CN110452384B - 一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷及其制备方法 - Google Patents

一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷及其制备方法,属于有机‑无机杂化材料技术领域。本发明提供的笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷具有POSS分子骨架的结构特点,其分子结构中同时具有两种有机侧基,分别为环氧基和苯基,其中苯基可提供较高的热稳定性,环氧基具有反应活性,可以进一步与其他基团发生反应从而转变为其他官能团,可用于进一步制备多种含功能基团的POSS衍生物;同时,在转化的过程中,笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的有机侧基数量不发生变化,具有良好的化学结构稳定性。本发明提供了上述笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的制备方法,此法成本低、原料易得、操作简单,所得产物重复性好且产率高。

Description

一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机-无机杂化材料技术领域,特别涉及一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷及其制备方法。
背景技术
多面体低聚硅倍半氧烷(polyhedral oligomeric silsesquioxane,POSS)指分子式为(RSiO1.5)n的聚硅氧烷,POSS分子结构规整,分子尺寸小,结构上既含有无机硅氧烷的“骨架”结构,又可以通过侧基引进有机基团。Si-O-Si骨架结构具有热稳定性和化学稳定性,其中密度较大的无机含硅内核能抑制它的链运动而赋予其良好的耐热性能,相应的有机侧基则赋予其良好的韧性和可加工性,这种典型的无机-有机杂化材料同时具备有机聚合物和无机陶瓷的基本特征。由于两种不同性质基团的同时存在,大大提高了其在聚合物中的相容性,反应性的有机侧基还可以通过聚合反应实现在聚合物中的分子级分散。反应性基团还可提供反应位点,从而具有可设计性,扩大其应用范围。因此POSS具有广泛的应用前景,且已广泛应用在高耐热,阻燃聚合物材料中。
一般通过脱水缩合得到的具有规整笼型结构的硅倍半氧烷的有机侧基较为单一且数量过多,不能同时满足某些特定的应用环境。因此,进一步设计出同时含有两种官能团结构的规整笼型结构的硅倍半氧烷是非常必要的。
发明内容
有鉴于此,本发明目的在于提供一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷及其制备方法。本发明提供的笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷同时含有环氧基和苯基,具有良好的热稳定性和化学结构稳定性,且具有良好的反应活性。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷,具有式I、式II、或式III所示的结构:
Figure BDA0002185701850000021
式I、式II或式III中,R为
Figure BDA0002185701850000022
在式I、式II或式III中,所述
Figure BDA0002185701850000023
同时存在。
本发明提供了上述笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的制备方法,包括以下步骤:
将苯基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷、溶剂和催化剂混合,进行缩合反应,得到笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷。
优选的,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1:2~2:1。
优选的,所述溶剂为丙酮、乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷在溶剂中的总摩尔浓度为0.5~1mol/L。
优选的,所述催化剂为氢氧化钾,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷的总摩尔量与催化剂的质量比为1mol:1~1.5g。
优选的,所述缩合反应的温度为40~80℃,所述缩合反应的时间为24~72h。
优选的,所述缩合反应后,还包括对所得缩合反应液进行后处理,所述后处理包括以下步骤:
将所得缩合反应液与水混合,加入NaCl和醋酸析出沉淀,然后依次进行过滤、洗涤和干燥,得到笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷固体。
优选的,所述缩合反应液与NaCl和醋酸的用量比为150mL:5~10g:0.10~0.12g。
优选的,所述干燥的温度为40~60℃。
本发明提供了一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷,具有式I、式II、或式III所示的结构。本发明提供的笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷具有POSS分子骨架的结构特点,其分子结构中同时具有两种有机侧基,分别为环氧基和苯基,其中苯基可提供较高的热稳定性,环氧基具有反应活性,可以进一步与其他基团发生反应从而转变为其他官能团,可用于进一步制备多种含功能基团的POSS衍生物;同时,在转化的过程中,笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的有机侧基数量不发生变化,具有良好的化学结构稳定性。实施例结果表明,本发明提供的笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷在400℃的温度下,产物仅失重1%,且初始分解温度高达440℃,最大分解速率温度高达480℃,具有优异的热稳定性。
本发明提供了上述笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的制备方法,此法成本低、原料易得、操作简单,所得产物重复性好且产率高。
附图说明
图1是实施例1~3所得产物的红外光谱图;
图2是实施例1~3所得产物的核磁共振氢谱图;
图3是实施例1~3所得产物的MALDI-TOF-MS质谱分析谱图;
图4是实施例1~3所得产物的TGA-DTG谱图。
具体实施方式
本发明提供了一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷,具有式I、式II、或式III所示的结构:
Figure BDA0002185701850000041
式I、式II或式III中,R为
Figure BDA0002185701850000042
在式I、式II或式III中,所述
Figure BDA0002185701850000043
同时存在。
本发明提供的笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷具有POSS分子骨架的结构特点,其分子结构中同时具有两种有机侧基,分别为环氧基和苯基,所述环氧基具体为带环氧基的(3,4-环氧环己烷)乙基,其中苯基可提供较高的热稳定性,环氧基具有反应活性,可以进一步与其他基团发生反应从而转变为其他官能团,可用于进一步制备多种含功能基团的POSS衍生物;同时,在转化的过程中,笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的有机侧基数量不发生变化,具有良好的化学结构稳定性。
本发明提供了上述笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的制备方法,包括以下步骤:
将苯基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷、溶剂和催化剂混合,进行缩合反应,得到笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷。
在本发明中,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷的摩尔比优选为1:2~2:1,更优选为1:1;所述溶剂优选为丙酮、乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷在溶剂中的总摩尔浓度优选为0.5~1mol/L,更优选为0.6~0.8mol/L。在本发明中,所述催化剂优选为氢氧化钾,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷的总摩尔量与催化剂的质量比优选为1mol:1~1.5g,更优选为1mol:1g。
本发明优选先加入苯基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷和溶剂进行混合,升温至缩合反应温度后再加入催化剂。在本发明中,所述混合的方式优选为磁力搅拌混合,所述磁力搅拌的转速优选为100~300rpm,更优选为200rpm;本发明对所述磁力搅拌的时间没有特殊的要求,能够将所述苯基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷和溶剂混合均匀即可。在本发明中,所述催化剂氢氧化钾优选以氢氧化钾水溶液的形式加入,所述氢氧化钾水溶液的质量浓度优选为0.01~0.0125g/mL。在本发明中,所述氢氧化钾水溶液的加入方式优选为滴加。
在本发明中,所述缩合反应的温度优选为40~80℃,更优选为50~70℃,所述缩合反应的时间优选为24~72h,更优选为48~60h。本发明优选在磁力搅拌的条件下进行缩合反应;本发明从催化剂加入完成后开始计算反应时间。
在本发明中,所述缩合反应的反应路线如式a所示:
Figure BDA0002185701850000051
本发明在所述缩合反应后,还优选包括对所得缩合反应液进行后处理,所述后处理优选包括以下步骤:
将所得缩合反应液与水混合,加入NaCl和醋酸析出沉淀,然后依次进行过滤、洗涤和干燥,得到笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷固体。
在本发明中,所述缩合反应液与水的体积比优选为1:10;所述混合的方式优选为搅拌混合;本发明对所述搅拌的时间和转速没有特殊的要求,能够使缩合反应液与水混合均匀并形成乳液状即可。在本发明中,所述缩合反应液与NaCl和醋酸的质量比优选为150mL:5~10g:0.10~0.12g,更优选为150mL:5g:0.11g;本发明优选先加入NaCl,使缩合反应液与水混合液破乳,再加入醋酸,使产物以固体状态析出。
在本发明中,所述过滤优选为抽滤;所述洗涤用洗涤剂优选为蒸馏水,本发明对所述洗涤剂的用量和洗涤的次数没有特殊的要求,能够将所述抽滤后固体洗涤至中性即可。在本发明中,所述干燥的温度优选为40~60℃,更优选为45~55℃,本发明对所述干燥的时间没有特殊的要求,能够使固体中的水分完全去除即可。
在本发明中,所述后处理所得产物中同时含有式I、式II和式III所示笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷中的两种或三种。
本发明提供的笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的制备方法成本低、原料易得、操作简单,适合工业化大批量生产,同时,本发明提供的制备方法反应条件温和,重复性好,所得产物具有较高的产率。
下面结合实施例对本发明提供的笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷及其制备方法进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将9.91g苯基三甲氧基硅烷(PTMS)和12.32g 2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷(CG-O186)和100mL丙酮加入到带回流冷凝管、恒压滴液漏斗、控温装置和磁力搅拌的250mL三口烧瓶中,搅拌速率为250rpm,油浴控温为70℃;0.1g KOH溶于8mL蒸馏水中配成溶液,缓慢滴加至反应体系中,滴加完毕后继续在70℃下,磁力搅拌,冷凝回流,进行缩合反应24小时,得到缩合反应液。
(2)将步骤(1)得到的缩合反应液倒入大量蒸馏水中机械搅拌,加入少量NaCl,滴加适量醋酸有白色沉淀析出,抽滤,用大量蒸馏水洗涤至滤液呈中性,将滤饼烘干,烘干温度为40℃,最后得到白色产物笼型环氧基苯基硅倍半氧烷。
实施例2
(1)将9.91g苯基三甲氧基硅烷(PTMS)和24.64g 2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷(CG-O186)和150mL乙醇加入到带回流冷凝管、恒压滴液漏斗、控温装置和磁力搅拌的250mL三口烧瓶中,搅拌速率为250rpm,油浴控温为40℃;0.1g KOH溶于8mL蒸馏水中配成溶液,缓慢滴加至反应体系中,滴加完毕后继续在40℃下,磁力搅拌,冷凝回流,反应48小时,得到反应液。
(2)将步骤(1)得到的反应液倒入大量蒸馏水中机械搅拌,加入少量NaCl破乳,滴加适量醋酸有白色沉淀析出,抽滤,用大量蒸馏水洗涤至滤液呈中性,将滤饼烘干,烘干温度为60℃,最后得到白色产物笼型环氧基苯基硅倍半氧烷。
实施例3
(1)将4.96g苯基三甲氧基硅烷(PTMS)和12.32g 2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷(CG-O186)和乙醇、丙酮各50mL加入到带回流冷凝管、恒压滴液漏斗、控温装置和磁力搅拌的250mL三口烧瓶中,搅拌速率为250rpm,油浴控温为80℃;0.1g KOH溶于8mL蒸馏水中配成溶液,缓慢滴加至反应体系中,滴加完毕后继续在80℃下,磁力搅拌,冷凝回流,反应60小时,得到反应液。
(2)将步骤(1)得到的反应液倒入大量蒸馏水中机械搅拌,加入少量NaCl破乳,滴加适量醋酸有白色沉淀析出,抽滤,用大量蒸馏水洗涤至滤液呈中性,将滤饼烘干,烘干温度为50℃,最后得到白色产物笼型环氧基苯基硅倍半氧烷。
性能测试
(一)红外光谱分析
对实施例1~3所得产物进行红外光谱(FT-IR)分析,所得结果如图1所示。
在图1中,1250cm-1和881cm-1为环氧基特有的吸收峰;1590cm-1,1490cm-1和1430cm-1为苯环骨架振动吸收峰,3070cm-1是苯环不饱和C-H振动吸收峰;1090cm-1和1030cm-1是Si-O-Si键振动吸收峰;2850cm-1、2920cm-1和2980cm-1是饱和烷烃的C-H振动吸收峰。从3个实施例的FT-IR谱图结果说明反应的成功进行,同时也表明实施例1~3所得产物结构一致。
(二)核磁共振氢谱分析
对实施例1~3所得产物进行核磁共振氢谱分析,所得结果如图2所示。
图2中,在3.0ppm处的振动峰为环氧官能团结构中与环氧基相连的氢质子的振动峰,在7.0~8.0ppm处的振动峰为苯环结构中的氢质子的振动峰;同时,在低频段2.0ppm之下的饱和烷烃的振动峰也在反应所得产物中被检测出。以上3个实施例的1H NMR谱图结果中,吸收峰的位置一致,这说明反应的完全进行,同时也表明实施例1~3所得产物结构的一致。
(三)MALDI-TOF-MS质谱分析
对实施例1~3所得产物进行基质辅助激光解析串联飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)分析,所得谱图如图3所示,其中实施例1所得质谱分析结果如表1所示。从产物质谱结果来看,实施例1所得产物同时含有式I、式II和式III所示笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷中的三种,其结构具有良好的重复性。
表1实施例1所得产物的MALDI-TOF-MS质谱分析结果
Figure BDA0002185701850000081
Figure BDA0002185701850000091
Figure BDA0002185701850000101
(四)热重分析
对实施例1~3所得产物进行热重分析,所得TGA-DTG谱图如图4所示,所得产物热失重结果数据如表2所示。
表2实施例1~3所得产物热失重结果数据
样品 残炭率(850℃)/% T99%/℃ T95%/℃ Tmax/℃
实施例1 58.32 423.8 449.3 479.3
实施例2 57.61 398.3 443.8 483.1
实施例3 56.93 395.0 436.6 491.8
从3个实施例产物热失重结果来看,在400℃的温度下,产物仅失重1%,而产物的初始分解温度(T95%)更是高达440℃,最大分解速率温度达到了480℃,且产物在850℃时的残炭率高达55%以上,说明本发明所得笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷具有优异的热稳定性。
实施例4
(1)将9.91g苯基三甲氧基硅烷(PTMS)和12.32g 2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷(CG-O186)和200mL丙酮加入到带回流冷凝管、恒压滴液漏斗、控温装置和磁力搅拌的250mL三口烧瓶中,搅拌速率为250rpm,油浴控温为70℃;0.1g KOH溶于8mL蒸馏水中配成溶液,缓慢滴加至反应体系中,滴加完毕后继续在70℃下,磁力搅拌,冷凝回流,反应24小时,得到反应液。
(2)将步骤(2)得到的反应液倒入大量蒸馏水中机械搅拌,加入少量NaCl破乳,滴加适量醋酸有白色沉淀析出,抽滤,用大量蒸馏水洗涤至滤液呈中性,将滤饼烘干,烘干温度为55℃,最后得到白色产物笼型环氧基苯基硅倍半氧烷。
对所得产物进行红外光谱分析、核磁共振氢谱分析、MALDI-TOF-MS质谱分析和热重分析,所得结果与实施例1相似。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将苯基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷、溶剂和催化剂混合,进行缩合反应,得到笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷;
所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1:2~2:1;
所述笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷具有式I、式II、或式III所示的结构:
Figure FDA0002665026650000011
式I、式II或式III中,R为
Figure FDA0002665026650000012
在式I、式II或式III中,所述
Figure FDA0002665026650000013
同时存在。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述溶剂为丙酮、乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷在溶剂中的总摩尔浓度为0.5~1mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述催化剂为氢氧化钾,所述苯基三甲氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷的总摩尔量与催化剂的质量比为1mol:1~1.5g。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述缩合反应的温度为40~80℃,所述缩合反应的时间为24~72h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述缩合反应后,还包括对所得缩合反应液进行后处理,所述后处理包括以下步骤:
将所得缩合反应液与水混合,加入NaCl和醋酸析出沉淀,然后依次进行过滤、洗涤和干燥,得到笼型结构环氧基苯基硅倍半氧烷固体。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述缩合反应液与NaCl和醋酸的用量比为150mL:5~10g:0.10~0.12g。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述干燥的温度为40~60℃。
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