[发明专利]一种杯芳烃基团硅烷偶联剂及其制备方法

说明书

公开了一种具有杯芳烃基团的硅烷偶联剂及其合成方法，将处于杯芳烃同侧的酚羟基与带有异氰酸酯基团的硅烷偶联剂在优选催化剂和极性溶剂环境下，经微波辐照，快速合成带有单侧大位阻杯芳烃基团的硅烷偶联剂，可用于纳米材料合成及颜料分散。

技术领域

本发明涉及纳米材料与材料分散技术领域，具体来说涉及一种杯芳烃基团硅烷偶联剂，还涉及一种该杯芳烃基团硅烷偶联剂的制备方法。

背景技术

材料微纳尺度控制在很多领域具有重要意义，一般微纳材料可由以下两种途径获得：

其一是由小分子原料经由一定物理或化学作用，聚集形成微纳尺度材料，可称为聚结法，例如硅烷偶联剂在保护剂作用经水解缩合形成硅溶胶；

其二可由大尺度颗粒在分散稳定剂帮助下，经由碾磨剪切碎化成更小尺度的微纳材料，可称为分散法，例如颜料的分散稳定化处理等。

上述两类途径一般都需要所谓保护稳定剂作用于微纳颗粒表面，以界面基团锚定、表面包覆体积隔离、粒子表面电荷排斥等机制，阻止微纳粒子间的聚结粗化，使其微纳尺度得以稳定。无论采用聚结法或分散法，界面锚定的保护剂都起着至关重要的作用，尽管已有很多基于不同设计原理的分散保护剂得到应用，推动微纳材料制备技术进步。但众多分散保护剂大多存在一个弊端，就是无论小分子抑或大分子的分散保护剂，其作为关键作用点的锚定基团多会发生分子间的相互聚结作用，或氢键，或化学缩合等，导致分散保护剂上的锚定作用点无效消耗或与将分散保护粒子表面的结合效率降低。更为普遍的缺陷是，具有多点锚定基团的分散保护剂，其一部分锚定集团锚固于粒子表面，而剩余锚定基团与其它分散剂相互作用，形成通过分散剂连接的粒子交联网络，影响微纳材料分散效率。如何抑制分散保护剂之间相互聚结将是提高分散保护效率，获得更低粒径微纳材料的关键途径。

发明内容

本发明针对当前分散保护剂容易相互聚结弊端，提供一种具有大位阻侧基的硅烷偶联剂作为微纳材料分散保护剂，即在杯芳烃酚羟基上引入硅烷偶联剂，以杯芳烃基团较大位阻的影响，阻碍杯芳烃细口端硅氧烷基团可能的分子间缩合，保持分散保护剂只能单侧作用于粒子表面，而不会发生保护剂之间扩散性连接，粒子分散稳定性得以保障。

为了解决上述技术问题，本发明专利所使用的杯芳烃基团硅烷偶联剂的化学结构如(I)所示：

上述杯芳烃基团硅烷偶联剂由杯芳烃分子与3-异氰酸酯基丙基三烷氧基硅烷反应制得，使酚羟基与异氰酸酯基连接形成氨酯键。

利用杯芳烃分子的不对称性，将酚羟基与高活性的3-异氰酸酯基丙基三烷氧基硅烷反应，酚羟基与异氰酸酯基连接形成氨酯键，在杯芳烃分子细口端一侧引入硅氧烷，形成单侧大位阻硅烷偶联剂。

所选用杯芳烃是最为经典成熟的对位特丁基苯酚与甲醛反应获得的对特丁基杯[4]芳烃苯酚(Tcali-4-OH)、对特丁基杯[6]芳烃苯酚(Tcali-6-OH)和对特丁基杯[8]芳烃苯酚(Tcali-8-OH)。3-异氰酸酯基丙基三烷氧基硅烷中的烷氧基包括甲氧基与乙氧基。杯芳烃与上述异氰酸酯硅氧烷偶联剂的反应如下所示。

由于多个酚羟基同处于分子杯体的细口端，羟基之间存在位阻，因而异氰酸酯基团并不能与所有酚羟基反应，一般可使每个杯芳烃分子中半数羟基反应，形成间隔位连接形式。同样也由于这些羟基位阻较大，与异氰酸酯基团的反应变得更为低效。一般比较，酚羟基与异氰酸酯的反应速率大约是伯醇羟基与异氰酸酯反应速率的千分之一，即使选用传统有机锡催化剂，其效率仍然较低。对于杯芳烃分子上高位阻酚羟基，与异氰酸酯基团间的氨酯化反应，传统加热条件需要进行数十小时以上才可趋于完全。基于以上不足，本发明从催化剂优选、反应能量供给形式、溶剂环境等多方面入手，提供了一种优选的反应条件，杯芳烃酚羟基与异氰酸酯团反映效率显著提高。