CN110256675B - 一种利用半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物和聚乳酸及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物和聚乳酸及其合成方法。本发明的特征在于利用半笼型结构的多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷裸露的三个羟基与乳酸的羧基进行反应，以此在乳酸预聚物中引入半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷，从而提高乳酸预聚物扩链产物与聚乳酸混合物的热性能、阻燃性能和物理机械性能等。另外，还可以利用改性后乳酸预聚物和聚乳酸结构中倍半硅氧烷组分硅原子上惰性取代基团如苯基、环戊基和环庚基调节和改善其与其它聚合物或材料包括塑料和橡胶等共混的相容性。

Description

一种利用半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预 聚物和聚乳酸及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种反应性的半笼型多面体寡聚多羟基倍半硅氧烷对乳酸的改性、改性产物（乳酸预聚物）的扩链缩聚的方法。具体涉及多面体寡聚倍半硅氧烷以一种有机-无机纳米结构单元的形式引入乳酸预聚物中，使得产物兼具无机和有机组分各自的优越性，及二者的协同效应产生的特性，从而提高乳酸聚合物的热性能、阻燃性能和物理机械性能等。
背景技术
多面体寡聚倍半硅氧烷（Polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS），通式为(RSiO1.5)n，是一类为多环状、直链状和梯型结构的混合体。通常用RSiX3(R为烃基、X为Cl或OR)作为原料，RSiX3发生水解和缩聚反应生成完全缩聚型或不完全缩聚即半笼型的多面体寡聚倍半硅氧烷，化学结构式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
多面体寡聚倍半硅氧烷在空间上具有高度交联三维多面体结构，由无机的 “核”（Si-O-Si）和与“核”以共价键的方式连接的有机的“壳”(R)组成。有机的“壳” 由不同的有机基团构成，这些有机基团(R)向外伸展, 环绕在无机的“核”的周围，可以进行不同的结构和性能的功能化，即有机基团可以是带反应性的基团（如羟基和氨基等）参与反应，或是易与其它聚合物和树脂相容的基团（如苯基和脂肪族烃基等）；POSS结构中Si-O-Si 键之间的空间距离为0.5 nm, 而2个相邻有机基团(R)之间的距离是1.5-3.0 nm，是一类具有纳米尺度和表面可功能化的无机-有机杂化物。这种独特的结构为杂化功能材料的制备提供重要的平台与基础，利用多面体寡聚倍半硅氧烷改性聚合物和树脂可以有效地提高材料的耐热、阻燃和物理机械等性能。近年来，作为无机分散相的多面体寡聚倍半硅氧烷是无机-有机复合材料研究中的一个重要分支。
多面体寡聚倍半硅氧烷中不完全缩聚即半笼型倍半硅氧烷分子上的羟基可以接上各种基团或与其它化合物反应生成含稳定的笼型结构多面体寡聚倍半硅氧烷的各种聚合物，从而提高熔化温度和分解温度，可制取耐热耐磨涂料、介电材料、耐烧蚀材料、陶瓷纤维和碳化硅的前驱体等。因此，利用半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性聚合物和树脂将成为研究热点。
聚乳酸（PLA）是一种以可再生植物资源淀粉的发酵产物即乳酸为原料，经过脱水缩聚而成的一种线型热塑性脂肪族聚酯。它是一种无毒、无刺激性，具有良好的生物相容性、可降解性，可被微生物或酶分解吸收、可塑性加工成型和强度高的生物可降解高分子材料。但现阶段，PLA存在冲击性能较差、热性能偏低及成本较高等缺点，使其应用受到了很大的限制。到目前为止，改善PLA的韧性、提高耐热性能已成为国内外学者研究的热门领域。因此，我们选用多面体寡聚多羟基倍半硅氧烷改性乳酸获得PLA。
发明内容
本发明的目的是利用三种反应性半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷、半笼型多面体寡聚三羟基七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚三羟基七环庚基倍半硅氧烷分别与乳酸羧基进行预扩链反应，从而在乳酸低聚物分子链中引入半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷纳米粒子，予以提高预缩合的乳酸预聚物扩链后得到的聚乳酸的耐热、阻燃及物理机械等性能。
为实现本发明的目的，本发明采用技术方案为：一种利用半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物和聚乳酸的合成方法，其特征在于：步骤如下：
1）通过取代三氯硅烷水解和之后的缩聚反应，生成完全缩聚型的笼型多面体寡聚倍半硅氧烷；通过“顶点-打开”法制备反应性的不完全缩聚即半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷；
2）将该反应性的半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷与脱水后乳酸在催化剂作用下，通过前者的羟基与后者的羧基之间的相互作用，乳酸进行熔融缩合反应获得乳酸的预缩合和端羟基化产物，反应温度在160℃，压力600-30 Pa，通N2，反应时间8-24 h，由此实现乳酸的预缩合反应和端羟基化反应；
3）在异氰酸酯扩链剂存在下，将该乳酸的预缩合和端羟基化产物进行熔融扩链和缩聚反应，反应温度在100-220 ℃，压力250-1 Pa，通N2，反应时间8-24 h，由此实现乳酸预聚物的扩链反应和缩聚反应获得半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性的聚乳酸。
所选用的脱水乳酸是以含80-85%的工业级D, L-乳酸为原料，在温度为120℃和压力为300-30 Pa减压条件下脱水时间至少2 h制得。
所述的反应性的半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷的一个顶点含有三个裸露的反应性羟基，这些羟基在催化剂作用下能与乳酸及其低聚物的羧基通过共价键进行相互作用，即共价键反应。
所述的步骤1）中的完全缩聚型的笼型多面体寡聚倍半硅氧烷合成所用原料取代三氯硅烷选自苯基三氯硅烷、环戊基三氯硅烷或环庚基三氯硅烷；所述的完全缩聚型的笼型多面体寡聚倍半硅氧烷和相应制得的反应性半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷中与硅原子链接的惰性有机基团是苯基、环戊基或环庚基。
所述的反应性的半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷的摩尔量为原料D, L-乳酸物质的量的1.33%。
上述步骤2）所述的催化剂选自辛酸亚锡、二丁基二月桂酸锡、乳酸锡或二氯化锡，还添加助催化剂对甲苯磺酸。
上述步骤2）所用的催化剂用量为原料D, L-乳酸质量的0.005-10%，优选0.5%。
上述步骤3）所述的反应温度为180 ℃。
上述步骤3）所述的压力为40 Pa；反应时间为24 h。
本发明上述的合成方法制得的半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷、半笼型多面体寡聚七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚七环庚基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物和聚合物。
具体地说，本发明提出一种利用半笼型多面体寡聚多羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物和聚乳酸及其合成方法，所采用的技术方案是：1）在一定条件下，苯基三氯硅烷、环戊基三氯硅烷或环庚基三氯硅烷发生水解并缩聚反应，制得完全缩合型的相应笼型多面体寡聚八苯基倍半硅氧烷、笼型多面体寡聚八环戊基倍半硅氧烷或笼型多面体寡聚八环庚基倍半硅氧烷；2）通过“顶点-打开”法，以四乙基氢氧化铵作为媒介，三种完全缩合型的笼型多面体寡聚倍半硅氧烷经碱性催化水解生成相应不完全缩合即半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷（合成路线见如下的反应式）、半笼型多面体寡聚三羟基七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚三羟基七环庚基倍半硅氧烷；3）原料乳酸脱水后与三种半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷进行预缩聚和端羟基化，及进一步经过扩链及缩聚反应制得扩链聚乳酸；以一定的比例与纯聚乳酸混合制备具有耐热、阻燃和增强的聚乳酸。
Figure 734356DEST_PATH_IMAGE002
半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷的合成反应式
本发明所述的一种利用半笼型多面体寡聚多羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物、聚乳酸及其合成方法，包括以下具体方法，具体步骤为：
1）一定量的苯基三氯硅烷、环戊基三氯硅烷和环庚基三氯硅烷分别和苯加入装有冷凝管、温度计和搅拌棒的三口烧瓶中，机械搅拌和室温条件下，缓慢滴加适量的去离子水；滴加完毕后继续在室温进行水解反应若干小时，用分液漏斗分离水层，接着用去离子水洗涤有机相至中性。将有机相移入三口烧瓶，加入氢氧化钾乙醇溶液，加热回流，缩合后经离心和乙醚洗涤数次，干燥后分别得到完全缩合型的笼型多面体寡聚八苯基倍半硅氧烷、笼型多面体寡聚八环戊基倍半硅氧烷或笼型多面体寡聚八环庚基倍半硅氧烷；2）取适量上述三种完全缩合型的笼型多面体寡聚倍半硅氧烷，加入四氢呋喃和四乙基氢氧化铵水溶液，混合物在66 ℃下回流反应4 h后，向反应体系中加入适量稀盐酸使其中和；蒸馏法除去其中的可挥发溶剂得到白色固体，接着将其溶于乙醚中并用无水硫酸镁处理，过滤所得溶液，蒸干溶剂后即可分别得到白色微晶状半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷、半笼型多面体寡聚三羟基七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚三羟基七环庚基倍半硅氧烷；
3）在反应容器中，投入一定量工业原料D, L-乳酸，经120 ℃和减压条件，工业乳酸脱水得到纯乳酸；
4）将一定摩尔比的上述脱水乳酸与三种半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷混合，以辛酸亚锡为催化剂，在机械搅拌和180 ℃条件下同时进行预缩合，分别得到相应半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷、半笼型多面体寡聚三羟基七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚三羟基七环庚基倍半硅氧烷改性的端羟基乳酸预聚物；
5）以上三种半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性的端羟基乳酸预聚物在扩链剂二异氰酸酯存在下，发生扩链反应8~24 h，反应期间把反应过程中生成的水分子除去，得到经半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷、半笼型多面体寡聚七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚七环庚基倍半硅氧烷改性的扩链聚乳酸；
6）以质量比3﹕7的比例混合扩链聚乳酸与纯聚乳酸在双螺杆密炼机混合器中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷纳米粒子改性的聚乳酸。产物经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定热性能、阻燃和力学性能。
本发明的有益效果为：本发明的创新之处在于半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷、半笼型多面体寡聚三羟基七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚三羟基七环庚基倍半硅氧烷裸露的三个羟基与（低聚）乳酸的羧基反应，以此通过化学键合方法在乳酸预聚物中引入寡聚倍半硅氧烷，使得寡聚倍半硅氧烷组分均匀分布在聚合物基体中，充分有效利用稳定的半笼型结构使扩链聚乳酸具有良好的热性能、阻燃性能和物理机械性能，另外半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷的有机基团（如苯基、环戊基或环庚基）可调节和改善其与其它聚合物和树脂的相容性。
具体实施方式
实施例1：
将50 g苯基三氯硅烷和240 mL苯加入1 L装有冷凝管、温度计和搅拌棒的三口烧瓶中，机械搅拌及在室温条件下缓慢滴加25 g去离子水，滴加完毕继续在室温反应过夜，用分液漏抖分离水层，用去离子水洗涤有机相至中性。将有机相移入三口烧瓶，加入含有2.5mL 0.5 mol/L的KOH乙醇溶液，加热回流（81 ℃）24 h，离心，用乙醚洗涤3次，干燥得到笼型多面体寡聚八苯基倍半硅氧烷。
实施例2：
取5 g实施例1制得的笼型多面体寡聚八苯基倍半硅氧烷置于250 mL圆底烧瓶中，依次加入125 mL四氢呋喃和7.85 g 10wt%四乙基氢氧化铵（四乙基氢氧化铵与笼型多面体寡聚八苯基倍半硅氧烷的摩尔比为1.2:1）的水溶液，混合物在66 ℃下回流反应4 h，向反应液加入稀盐酸使其中和；蒸馏除去其中可挥发溶剂得白色固体。将其溶于乙醚中并用无水硫酸镁处理，过滤、蒸干得到白色微晶状的反应性的半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷。
实施例3：
在20 L反应釜中加入15 L 85%工业D, L-乳酸，经120℃和减压（300-30 Pa）条件，工业乳酸脱水得到脱水乳酸。
实施例4：
在250 mL三口烧瓶中加入实施例3得到的脱水乳酸100 g，实施例2制得的反应性的半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷3.02 g，辛酸亚锡（催化剂）0.68 g。在160℃、抽真空达30 Pa以下和机械搅拌条件下，乳酸发生缩合和端羟基化反应，反应24 h后经酸值测定生成物酸值等于2.3 mg KOH/g，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物。
实施例5：
在250 mL三口烧瓶中加入实施例3得到的脱水乳酸100 g，实施例2制得的半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷3.02 g，二丁基二月桂酸锡（催化剂）0.68 g。在160℃、抽真空达30 Pa以下和机械搅拌条件下，乳酸发生缩合和端羟基化反应，反应24 h后经测定生成物酸值等于2.5 mg KOH/g，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物。
实施例6：
在250 mL三口烧瓶中加入实施例3得到的脱水乳酸100 g，实施例2制得的半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷3.02 g，乳酸锡（催化剂）0.68 g。在160℃、抽真空达30 Pa以下和机械搅拌条件下，乳酸发生缩合和端羟基化反应24 h，经测定生成物酸值等于2.8 mg KOH/g，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物。
实施例7：
在250 mL三口烧瓶中加入实施例3得到的脱水乳酸100 g，实施例2制得的半笼型多面体寡聚三羟基七己基倍半硅氧烷3.02 g，二氯化锡（催化剂）0.68 g。在160℃、抽真空达30 Pa以下和机械搅拌条件下，乳酸发生缩合和端羟基化反应24 h，经酸值测定生成物酸值等于3.0 mg KOH/g，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物。
实施例8：
在250 ml三口烧瓶中加入实施例3得到的脱水乳酸100 g，实施例2制得的半笼型多面体寡聚三羟基七苯基倍半硅氧烷3.02 g，辛酸亚锡（催化剂）0.68 g和对甲苯磺酸0.10g。在160℃、抽真空达30 Pa以下和机械搅拌条件下，乳酸发生缩合和端羟基化反应24 h，经测定生成物酸值1.8 mg KOH/g，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物。
实施例 9：
在250 ml三口烧瓶中加入实施例8得到的半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物100 g和甲苯-2,4-二异氰酸酯5.23 g，机械搅拌，N2气氛，在160 ℃下发生扩链反应12 h，扩链产物置于真空、干燥、避光环境下储存。接着按改性的端羟基乳酸预聚物的扩链产物与聚乳酸质量比3:7的比例混合二者于双螺杆密炼机中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷改性的聚乳酸。产物经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定热性能和力学性能。经比较，改性聚乳酸的玻璃化温度从纯聚乳酸的43 ℃提高到70 ℃。经万能材料试验机测得拉伸强度为69 MPa。
实施例 10：
在250 ml三口烧瓶中加入实施例8得到的半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物100 g和甲苯-2,4-二异氰酸酯10.47 g，机械搅拌，N2气氛，在160 ℃下发生扩链反应12 h，扩链产物置于真空、干燥、避光环境下储存。接着按改性的端羟基乳酸低聚物的扩链产物与聚乳酸质量比3:7的比例混合二者于双螺杆密炼机中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷改性的聚乳酸。产物经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定力学性能。经万能材料试验机测得拉伸强度为78 MPa。
实施例 11：
在250 ml三口烧瓶中加入实施例8得到的半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物100 g和甲苯-2,4-二异氰酸酯15.70 g，机械搅拌，N2气氛，在160 ℃下发生扩链反应12 h，扩链产物置于真空、干燥、避光环境下储存。接着按改性的端羟基乳酸低聚物的扩链产物与聚乳酸质量比3:7的比例混合二者于双螺杆密炼机中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷改性的聚乳酸。产物经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定力学性能。经冲击机测得冲击强度为23.9 kJ/m2和弯曲强度146 Mpa；万能材料试验机测得拉伸强度为83 MPa。
实施例 12：
在250 ml三口烧瓶中加入实施例8得到的半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物100 g和六亚甲基二异氰酸酯15.70 g，机械搅拌，N2气氛，在160 ℃下发生扩链反应12 h，扩链产物置于真空、干燥、避光环境下储存。接着按改性的端羟基乳酸预聚物的扩链产物与聚乳酸质量比3:7的比例混合二者于双螺杆密炼机中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷改性的聚乳酸。产物经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定力学性能。经冲击试验机测得冲击强度为28.8 kJ/m2、弯曲强度156 MPa和拉伸强度为80 MPa。本发明的改性聚乳酸的极限氧指数和热释放速率从纯聚乳酸的20.3 %和700 kW/m2分别提高到26.0 %和降低到563kW/m2，本发明的半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性的聚乳酸具有优良的阻燃效果。
实施例 13：
在250 ml三口烧瓶中加入实施例8得到的半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物100 g和二苯基甲烷二异氰酸酯15.70 g，机械搅拌，N2气氛，在160 ℃下发生扩链反应12 h，扩链产物置于真空、干燥、避光环境下储存。接着按改性的端羟基乳酸预聚物的扩链产物与聚乳酸质量比3:7的比例混合二者于双螺杆密炼机中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷改性的聚乳酸。产物经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定力学性能。经冲击试验机测得冲击强度为33.6 kJ/m2、弯曲强度163 MPa和拉伸强度为90 MPa。本发明的改性聚乳酸的极限氧指数和热释放速率从纯聚乳酸的20.3 %和700 kW/m2分别提高到27.0 %和降低到578 kW/m2，本发明的半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性的聚乳酸具有优良的阻燃效果。
实施例 14：
将50 g环戊基三氯硅烷和240 mL苯加入1 L装有冷凝管、温度计和搅拌棒的三口烧瓶中，机械搅拌及在室温条件下缓慢滴加25 g去离子水，滴加完毕继续在室温反应过夜，用分液漏抖分离水层，用去离子水洗涤有机相至中性。将有机相移入三口烧瓶，加入含有2.5 mL 0.5 mol/L的KOH乙醇溶液，加热回流（81 ℃）24 h，离心，用乙醚洗涤3次，干燥得到笼型多面体寡聚八环戊基倍半硅氧烷。取5 g该笼型多面体寡聚八环戊基倍半硅氧烷置于250 mL圆底烧瓶中，依次加入125 mL四氢呋喃、7.85 g 10%四乙基氢氧化铵（四乙基氢氧化铵与笼型多面体寡聚八环戊基倍半硅氧烷摩尔比1.2:1）水溶液，在66 ℃下回流4 h后，加入稀盐酸使其中和；蒸馏除去溶剂得白色固体。将固体溶于乙醚中并用无水硫酸镁处理，过滤，蒸干得到白色微晶状反应性半笼型多面体寡聚三羟基七环戊基倍半硅氧烷。在250 mL三口烧瓶中加入该产物3.02 g，实施例3的脱水乳酸100 g和辛酸亚锡0.68 g。在160℃、抽真空达30 Pa以下和机械搅拌条件下，乳酸发生缩合和端羟基化反应，反应24 h后得到半笼型多面体寡聚七环戊基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物（酸值2.2 mg KOH/g）。在250 ml三口烧瓶中加入该乳酸预聚物100 g和甲苯-2,4-二异氰酸酯15.70 g，机械搅拌，N2气氛，在160 ℃下发生扩链反应12 h，扩链产物置于真空、干燥、避光环境下储存。接着按改性的端羟基乳酸预聚物的扩链产物与聚乳酸质量比3:7的比例混合二者于双螺杆密炼机中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚七环戊基倍半硅氧烷改性的聚乳酸。产物经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定力学性能。经万能材料试验机测得拉伸强度为75 MPa。本发明的改性聚乳酸的极限氧指数和热释放速率从纯聚乳酸的20.3 %和700 kW/m2分别提高到30.0 %和降低到436 kW/m2，本发明的半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性的聚乳酸具有优良的阻燃效果。
实施例 15：
将50 g环庚基三氯硅烷和240 mL苯加入1 L装有冷凝管、温度计和搅拌棒的三口烧瓶中，机械搅拌及在室温条件下缓慢滴加25 g去离子水，滴加完毕继续在室温反应过夜，用分液漏抖分离水层，用去离子水洗涤有机相至中性。将有机相移入三口烧瓶，加入含有2.5 mL 0.5 mol/L的KOH乙醇溶液，加热回流（81 ℃）24 h，离心，用乙醚洗涤3次，干燥得到笼型多面体寡聚八环庚基倍半硅氧烷。取5 g该笼型多面体寡聚八环庚基倍半硅氧烷置于250 mL圆底烧瓶中，依次加入125 mL四氢呋喃、7.85 g 10%四乙基氢氧化铵（四乙基氢氧化铵与笼型多面体寡聚八环戊基倍半硅氧烷摩尔比1.2:1）水溶液，在66 ℃下回流4 h后，加入稀盐酸使其中和；蒸馏除去溶剂得白色固体。将固体溶于乙醚中并用无水硫酸镁处理，过滤，蒸干得到白色微晶状反应性半笼型多面体寡聚三羟基七环庚基倍半硅氧烷。在250 mL三口烧瓶中加入该产物3.02 g，实施例3的脱水乳酸100 g和辛酸亚锡0.68 g。在160℃、抽真空达30 Pa以下和机械搅拌条件下，乳酸发生缩合和端羟基化反应，反应24 h后得到半笼型多面体寡聚七环庚基倍半硅氧烷纳米粒子改性的端羟基乳酸预聚物（酸值2.2 mg KOH/g）。在250 ml三口烧瓶中加入该乳酸预聚物100 g和甲苯-2,4-二异氰酸酯15.70 g，机械搅拌，N2气氛，在160 ℃下发生扩链反应12 h，扩链产物置于真空、干燥、避光环境下储存。接着按改性的端羟基乳酸预聚物的扩链产物与聚乳酸质量比3:7的比例混合二者于双螺杆密炼机中，在180℃时熔融混合15 min，得到半笼型多面体寡聚七环庚基倍半硅氧烷改性的聚乳酸。经真空干燥并粉碎后，采用模压成型技术并裁成标准样条，测定力学和阻燃性能。经万能材料试验机测得拉伸强度为80 MPa。本发明的改性聚乳酸的极限氧指数和热释放速率从纯聚乳酸的20.3 %和700 kW/m2分别提高到29.6 %和降低到463 kW/m2，本发明的半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性的聚乳酸具有优良的阻燃效果。

Claims (8)

1.一种利用半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物和聚乳酸的合成方法，其特征在于：步骤如下：
1）通过取代三氯硅烷水解和之后的缩聚反应，生成完全缩聚型的笼型多面体寡聚倍半硅氧烷；通过“顶点-打开”法制备反应性的不完全缩聚即半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷；
2）将该反应性的半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷与脱水后乳酸在催化剂作用下，通过前者的羟基与后者的羧基之间的相互作用，乳酸进行熔融缩合反应获得乳酸的预缩合和端羟基化产物，反应温度在160℃，压力30-600Pa，通N2，反应时间8-24h，由此实现乳酸的预缩合反应和端羟基化反应；所述乳酸的预缩合和端羟基化产物即为利用半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷改性的乳酸预聚物；
3）在二异氰酸酯扩链剂存在下，将该乳酸预聚物进行熔融扩链和缩聚反应，反应温度在160℃，压力1-250Pa，通N2，反应时间8-24h，由此实现乳酸预聚物的扩链反应和缩聚反应获得半笼型多面体寡聚倍半硅氧烷改性的聚乳酸；
所述的步骤1）中的完全缩聚型的笼型多面体寡聚倍半硅氧烷合成所用原料取代三氯硅烷选自苯基三氯硅烷、环戊基三氯硅烷或环庚基三氯硅烷。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所选用的脱水乳酸是以含80-85%的工业级D，L-乳酸为原料，在温度为120℃和压力为30-300Pa减压条件下脱水时间至少2h制得。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述的反应性的半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷的一个顶点含有三个裸露的反应性羟基，这些羟基在催化剂作用下能与乳酸及其低聚物的羧基通过共价键进行相互作用，即共价键反应。
4.根据权利要求3所述的合成方法，其特征在于：所述的反应性的半笼型多面体寡聚三羟基倍半硅氧烷的摩尔量为原料D，L-乳酸物质的量的1.33%。
5.根据权利要求1或3所述的合成方法，其特征在于：步骤2）所述的催化剂选自辛酸亚锡、二丁基二月桂酸锡、乳酸锡或二氯化锡，还添加助催化剂对甲苯磺酸。
6.根据权利要求5所述的合成方法，其特征在于：步骤2）所用的催化剂用量为原料D，L-乳酸质量的0.005-10%。
7.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤3）所述的压力为40Pa；反应时间为24h。
8.权利要求1-7任一所述的合成方法制得的乳酸预聚物和聚乳酸，其特征在于，所述乳酸预聚物和聚乳酸是由半笼型多面体寡聚七苯基倍半硅氧烷、半笼型多面体寡聚七环戊基倍半硅氧烷或半笼型多面体寡聚七环庚基倍半硅氧烷改性得到。
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