CN110540649B - 一种多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：以硅烷偶联剂为硅源，将其加入到有机溶剂中，将催化剂水溶液加入到反应体系中，搅拌下进行反应；步骤二：反应完成后，将带有硅羟基的固体直接加入到步骤一的反应体系中，搅拌下继续反应；步骤三：反应完成后，对步骤二得到的反应产物进行过滤，用冲洗溶剂冲洗滤渣，取滤液；步骤四：在步骤三得到的滤液中加入超纯水，剧烈摇晃后静置，待分液完全后，取油相，旋蒸除掉溶剂，得到微黄色粘稠产物。本发明利用副产物中存在的硅羟基提纯完整笼型POSS，该方法步骤少，操作简单，成本低廉，有利于工业化。

Description

一种多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法
技术领域
本发明涉及一种用于提纯多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)的方法，尤其涉及一种从水解缩合法得到的POSS粗产物中制备纯度较高的完整笼型POSS的方法。
背景技术
多面体低聚倍半硅氧烷是一类具有有机-无机杂化结构的笼型/半笼型有机硅类分子，其分子尺寸为1～3nm，结构通式为(RSiO1.5)n，其中n≥6，n＝8的POSS，即T8具有最对称的笼形结构，R可以是同一种或不同种有机基团，POSS由无机的硅氧键组成主要骨架，硅原子上又可以连接不同的有机链，这种有机-无机杂化结构赋予了其很多优异的性能，如耐热性、耐紫外性、化学稳定性、低介电、阻燃性等，可变的有机官能团又使得POSS具备很好的结构可设计性和相容性，可物理共混或化学键和到其他基体中。纳米级的尺寸以及特殊的有机-无极杂化结构使得POSS广泛应用于既有材料的性能提升和功能材料的制备。将带有不同官能的POSS引入到不同的聚合物中，通过化学反应或物理共混，可以明显提高聚合物体系的各种性能，比如提高玻璃化转变温度，增强力学及热力学性能，降低介电常数，并改善聚合物耐紫外性或其它性能。
根据硅氧骨架形成所用的不同的单体，POSS可分为T型和QM型。合成QM型POSS的单体为正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯，该方法得到的产物产率高，且通过重结晶易于分离，但还需要后续反应来制备带有特定官能团的POSS，步骤多且会用到昂贵的催化剂。合成T型POSS的单体为三官能团硅烷，如三烷氧基或三氯硅烷，通过水解缩合制备，该种合成方法简单，可直接得到带有目标官能团的POSS，但副产物多，且副产物与完整笼型结构的产物物理化学性质相似，较难分离提纯。美国Hybrid公司可以工业化生产和售卖不同的POSS，售价昂贵，且其T型POSS产品经过测试发现也是混合物，包括T8、T9、T10、T11以及T12，这种混合物通过物理或化学的方法加入到改性基体中也能很好的提升性能。但目前为止，国内并没有一种较好的分离方法来提纯POSS，所以发明一种简单有效的方法对POSS的工业化以及相关产业的发展具有重大意义。
完整的T型POSS是完全封闭的笼形，带有不同数量的有机链，而不完整的T型POSS则带有不同数量的硅羟基，利用这种结构的不同可以对得到的粗产物进行提纯。
发明内容
为了解决完整笼型结构POSS与其副产物的分离问题，本发明提供了一种多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法。本发明利用副产物中存在的硅羟基提纯完整笼型POSS，该方法步骤少，操作简单，成本低廉，有利于工业化。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，利用POSS粗产物中的杂质相较于完整笼型POSS具有一定数量的硅羟基，因此有较大的极性和反应活性。在不破坏反应体系条件的情况下加入带有大量硅羟基的固体物质，通过硅羟基之间极性相似的相互吸引作用和缩合反应将非笼型结构吸附或接枝在固体表面，然后通过简单的固液分离实现提纯的目的。具体包括如下步骤：
步骤一：以硅烷偶联剂为硅源，将其加入到有机溶剂中，将催化剂水溶液加入到反应体系中，控制反应体系中硅烷偶联剂的浓度为0.1～1mol/L，催化剂的浓度为1～20wt％，搅拌下进行反应。
Figure BDA0002236162260000031
(1)为完整笼型POSS，(2)为非完整笼型POSS中的两种，可以发现杂质中含有一定数量的硅羟基，与完整笼型POSS相比，兼具较大的极性与反应活性，所以在反应体系条件不变的条件下加入含有硅羟基的固体物质，利用硅羟基之间极性相近的相互吸引作用和缩合反应，可将杂质吸附或接枝到固体表面，进而完成分离。
步骤二：反应完成后，将带有硅羟基的固体直接加入到步骤一的反应体系中，搅拌下继续反应。
步骤三：反应完成后，对步骤二得到的反应产物进行过滤，用冲洗溶剂冲洗滤渣5～10次，取滤液。
步骤四：在步骤三得到的滤液中加入超纯水，剧烈摇晃后静置，待分液完全后，取油相，旋蒸除掉溶剂，得到微黄色粘稠产物。
本发明中，硅烷偶联剂的通式为XSiY3，X为带有环氧、氨基或丙烯酰氧基等官能团的有机链，Y为甲氧基、乙氧基或氯。
本发明中，有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、甲醇、异丙醇、甲苯、二甲苯中的一种或几种。
本发明中，催化剂为酸性催化剂(盐酸等)或(四甲基氢氧化铵或四乙基氢氧化铵)碱性催化剂，反应温度为20～80℃。
本发明中，带有硅羟基的固体可以为硅藻土、二氧化硅、白炭黑或玻璃微珠等，所用量与硅烷偶联剂的质量比为1:1～1:10，反应温度为20～80℃，反应时间为1～72h。
本发明中，冲洗溶剂为丙酮、四氢呋喃、甲醇、异丙醇、甲苯、二甲苯中的一种或几种。
本发明中，超纯水的量与起始反应体系中加入的有机溶剂的体积比为1:5～1:1。
本发明中，冲洗溶剂要对完整笼型结构POSS有很好的溶解性，可提高分离效率增加产率。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明首先通过已公开的水解缩合法制备POSS粗产物，然后利用杂质与完整笼型POSS结构的不同进行提纯，杂质分子上含有一定数量的硅羟基，使其相较于笼型POSS来说具有较大的极性和一定的反应性，在反应体系中加入富含硅羟基的固体物质，利用硅羟基之间的缩合反应和极性相近的吸引作用将杂质接枝或吸附在固体表面完成分离。本发明简单易行，成本低廉，适合工业化生成。
附图说明
图1为粗产物的质谱图；
图2为提纯后产物的质谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
步骤一、在250ml烧瓶中加入30ml二甲苯和7.5ml异丙醇，取0.125g四甲基氢氧化铵溶于1.9g水中，然后加入到烧瓶中；
步骤二、取10g 2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷(A1861)溶于20ml二甲苯中，缓慢滴入步骤一所述的溶液中，搅拌下，40℃反应4d；
步骤三、取0.5g硅藻土直接加入反应体系中，同样条件下反应2d；
步骤四、反应完成后，过滤所得粗产物，用二甲苯冲洗滤渣多次，得滤液；
步骤五、在分液漏斗中加入50ml超纯水后，倒入所得滤液，剧烈摇晃后静置，溶液分层，取油相；
步骤六、45℃下，旋转蒸发仪除去油相中溶剂，得微黄色粘稠液体，为产物POSS。
实施例2：
步骤一、在250ml烧瓶中加入30ml二甲苯和7.5ml异丙醇，取0.125g四甲基氢氧化铵溶于1.9g水中，然后加入到烧瓶中；
步骤二、取10g 2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷(A1861)溶于20ml二甲苯中，缓慢滴入步骤一所述的溶液中，搅拌下，40℃反应4d；
步骤三、取1.0g硅藻土直接加入反应体系中，同样条件下反应2d；
步骤四、反应完成后，过滤所得粗产物，用二甲苯冲洗滤渣多次，得滤液；
步骤五、在分液漏斗中加入50ml超纯水后，倒入所得滤液，剧烈摇晃后静置，溶液分层，取油相；
步骤六、45℃下，旋转蒸发仪除去油相中溶剂，得微黄色粘稠液体，为产物POSS。
实施例3：
步骤一、在250ml烧瓶中加入30ml二甲苯和7.5ml异丙醇，取0.125g四甲基氢氧化铵溶于1.9g水中，然后加入到烧瓶中；
步骤二、取10g 2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷(A1861)溶于20ml二甲苯中，缓慢滴入步骤一所述的溶液中，搅拌下，40℃反应4d；
步骤三、取2.0g硅藻土直接加入反应体系中，同样条件下反应2d；
步骤四、反应完成后，过滤所得粗产物，用二甲苯冲洗滤渣多次，得滤液；
步骤五、在分液漏斗中加入50ml超纯水后，倒入所得滤液，剧烈摇晃后静置，溶液分层，取油相；
步骤六、45℃下，旋转蒸发仪除去油相中溶剂，得微黄色粘稠液体，为产物POSS。
实施例4：
步骤一、在250ml烧瓶中加入30ml二甲苯和7.5ml异丙醇，取0.125g四甲基氢氧化铵溶于1.9g水中，然后加入到烧瓶中；
步骤二、取10g 2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷(A1861)溶于20ml二甲苯中，缓慢滴入步骤一所述的溶液中，搅拌下，40℃反应4d；
步骤三、取5.0g硅藻土直接加入反应体系中，同样条件下反应2d；
步骤四、反应完成后，过滤所得粗产物，用二甲苯冲洗滤渣多次，得滤液；
步骤五、在分液漏斗中加入50ml超纯水后，倒入所得滤液，剧烈摇晃后静置，溶液分层，取油相；
步骤六、45℃下，旋转蒸发仪除去油相中溶剂，得微黄色粘稠液体，为产物POSS。
实施例5：
步骤一、在250ml烧瓶中加入30ml二甲苯和7.5ml异丙醇，取0.125g四甲基氢氧化铵溶于1.9g水中，然后加入到烧瓶中；
步骤二、取10g 2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷(A1861)溶于20ml二甲苯中，缓慢滴入步骤一所述的溶液中，搅拌下，40℃反应4d；
步骤三、取1.0g二氧化硅直接加入反应体系中，同样条件下反应2d；
步骤四、反应完成后，过滤所得粗产物，用二甲苯冲洗滤渣多次，得滤液；
步骤五、在分液漏斗中加入50ml超纯水后，倒入所得滤液，剧烈摇晃后静置，溶液分层，取油相；
步骤六、45℃下，旋转蒸发仪除去油相中溶剂，得微黄色粘稠液体，为产物POSS。
实施例6：
步骤一、在250ml烧瓶中加入30ml二甲苯和7.5ml异丙醇，取0.125g四甲基氢氧化铵溶于1.9g水中，然后加入到烧瓶中；
步骤二、取10g 2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷(A1861)溶于20ml二甲苯中，缓慢滴入步骤一所述的溶液中，搅拌下，40℃反应4d；
步骤三、取1.0g玻璃微珠直接加入反应体系中，同样条件下反应2d；
步骤四、反应完成后，过滤所得粗产物，用二甲苯冲洗滤渣多次，得滤液；
步骤五、在分液漏斗中加入50ml超纯水后，倒入所得滤液，剧烈摇晃后静置，溶液分层，取油相；
步骤六、45℃下，旋转蒸发仪除去油相中溶剂，得微黄色粘稠液体，为产物POSS。
实施例7：
步骤一、在250ml烧瓶中加入30ml二甲苯和7.5ml异丙醇，取0.125g四甲基氢氧化铵溶于1.9g水中，然后加入到烧瓶中；
步骤二、取10g 2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷(A1861)溶于20ml二甲苯中，缓慢滴入步骤一所述的溶液中，搅拌下，40℃反应4d；
步骤三、取1.0g硅藻土直接加入反应体系中，80℃下反应2d；
步骤四、反应完成后，过滤所得粗产物，用二甲苯冲洗滤渣多次，得滤液；
步骤五、在分液漏斗中加入50ml超纯水后，倒入所得滤液，剧烈摇晃后静置，溶液分层，取油相；
步骤六、45℃下，旋转蒸发仪除去油相中溶剂，得微黄色粘稠液体，为产物POSS。
对分离前后的样品进行质谱测试，来分析其组成，结果如图1和2所示。
图1中1441处及其附近的峰为T8及其同位素的分子离子峰，1626处及其附近的峰为T9及其同位素的分子离子峰，1796处及其附近的峰为T10及其同位素的分子离子峰。由图2可知，经过提纯，粗产物中低于T8结构的非完整笼型结构杂质明显减少，这是由于这些杂质分子上含有数量较多的硅羟基，在提纯过程中能够有效分离；高于1441的峰为不同的笼型结构，除了T8和T10结构都含有少量的硅羟基，由于这些硅羟基受到较大的笼型结构的空间位阻的影响，在分离过程中难以除去，但这些带有一定量硅羟基的笼型结构的性质较完整笼型结构相差不大，不影响应用。因此，本发明利用简单易行、成本低廉且易于工业化的方法对水解缩合法生成的POSS粗产物进行了有效地分离。

Claims (9)

1.一种多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：以硅烷偶联剂为硅源，将其加入到有机溶剂中，将催化剂水溶液加入到反应体系中，搅拌下进行反应；
步骤二：反应完成后，将带有硅羟基的固体直接加入到步骤一的反应体系中，搅拌下继续反应，所述带有硅羟基的固体为硅藻土，所用量与硅烷偶联剂的质量比为1:1~1:10，所述反应温度为20~80℃，反应时间为1~72h；
步骤三：反应完成后，对步骤二得到的反应产物进行过滤，用冲洗溶剂冲洗滤渣，取滤液；
步骤四：在步骤三得到的滤液中加入超纯水，剧烈摇晃后静置，待分液完全后，取油相，旋蒸除掉溶剂，得到微黄色粘稠产物。
2.根据权利要求1所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述反应体系中硅烷偶联剂的浓度为0.1~1mol/L，催化剂的浓度为1~20wt%。
3.根据权利要求1或2所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述硅烷偶联剂的通式为XSiY3，X为带有环氧、氨基或丙烯酰氧基官能团的有机链，Y为甲氧基、乙氧基或氯。
4.根据权利要求1所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、甲醇、异丙醇、甲苯、二甲苯中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述催化剂为酸性催化剂或碱性催化剂，反应温度为20~80℃。
6.根据权利要求5所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述酸性催化剂为盐酸，碱性催化剂为四甲基氢氧化铵或四乙基氢氧化铵。
7.根据权利要求1所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述冲洗溶剂为丙酮、四氢呋喃、甲醇、异丙醇、甲苯、二甲苯中的一种或几种。
8.根据权利要求1或7所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述冲洗溶剂冲洗滤渣的次数为5~10次。
9.根据权利要求1所述的多面体低聚倍半硅氧烷的提纯方法，其特征在于所述超纯水的量与起始反应体系中加入的有机溶剂的体积比为1:5~1:1。
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