笼型聚倍半硅氧烷POSS 产品简介

2021-10-13 09:53

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笼型聚倍半硅氧烷，英文名称polyhedral oligomeric silsesquioxane，简称POSS，通式 (RSiO3/2)n，其中R为八个顶角Si原子所连接基团。20世纪90年代中期，美国空军研究实验室（Air Force Research Lab，简称AFRL）推进技术委员会为了满足空军对新一代超轻、高性能聚合物材料的需要，发展了一种多面体低聚倍半硅氧烷的纳米结构杂化体系 [1]。POSS是由Si-O交替连接的硅氧骨架组成的无机内核，在其八个顶角上Si原子所连接的基团R可以为反应性或者惰性基团。

中文名: 笼型聚倍半硅氧烷
外文名: polyhedral oligomeric silsesquioxane

类型: 化学物质
简称

种类

POSS种类繁多，其具体区别主要依据R基的种类和个数，因此其应用范围较广，名称也是根据R基的不同的取名，例如当R基为乙烯基、氨基、苯基时可分别称之为乙烯基POSS、氨基POSS和苯基POSS。目前国内科研机构制备的POSS均是根据对材料性能和属性的不同要求从而来选择性的控制R基的性质和个数，不同的活性R基可以与不同的聚合物基体之间发生化学键合作用。

结构与性能

POSS是由Si-O交替连接的硅氧骨架组成的无机内核，其形状如同一个“笼子”，故得名为笼型聚倍半硅氧烷，其三维尺寸在1~3nm之间，其中Si原子之间的距离为0.5nm，R基团之间距离为1.5nm，属于纳米化合物。

1. 笼型框架
POSS的笼型框架结构使得其具有良好的介电性和光学性能，在增韧方面，POSS纳米粒子能终止微裂纹尖端的发展，并能引发银纹或者剪切带或者分子链重新排列，“笼子”的弹性能够起到类似“弹珠”的作用。
2. 无机内核
Si-O交替连接的硅氧骨架组成的无机内核，能抑制聚合物分子的链运动而赋予杂化材料良好的热稳定性、力学性能和阻燃性。Si-O键能为445.2KJ/mol，相比之下C-C键能为350.7KJ/mol，C-O键能为359.1KJ/mol，因此要想破坏POSS内核中的键所需能量较大。
3. 纳米尺度
POSS的三维尺寸均处于纳米尺度范围内，是典型的纳米化合物，具备有纳米粒子小尺寸效应，表面与界面效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应，从而具备较强综合性能。
4. R基多变
POSS在聚合物中的应用主要取决于R基，R基可以为反应性的基团，如烯基、环氧基、氨基等等，可以通过反应性的R基来与聚合物之间发生接枝或者聚合反应，从而产生聚合物之间化学键合作用，引入POSS基，实现分子层上的均匀分散，提高聚合物性能。当R基为惰性基团，如烷基、亚烃基、芳基等等，可以调节POSS纳米结构与聚合物之间的相容性。

单官能团POSS

所谓单官能团POSS，指的是八个顶角的基团中只有一个是反应性基团，其余七个均为惰性基团。这类单官能团POSS中的活性反应基团可以与多种聚合物单体反应，得到含POSS的共聚物，或将POSS接枝到聚合物主链上形成接枝共聚物，还可以封端基得到端基为POSS的杂化材料。采用单官能团主要得到的是吊坠型POSS，线型的吊坠POSS能够提高氧渗透性、玻璃化转变温度和降解温度，但是其阻燃性、密度和黏度会有所下降。

单官能团POSS.png

单官能团POSS多采用“顶端带帽”的方法来合成，典型的反应就是将环戊基或者环己基三氯硅烷在丙酮的水溶液中水解制备得到T7（OH）3（即还有一个顶角未闭合，分别为三个羟基），然后再三乙胺的存在下加入另一种三氯硅烷，进行关环反应，得到闭合的笼型结构。

POSS合成路线.png

多官能团POSS

顾名思义，多官能团POSS就是R基部分或者全部是反应性基团，可以作为热固性树脂的交联剂，形成高度交联的POSS基聚合物纳米杂化材料。与之对应的R基若全为惰性基团，则可以用于与聚合物共混制备杂化材料。

合成方法目前主要通过硅烷偶联剂的水解得到，其他方法还包括“烷基取代法”等。

主要用途

POSS/聚合物纳米复合材料是最新发展起来的一种高性能有机无机杂化材料，以POSS为无机成分，无机相与有机相间通过强的化学键结合，不存在无机粒子的团聚和两相界面结合力弱的问题，因此很容易通过共聚、接枝或共混等方式与聚合物基体进行复合制备。POSS/聚合物纳米复合材料的综合性能优异，主要表现在：（1）可以使复合材料的使用温度增加；（2）可以提高复合材料的力学性能；（3）可以改善复合材料的加工性能；（4）可以使复合材料具有显著的延迟燃烧特性；（5）可以多功能化，将POSS作为封端基或交联固化中心，可以获得满足不同需要的改性聚合物。

参考资料