinylsilane (0,36 mole) et 20,9 g de (HMeCLSi)2 NH (0,12 mole, % molaire). On obtient alors 17,95 g de copolymère soluble solide (rdt: 43,4 %) et 23,4 g de copolymère insoluble (56,6 %). ExempLe 10 L'expérience est conduite comme dans L'exemple 2, avec 200 mL de toluène, 25,3 g de sodium (1,1 at.-g), 43,62 g de Me2 SiCL2 (0,338 mole, 65 % molaire), 7,33 g de dichlorométhylvinylsilane (0,052 mole, 10 % molaire), 22,64 g de (HMeCLSi)2 NH (0,13 mole, % molaire). On obtient alors 0,4 g de produits Légers, 27,05 q de copo- lymère soluble (rdt: 73,6 %) sous la forme de graisse fluide, et 8,8 g de copolymère solide insoluble. 261643 6 Exemple 11 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 1, avec 300 mL de toluene comme solvant, 21 g de sodium (0,91 at.-g), 61,7 g de disilanes chlorés de formule brute Me2,3Si2Cl3 7 et 26,1 g de (HMeClSi)2 NH (0,15 mole, 35 % molaire). On obtient alors 10,5 g de copolymère soluble (rdt: 25,78 %) et 23,3 g de copolymère insoluble (rdt: 69,71%). Exemple 12 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec 125 ml de toluène, 16,1 g de sodium (0,7 at.-g), 36,5 g de Me2SiCl2 (0,28 mole) et 9,41 g de (HMeCLSi)2 NMe (0,05 mole, 15 % molaire). On obtient alors 2,14 g de produits Légers, 17,5 g de copolymère soluble (rdt: 80,8 %) et 3,27 g de solide insoluble. La microanalyse de la graisse soluble donne les résultats suivants: H(%): 9,65; N(%): 2,35; CL(%): Exemple 13 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec mL de toluène, 16, 1 g de sodium (0,7 at.-g), 36,5 g de Me2SiCL2 (0,28 mole) et 10,1 g de (EtHClSi) NH (0,05 mole, 15 % molaire). On obtient alors 1,07 g de produits légers, 16,98g de graisse blanche soluble (rdt: 73,95 %) et 2,62 g de solide insoluble. La microanalyse de la graisse soluble donne les résultats suivants: H(%): 9,65; N(%): 3,42; Cl(%): 0,78. Exemple 14 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec ml de toluène, 13, 5 g de sodium (0,59 at.-g), 27,1 g de Me2SiCl2 (0,21 mole) et 20,9 g de (HPhClSi)2 NH (0,07 mole, 25 % molaire). On obtient alors 0,47 g de produits légers, 25,12g de copolymère soluble (rdt: 89,3 %) et 1,93 g d'insolubles. La microanalyse de la graisse soluble donne les résultats suivants: H(%): 6,95; N(%): 4,33; Cl(%): 1,59. Exemple 15 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec ml de toluène, 14, 94 g de sodium (0,65 at.-g), 48,74 g de PhMeSiCl2 (0,255 mole) et 7,84 g de (HMeClSi)2 NH (0,045 mole, % molaire). Onobtient alors 0,09 g de produits légers, 34,54g de copo- lymère soluble (rdt: 99,3 %) et 0,15 g de solide insoluble. 26 16436 Exemple 16 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec ml de toluène, 16, 1 g de sodium (0,7 at.-g), 45,87 g de PhMeSiCl2 (0,24 mole) et 13,93 g de (HMeCLSi)2 NH (0,08 mole, 25 % molaire).On obtient alors 0,23 g de produits léqers, 36,64 g de copolymère soluble et 0,13 g d'insolubles. Exemple 17 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 2, avec ml de toluène, 17, 24 g de sodium (0,75 at.-g), 37,3 g de Me2SiCl2 (0,289 mole) et 10,11 g de (HViClSi)2 NH (0,051 mole, % molaire). Onobtient alors 0,46 9 deproduits légers, 7,06 g de graisse soluble (rdt: 30,3 %) et 18,27 g d'insolubles. On décrit dans les exemples suivants le traitement ther- mique (thermolyse) des copolyméres selon l'invention. Exemole 18 L'appareillage est constitué d'un ballon de silice de 500 mL à cols longs, muni d'une gaine thermométrique, d'une entrée de gaz inerte (argon) et d'un réfrigérant ascendant en silice à circulation d'eau, relié à un compteur à gaz de précision. Le copolymére soluble préparé selon l'exemple 1 est introduit dans le ballon sous atmosphère inerte (13, 95 g), la pesée pouvant être effectuée en boîte à gants, puis l'appareillage est soigneusement purgé à l'argon. La thermolyse est effectuée par chauffage progressif du ballon à l'aide d'un bain de sable fluidisé, jusqu'à une température de 500 C. L'opération est stoppée au bout de 5 h, la température du milieu réactionnel ayant alors atteint 433 C, et le dégagement total du gaz étant de 1725 cm3. Après déduction du volume mort de l'appareillage, le volume de gaz, rapporté à la masse du produit engagé, est de 104,6 cm3/g. Le contenu du ballon est repris par 200 cm3 d'hexane, après refroidissement, et agité pendant une heure avec un agitateur magnétique, jusqu'à dissolution optimale. Après filtration en boîte à gants, on obtient un solide insoluble dont le poids est de 3,7 g après élimination du solvant sous vide. Le filtrat est concentré au rotavapor, puis dévolatilisé 26 1643E pendant 1 h à 250 C sous 1 mm de mercure. On recueille alors 0,82 g de produits Légers,et 4,63gdepolycarbosilazane solide se ramollisant à 210 C au bancKoffLer (rdt par rapport au copolymère engagé: 33,2 %). Taux de résidu à 900 C: 64 %. La microanalyse du copolymère soluble donne les résultats suivants: N(%): 3,2; Cl(%): Exemple 19 L'expérience est conduite comme dans l'exemple 18, en utilisant le copolymère préparé dans l'exemple 1 (13,95 g). Durée: 5 h. Température du bain de sable: 500 C. Température finale du milieu réactionnel: 413 C. Volume de gaz (calculé comme précédem- ment): 82,4 cm3/g. La microanalyse du copolymère soluble donne les résultats suivants: N(%): 4,5; Cl(%): Bilan: - Produits légers: 1,76 g - Polycarbosilazane soluble: 5,4 g (rdt: 38,7 %) Température de ramollissement: 190 C. Taux de résidu à 900 C: 66 %. - Polycarbosilazane insoluble: 2,45 g. Exemple 20 Expérience conduite comme décrit dans L'exemple 18, en utilisant 12,8 g de copolymère préparé selon l'exemple 2. Durée: 3 h 45 min. Température du bain de sable: 450 C. Température finale du milieu réactionnel: 402 C. Volume du gaz = 81,2 cm /g Masse du copolymère de départ Bilan - Produits légers: 2,1 g - Polycarbosilazane soluble: 6,7 g (rdt: 52,3 %). N(%): 3,72; Cl(%): 0,38. Température de ramollissement sur banc Koffler: 2500C. Taux de résidu: 66 % à 1400 C. - Polycarbosilazane insoluble: 0,45 g. Exemple 21 Expérience effectuée comme décrit à l'exemple 18, en utilisant au départ 12,8 g du copolymère préparé selon l'exemple 2. Durée: 4 h 30 min. Température du bain de sable: 425 C. Température finale du milieu réactionnel: 390 C. Volume du gaz 70,3 cm3/g Masse du copolymère de départ Bilan: - Produits légers, 1,5 g - Polycarbosilazane soluble:7,5g (rdt: 58,6 %). N(%): 5,36; Cl(%): 0,50 Température de ramollissement au banc Koffler: 170 C. - Insoluble: 0,1 g. ExemDle 22 L'expérience a été effectuée comme décrit à l'exemple 18, avec 11,45 g de copolymère préparé selon l'exemple 3. Durée de la thermolyse: 50 min. Température du bain de sable: 325 C. Tempéra- ture finale du milieu réactionnel: 322 C. Volume du gaz 63,7 cm /g Masse du copolymère de départ Bilan: - Produits légers 1,4 g - Polycarbosilazane soluble: 4,2 g (rdt: 36,7 %). N(%): 3,88; CI(%): 0,28 Température de ramollissement: 20 C. - Insoluble: 4 g. Exemple 23 Expérience conduite comme décrit à l'exemple 18, avec 11,9 g de copolymère préparé selon l'exemple 3. Durée de la thermolyse: 4 h. Température du bain de sable: 275 C. Température finale du milieu réactionnel: 273 C. Volume dégqaqé 48,3 cm /g Masse du copoL=ymère de départcm/ Masse du copolymre de départ Bilan: - Produits légers: 1,15 g. - PoLycarbosilazane soluble: 4,35 g (rdt: 36,5 %). N(%): 3,37; CL(%): Température de ramollissement: 50 C. - Insoluble: 4,9 g. Exemple 24 Expérience conduite comme décrit dans l'exemple 18,avec 13,8g de copolymère préparé selon l'exemple 4. Durée de la thermolyse: 4 h 45 min. Température du bain de sable: 400 C. Température finale du milieu réactionnel: 376 C. Volume dégagé 69 9-cm3/g Masse du copolymère de départ 69,9cm/g. Bilan: - Produits légers: 1,7 g - Polycarbosilazane soluble: 7,9 g (rdt: 57,2 %) Température de ramollissement: supérieure à 250 C. - Insoluble: 0,1 g. Exempte 25 Expérience conduite comme décrit dans l'exemple 18, avec 13,95 g de copolymère préparé selon l'exemple 4. Durée de la thermolyse: 3 h 10 min. Température du bain de sable: 400 C. Température finale du milieu réactionnel: 374 C. Volume déQagé = 55;2 cm3/g Masse du copolymère de départ Bilan: - Produits légers: 1,1 g - Polycarbosilazane soluble: 9,3 g (rdt: 66,7 %). N(%): 4,62; Cl(%): 0,7. Température de ramollissement: 110 C. - Insoluble: 0,5 g. Exemple 26 Expérience conduite comme décrit dans l'exemple 18, avec 15 g de copolymère préparé selon l'exemple 5. Durée de la thermolyse: 4 h 30 min. Température du bain de sable: 400 C. Température finale du milieu réactionnel: Volume dégagé = 57 cm3/g Masse du copolymère de départ Bilan: - Produits légers: 0,6 g - Polycarbosilazane soluble: 10,2 g (rdt: 68 %). Température de ramollissement: 135 C. - Insoluble: 0,1 g. Exemple 27 Expérience conduite comme décrit dans l'exemple 18, avec 15 g de copolymère préparé selon l'exemple 5 au départ. Durée de la thermolyse: 3 h 25 min. Température du bain de sable: 400 C. Température finale du milieu réactionnel: Volume déqaqgé 3 = 65 cm3/g Masse du copolymère de départ 65 cm / Bilan: - Produits Légers: 0,55 g - Polycarbosilazane soluble: 10 g (rdt: 66,7 %). Température de ramollissement: supérieure à 250 C. - Insoluble: 0,2 g. La pyrolyse à 1200 C, sous argon, du polycarbosilazane soluble de cet exemple a donné un taux de résidu de 72 %. La céra- mique ainsi obtenue est totalement amorphe d'après le spectre RX. Apres chauffage jusqu'à 1600 C, elle apparaît alors formée de micro- domaines SiC et Si3N4, d'après la spectroscopie de photoélectron. Exemple 28 Expérience conduite comme décrit dans l'exemple 18, avec au départ 11 g du copolymère préparé selon l'exemple 7. Durée de la thermo- lyse: 5 h. Température du bain de sable: 350C. Température finale du milieu réactionnel: 3280C. Volume dégqaqgé 36,3 cm3/g Masse du copolymère de départ 36,3 cm/ Bilan: Produits légers: 3,2 g - Polycarbosilazane soluble: 5,45 g (rdt: 49,5 %). Point de ramollissement: 110 C. - Insoluble: 0,5 g. 26 16436 REVENDICATIONS 1. Copolymères à liaisons -Si-N et -Si-Si- caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par polycondensation, - d'au moins un silane de formule R R1 Si Cl2 - et d'au moins un disilazane de formule R R gi1,R1 R -Si-N-Si-R 2,, 2 R3 R R3 formules dans Lesquelles - R2 est un atome d'halogène de préférence Br et Cl - R. R1 et R3 identiques ou différents représentent un atome d'hydro- gène, ou un radical hydrocarboné alkyle, alcényle, alcynyle, cyclo- alkyle, cycloalcényle, aryle, alkylaryle, alcénylaryle, éventuelle- ment fonctionnel. 2. Copolymères selon la revendication 1 dans lesquels R2=CL, R=H, R =R 3=CH3. rv2-C â-nt1 3 3- 3. Copolymères selon les revendications 1 et 2 dans lesquels le silane utilisé peut être un disilane chloré de formule Cl SiMe -SiMe Cl avec 1 des chlorosilanes. 4. Procédé de préparation des copolymères selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la copolymérisation est effectuée en mettant en présence, dans un solvant, les monomères en présence d'un métal alcalin, de préférence le sodium. 5. Polycarbosilazanes, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par thermolyse,sous atmosphère inerte et sèche, entre 250 et 550 C d'un copolymère selon les revendications 1 et 2. 6. Carbonitrures de silicium,caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par chauffage, sous atmosphère inerte, à une température de 900 à 1000 C d'un polycarbosilazane selon la revendication 5.