[发明专利]一种四环氧基液体笼型倍半硅氧烷及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种四环氧基液体笼型倍半硅氧烷及其制备方法和应用。四环氧基液体笼型倍半硅氧烷的结构式如下式(I)所示；本发明产品为四官能团的体型笼型倍半硅氧烷，具有柔顺的分子链结构，优异的热稳定性及耐水性，可单独用于制备环氧树脂；还与炭基材料有较好的相容性，作为改性剂用于环氧树脂体系能够实现纳米尺度高度均匀分散，有效提高树脂在疏水、耐热和抗冲等方面的性能，在高性能杂化或复合材料的制备和应用领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及倍半硅氧烷的技术领域，具体涉及一种四环氧基液体笼型倍半硅氧烷及其制备方法和在制备环氧树脂纳米杂化材料中的应用。

背景技术

环氧树脂具有优良的粘接性能、机械性能和电气性能，广泛应用于胶粘剂、结构复合材料、电子半导体封装等领域。但同时也存在着固化后交联密度高、质脆、耐温等级不够高和耐冲击性差等缺点。

有机硅指以硅氧烷链段为主链，硅原子上连接有机官能团的一类化合物，其具有低表面能、耐候、耐热、疏水和分子链柔顺等特点。将有机硅和环氧树脂结合，既可以提高树脂的柔韧性，又可改善树脂在耐水、耐热和耐候等方面的性能。然而，有机硅材料与环氧树脂相容性差，复合后易形成分相结构，这些相畴尺寸的大小和稳定性对环氧制品的最终性能有着重要影响。

近年来，以硅烷为起始原料出发合成的笼型倍半硅氧烷(POSS)以其刚性的有序立方体结构、多官能度及其分子结构设计的灵活性而备受研究者青睐。作为一种独特的纳米级有机-无机杂化材料，POSS可用于需要精确控制纳米结构和性能的杂化或复合材料。然而其对于基体性能的提升主要受分散性能影响，为了提高POSS在树脂基体中的分散状态，通常需要对POSS的官能团种类和官能度进行调整，以提高POSS与树脂基体的相容性及产品最终的综合性能。

申请公布号为CN 111116869 A的中国专利文献中公开了一种液态环氧基功能化POSS改性型环氧树脂及其制备方法，该液态环氧基功能化POSS具有八官能度，虽在环氧树脂的改性应用中取得较好效果。然而由于环氧树脂本身交联密度较高，脆性强，如果引入多官能团的刚性结构POSS，其对环氧树脂的增韧效果仍然有限。而且，其与环氧树脂基材的相容性仍然有限，添加量不超过环氧树脂基体质量的10％，这更进一步限定了其对环氧树脂的改性效果。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种四环氧基笼型倍半硅氧烷，其分子链柔顺，室温下呈液态，具有优异的热稳定性，与炭基材料相容性较佳，可以直接作为基材制备环氧树脂，也可作为改性剂复合到其它环氧树脂体系，可与其它环氧树脂基体实现纳米尺度高度均匀分散，有效提高树脂在耐水、耐热和抗冲击等多方面的性能。

具体技术方案如下：

一种四环氧基笼型倍半硅氧烷，结构式如下式(I)所示：

所述四环氧基笼型倍半硅氧烷，玻璃化转变温度为-23.1℃，氮气氛围下的起始热分解温度(T_-5％)为340℃，800℃残碳量为29.6％。耐热性能明显优于笼型八(缩水甘油醚氧基丙基二甲基硅氧基)倍半硅氧烷。

本发明公开的四环氧基笼型倍半硅氧烷，结构新颖，该体型结构生物基单体分子链柔顺，室温下呈液态；具有较佳的热稳定性，初始热分解温度高、残碳量高，可单独作为基材制备生物基环氧树脂，该树脂将具有耐高温、耐水、高抗冲的优异性能；且与炭基材料的相容性佳，可通过共固化的方式引入环氧树脂交联网络，经表征，其在其它树脂基体中高度均匀分散，从而充分发挥其耐高温、耐水、且抗冲击的性能。

本发明还公开了所述四环氧基笼型倍半硅氧烷的制备方法，包括以下步骤：

(a)惰性氛围下，将结构式如下式(II)所示的四官能度硅氢功能化的笼型倍半硅氧烷、烯丙基缩水甘油醚、溶剂和催化剂混合进行硅氢加成反应，直至反应完全；