CN111423586A - 一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,属于倍半硅氧烷制备技术领域。为解决氯硅烷化过程中的原料浪费的问题,所述方法如下:将正硅酸四乙酯加入到有机溶剂中,加入催化剂反应;将POSS铵盐旋蒸除去有机溶剂,用洗涤溶剂冲洗得到的白色固体,真空干燥;将二甲基氯硅烷溶于有机溶剂中,将POSS铵盐充分研磨为白色粉末并分批加入溶液中,搅拌下反应;分液处理反应产物并取有机相,用洗涤溶剂冲洗有机相后,除去洗涤溶剂,旋蒸除去有机相中的有机溶剂,用洗涤溶剂洗涤产物,真空干燥。本发明先将POSS铵盐多次后处理以减少铵盐中存在的杂质,然后用纯化后的POSS铵盐与氯硅烷反应,大大减少所需氯硅烷单体的量,降低成本。
Description
技术领域
本发明属于倍半硅氧烷制备技术领域,具体涉及一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法。
背景技术
笼型低聚倍半硅氧烷,简称POSS,是一类尺寸在1-3nm的有机-无机杂化分子,具有结构规整、高热稳定性、低介电常数、高阻燃性等优点。此外,由于骨架为Si-O-Si结构,POSS与聚合物相容性良好,可形成分子级复合,是材料领域的研究热点。POSS的结构为(RSiO1.5)n,n=8时为对称性最优的T8立方笼型结构,R为有机官能团,可根据需要修饰一种或多种不同结构。POSS既可作为无机填料共混到聚合物基体中,也可作为聚合单体与基体化学键合,在纳米尺度上改进聚合物的性能。
官能化POSS分为Tn型和QxMy型两种,Tn型主要通过水解缩合法制备,根据官能团需要选择不同的硅烷偶联剂,在酸或碱催化下实现笼的缩合,T8结构POSS如图1所示。此种方法虽然简单方便,可以直接得到带有目标官能团的POSS产物,但是产率很低且副产物多,并且由于副产物与笼型产物结构性能相似,很难分离提纯,后处理繁琐且困难,使得成本提高。目前为止,国内并没有简单有效的分离方法提纯Tn型POSS。
QxMy型POSS则是硅源在碱催化下直接形成立方笼型结构,再进行氯硅烷化得到H-POSS,根据需要再进行硅氢加成得到目标产物,QM型POSS的结构如2图所示。此方法中,以正硅酸酯为反应起始物,得到POSS铵盐步骤产率高且副产物很少,后处理简单。但是在氯硅烷化过程中,却存在大量的原料浪费问题。氯硅烷化单体为二甲基氢一氯硅烷,此单体相比于其他反应物价格较贵,且由于极易水解,十分不稳定。因为需大大过量于POSS盐,造成严重浪费,成本提高。
发明内容
本发明为了解决氯硅烷化过程中的原料浪费的问题,提供一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,该方法利用对POSS铵盐的后处理,减少杂质和水的存在,大大降低所需的二甲基氢一氯硅烷,降低成本。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,所述方法步骤如下:
步骤一:以正硅酸四乙酯为硅源,将其加入到有机溶剂中,再加入催化剂,搅拌反应得到POSS铵盐;
步骤二:将步骤一的POSS铵盐旋蒸除去有机溶剂,得到白色固体,用洗涤溶剂冲洗白色固体3~5次,冲洗后放入真空烘箱中干燥;
步骤三:将二甲基氯硅烷溶于有机溶剂中,将步骤三得到的POSS铵盐充分研磨为白色粉末并分批加入溶液中,每次不多于0.1g,搅拌下反应;
步骤四:反应结束后,分液处理反应产物并取有机相,用洗涤溶剂冲洗有机相3~5次后,除去洗涤溶剂,旋蒸除去有机相中的有机溶剂,得到白色固体;
步骤五:用0-5℃洗涤溶剂洗涤3~5次所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h。
本发明相对于现有技术的有益效果为:本发明没有将步骤一得到的POSS铵盐溶液直接与氯硅烷发生硅烷化反应,而是首先将步骤一得到的POSS铵盐多次后处理以减少铵盐中存在的杂质,然后用纯化后的POSS铵盐与氯硅烷反应,从而大大减少所需氯硅烷单体的量,降低成本。
附图说明
图1为T8结构POSS结构示意图;
图2为QxMy型POSS结构示意图;
图3为硅氧烷水解缩合示意图;
图4为POSS盐氯硅烷化示意图;
图5为H-POSS MALDI-TOF质谱图。
具体实施方式
下面结合附图和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。
具体实施方式一:本实施方式记载的是一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,所述方法步骤如下:
步骤一:以正硅酸四乙酯为硅源,将其加入到有机溶剂中,再加入催化剂,搅拌反应得到POSS铵盐,反应方程式如图3所示;
步骤二:将步骤一的POSS铵盐旋蒸除去有机溶剂,得到白色固体,用洗涤溶剂冲洗白色固体3~5次,冲洗后放入真空烘箱中干燥;
步骤三:将二甲基氯硅烷溶于有机溶剂中,将步骤三得到的POSS铵盐充分研磨为白色粉末并分批加入溶液中,每次不多于0.1g,搅拌下反应,反应方程式如图4所示;
步骤四:反应结束后,分液处理反应产物并取有机相,用洗涤溶剂冲洗有机相3~5次后,除去洗涤溶剂,旋蒸除去有机相中的有机溶剂,得到白色固体;本步骤中使用洗涤溶剂冲洗的目的是为了将分液中残余的水相洗净;
步骤五:用0-5℃洗涤溶剂洗涤3~5次所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h,得到白色固体粉末,产物结构经MALDI-TOF表征,如图5所示。本步骤中洗涤是为了将有机相中副产物洗净。
具体实施方式二:具体实施方式一所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤一中,所述正硅酸四乙酯的浓度为0.5-5mol/L;所述催化剂与正硅酸四乙酯的质量比为1~2:1,催化剂浓度低于1:1易生成副产物,降低反应产率,高于2:1不利于降低反应成本。
具体实施方式三:具体实施方式一或二所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤一中,所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇和水中的一种或几种,反应溶剂应为对反应物和产物POSS盐都有溶解性的极性溶剂;所述催化剂为季铵碱性催化剂。
具体实施方式四:具体实施方式三所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤一中,所述季铵碱性催化剂为四甲基氢氧化铵或四乙基氢氧化铵,这两种催化剂成本低,安全性高,适用于大规模生产。
具体实施方式五:具体实施方式一所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤一中,所述反应的温度为0-60℃,时间为12h-96h,温度过高易发生副反应,降低产率及产物纯度,反应时间低于12h反应未完成,96h反应易完成,无需再延长时间。
具体实施方式六:具体实施方式一所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤二中,所述洗涤溶剂为丙酮、四氢呋喃或二氯甲烷中的一种或几种,溶剂需对低聚的硅氧烷有溶解性且不能溶解POSS铵盐。
具体实施方式七:具体实施方式一或六所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤二中,所述干燥的温度为20-60℃,时间1h-10h。
具体实施方式八:具体实施方式一所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤三中,反应体系整体中,需要控制每次加入POSS铵盐的量,加入过多引发副反应,二甲基氯硅烷的浓度为0.1-1mol/L,POSS铵盐与二甲基氯硅烷的质量比为3~5:1,二甲基硅烷的量若低于3倍,不能完全硅烷化,易产生副产物,降低产物纯度,高于5倍则过多消耗单体,成本提高。
具体实施方式九:具体实施方式一所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤三中,所述反应的温度为0-30℃,时间12h-48h,温度过高易产生副反应,二甲基氯硅烷发生水解或醇解,温度低于0℃不利于降低成本,反应时间低于12h反应不完全。
具体实施方式十:具体实施方式一所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,步骤三中,所述有机溶剂为正己烷、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或几种;步骤四和五中,所述洗涤溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或几种,洗涤溶剂应为对POSS铵盐有溶解度的极性溶剂,且对H-POSS没有溶解性。
实施例1:
步骤一:在250ml烧瓶中加入0.05mol的2mol/LMe4NOH溶液、9g蒸馏水和91ml甲醇,再滴加20.8g TEOS,20℃下搅拌反应24h;
步骤二:将步骤一的产物旋蒸除去甲醇,得到白色固体;
步骤三:用丙酮多次冲洗步骤二的产物,冲洗后放入真空烘箱中45℃干燥5h;
步骤四:将28.35g二甲基氯硅烷溶于300ml正己烷中,移入500ml圆底烧瓶中,将步骤三的产物充分研磨为白色粉末,取14.2g少量多次分批加入正己烷溶液中,每次不多于0.1g,搅拌反应;
步骤五:反应结束后,分液处理反应产物并取正己烷相,用甲醇多次洗涤该相后,除掉甲醇,旋蒸除去正己烷,得到白色固体;
步骤六:用冰的甲醇多次洗涤所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h。
实施例2:
步骤一:在250ml烧瓶中加入0.05mol的2mol/LMe4NOH溶液、9g蒸馏水和91ml甲醇,再滴加20.8g TEOS,20℃下搅拌反应24h;
步骤二:将步骤一的产物旋蒸除去甲醇,得到白色固体;
步骤三:用THF多次冲洗步骤二的产物,冲洗后放入真空烘箱中20℃干燥5h;
步骤四:将28.35g二甲基氯硅烷溶于300ml正己烷中,移入500ml圆底烧瓶中,将步骤三的产物充分研磨为白色粉末,取14.2g少量多次分批加入正己烷溶液中,每次不多于0.1g,搅拌反应;
步骤五:反应结束后,分液处理反应产物并取有机相,用甲醇多次洗涤该相后,除掉甲醇。旋蒸除去正己烷,得到白色固体;
步骤六:用冰的甲醇多次洗涤所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h。
实施例3:
步骤一:在250ml烧瓶中加入0.05mol的2mol/LMe4NOH溶液、9g蒸馏水和91ml甲醇,再滴加20.8g TEOS,20℃下搅拌反应24h;
步骤二:将步骤一的产物旋蒸除去甲醇,得到白色固体;
步骤三:用二氯甲烷多次冲洗步骤二的产物,冲洗后放入真空烘箱中60℃干燥5h;
步骤四:将28.35g二甲基氯硅烷溶于300ml正己烷中,移入500ml圆底烧瓶中,将步骤三的产物充分研磨为白色粉末,取14.2g少量多次分批加入正己烷溶液中,每次不多于0.1g,搅拌反应;
步骤五:反应结束后,分液处理反应产物并取有机相,用甲醇多次洗涤该相后,除掉甲醇。旋蒸除去正己烷,得到白色固体;
步骤六:用冰的甲醇多次洗涤所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h。
实施例4:
步骤一:在250ml烧瓶中加入0.05mol的2mol/LMe4NOH溶液、9g蒸馏水和91ml甲醇,再滴加20.8g TEOS,20℃下搅拌反应24h;
步骤二:将步骤一的产物旋蒸除去甲醇,得到白色固体;
步骤三:用丙酮多次冲洗步骤二的产物,冲洗后放入真空烘箱中45℃干燥5h;
步骤四:将28.35g二甲基氯硅烷溶于600ml正己烷中,移入l L圆底烧瓶中,将步骤三的产物充分研磨为白色粉末,取14.2g少量多次分批加入正己烷溶液中,每次不多于0.1g,搅拌反应;
步骤五:反应结束后,分液处理反应产物并取有机相,用甲醇多次洗涤该相后,除掉甲醇。旋蒸除去正己烷,得到白色固体;
步骤六:用冰的甲醇多次洗涤所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h。
实施例5:
步骤一:在250ml烧瓶中加入0.05mol的2mol/LMe4NOH溶液、9g蒸馏水和91ml甲醇,再滴加20.8g TEOS,20℃下搅拌反应24h;
步骤二:将步骤一的产物旋蒸除去甲醇,得到白色固体;
步骤三:用丙酮多次冲洗步骤二的产物,冲洗后放入真空烘箱中45℃干燥5h;
步骤四:将28.35g二甲基氯硅烷溶于900ml正己烷中,移入2L圆底烧瓶中,将步骤三的产物充分研磨为白色粉末,取14.2g少量多次分批加入正己烷溶液中,每次不多于0.1g,搅拌反应;
步骤五:反应结束后,分液处理反应产物并取有机相,用甲醇多次洗涤该相后,除掉甲醇。旋蒸除去正己烷,得到白色固体;
步骤六:用冰的甲醇多次洗涤所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h。
Claims (10)
1.一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:所述方法步骤如下:
步骤一:以正硅酸四乙酯为硅源,将其加入到有机溶剂中,再加入催化剂,搅拌反应得到POSS铵盐;
步骤二:将步骤一的POSS铵盐旋蒸除去有机溶剂,得到白色固体,用洗涤溶剂冲洗白色固体3~5次,冲洗后放入真空烘箱中干燥;
步骤三:将二甲基氯硅烷溶于有机溶剂中,将步骤三得到的POSS铵盐充分研磨为白色粉末并分批加入溶液中,每次不多于0.1g,搅拌下反应;
步骤四:反应结束后,分液处理反应产物并取有机相,用洗涤溶剂冲洗有机相3~5次后,除去洗涤溶剂,旋蒸除去有机相中的有机溶剂,得到白色固体;
步骤五:用0-5℃洗涤溶剂洗涤3~5次所得产物,置于真空烘箱中45℃干燥5h。
2.根据权利要求1所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤一中,所述正硅酸四乙酯的浓度为0.5-5mol/L;所述催化剂与正硅酸四乙酯的质量比为1~2:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤一中,所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇和水中的一种或几种;所述催化剂为季铵碱性催化剂。
4.根据权利要求3所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤一中,所述季铵碱性催化剂为四甲基氢氧化铵或四乙基氢氧化铵。
5.根据权利要求1所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤一中,所述反应的温度为0-60℃,时间为12h-96h。
6.根据权利要求1所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤二中,所述洗涤溶剂为丙酮、四氢呋喃或二氯甲烷中的一种或几种。
7.根据权利要求1或6所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤二中,所述干燥的温度为20-60℃,时间1h-10h。
8.根据权利要求1所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤三中,反应体系整体中,二甲基氯硅烷的浓度为0.1-1mol/L,POSS铵盐与二甲基氯硅烷的质量比为3~5:1。
9.根据权利要求1所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤三中,所述反应的温度为0-30℃,时间12h-48h。
10.根据权利要求1所述的一种硅氢官能团的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法,其特征在于:步骤三中,所述有机溶剂为正己烷、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或几种;步骤四和五中,所述洗涤溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或几种。
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