[发明专利]一种同时含有乙烯基和3-(2,3-环氧丙氧)丙基的笼形硅倍半氧烷及其制备和应用

说明书

本发明提供了一种同时含有乙烯基和3‑(2,3‑环氧丙氧)丙基的笼形硅倍半氧烷及其制备和应用，属于有机‑无机杂化材料技术领域。本发明采用一锅法同时进行水解和缩合反应制备笼形硅倍半氧烷，能够将乙烯基和3‑(2,3‑环氧丙氧)丙基接枝于笼形硅倍半氧烷，得到含有双官能团的笼形硅倍半氧烷，克服现有脱水缩合方法制备的硅倍半氧烷的取代基较为单一的问题。本发明制备的同时含有乙烯基和3‑(2,3‑环氧丙氧)丙基的笼形硅倍半氧烷具有优异的阻燃效果，用于改性环氧树脂后，能够显著提高改性环氧树脂的阻燃性。

技术领域

本发明涉及有机-无机杂化材料技术领域，尤其涉及一种同时含有乙烯基和3-(2,3-环氧丙氧)丙基的笼形硅倍半氧烷及其制备和应用。

背景技术

硅倍半氧烷(POSS)是分子尺度上的有机-无机纳米杂化结构化合物，由热稳定性和化学稳定性高的Si-O-Si无机骨架内核和功能各异的有机取代基外壳构成，其分子结构式可用经验关系式(RSiO_1.5)n来表示，其中R表示侧链上功能各异的有机取代基团，是与硅原子直接相连的，R可以是H或烷基、烯烃基、叠氮基、炔基、芳基、亚芳基及其衍生物等。这些有机取代基团可以增加硅倍半氧烷与聚合物、生物系统或界面的相容性。

POSS可以按照结构上的区别分为无规、梯形、笼型和不完整笼型结构四种类别。其中，笼形硅倍半氧烷(POSS)具有高的耐热性、耐候性、耐化学性、耐热氧化性、电绝缘性以及阻燃性等，应用前景更好，可广泛应用于聚合物改性、绝热材料、低介电材料和涂层涂料等领域。然而，目前均是采用脱水缩合方法制备硅倍半氧烷，所制备的硅倍半氧烷的R基较为单一，其用于改性树脂时，无法满足某些特殊的性能要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时含有乙烯基和3-(2,3-环氧丙氧)丙基的笼形硅倍半氧烷及其制备和应用，带有双官能团的笼形硅倍半氧烷同时具有良好的反应活性、相容性和热稳定性，在改性树脂基体时能赋予其更多优异的性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种同时含有乙烯基和3-(2,3-环氧丙氧)丙基的笼形硅倍半氧烷的制备方法，包括以下步骤：

将乙烯基硅烷类单体、3-(2,3-环氧丙氧)丙基硅烷类单体、碱性催化剂水溶液和有机溶剂混合，进行水解和缩合反应，得到同时含有乙烯基和3-(2,3-环氧丙氧)丙基的笼形硅倍半氧烷。

优选的，所述乙烯基硅烷类单体包括乙烯基三氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷。

优选的，所述3-(2,3-环氧丙氧)丙基硅烷类单体包括3-(2,3-环氧丙氧)丙基三氯硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷或3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷。

优选的，所述乙烯基硅烷类单体和3-(2,3-环氧丙氧)丙基硅烷类单体的摩尔比为10:(1～100)。

优选的，所述碱性催化剂水溶液中的碱性催化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠、四甲基氢氧化铵和四乙基氢氧化铵中的一种或多种；所述碱性催化剂水溶液中碱性催化剂的质量与水的体积比为1g：(50～200)mL。

优选的，所述乙烯基硅烷类单体和3-(2,3-环氧丙氧)丙基硅烷类单体的总质量与碱性催化剂水溶液中碱性催化剂的质量比为1:(0.005～0.1)。

优选的，所述有机溶剂包括丙酮、石油醚、乙腈、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、吡啶和二氧六环中的一种或多种；所述乙烯基硅烷类单体和3-(2,3-环氧丙氧)丙基硅烷类单体的总物质的量与有机溶剂的体积比为1mol:(500～1500)mL。

优选的，所述水解和缩合反应的温度为40～80℃，时间为12～72h。