[发明专利]一种新型含POSS的纳米杂化增强剂的合成

说明书

技术领域

一种新型含POSS的纳米杂化增强剂的合成，涉及了一种无机纳米粒子与有机物杂化体系的制备，属于新材料技术领域。

前言

有机-无机纳米复合材料是指分散相尺寸至少有一维小于100nm量级的复合材料。这种材料是有机相和无机相在纳米范围内复合而成。由于两相之间界面面积非常大，且存在界面间的化学结合，因此具有理想的粘接性能。近年来，有机高分子与无机材料的复合研究引起了人们的极大兴趣，通过有机和无机组分间的协同作用，可使材料表现出具有有机高分子材料和无机功能材料的综合性能。无机组分在纳米尺度上的均匀分布，可进一步优化材料组分间的相互作用，使材料的性能得以更有效地提高。无机/有机杂化材料、特别是高分子/无机纳米复合材料的研究，已经成为高分子材料学研究中最活跃的领域之一。

笼型八聚硅倍半氧烷(简称POSS)是一类由Si-O的联接物为内部骨架、外部连接有机基团的纳米级三维体系，直径为1～3nm。近年来由于笼型倍半硅氧烷的结构特点，使其在制备新的有机-无机纳米复合材料，并将其应用到航天航空、塑料改性、医学上得到广泛应用。

环氧树脂具有广泛的用途，但是存在韧性差的缺点。近年来有很多关于环氧树脂增韧的研究。用含POSS结构的无机/有机杂化物对环氧树脂的增韧改性，效果显著，是很有发展前途的一个方向。

发明内容

本发明提供一种含POSS的有机/无机杂化物的合成方法。用笼型八聚-氨丙基硅倍半氧烷和3-(N，N-二乙氨基)环氧丙烷为原料，通过氨基与环氧基团的开环反应，合成了一种新型含POSS的无机/有机纳米杂化、具有星型结构的化合物。将该杂化物添加到环氧树脂E-51中进行改性，所得环氧树脂固化物抗冲击强度、抗拉伸强度和断裂伸长率得到增强。杂化物的合成方法步骤简单、反应条件温和，非常易于工业化。

本发明的技术方案：先以γ-氨丙基三乙氧基硅烷为起始原料合成笼型八聚-氨丙基硅倍半氧烷，再以环氧氯丙烷和二乙胺反应合成3-(N，N-二乙氨基)环氧丙烷。再称取合成的笼型八聚-氨丙基硅倍半氧烷4.4g溶于80mL甲醇，然后在搅拌条件下缓慢滴加到装有12.9g的3-(N，N-二乙氨基)环氧丙烷的三口烧瓶中，升温至70℃，使反应体系处于回流状态，反应4小时后，停止反应，真空去溶剂，烘干，得到黄色粘稠液体，即为目标产物：含POSS的有机/无机杂化物。合成路线如图1所示。

本发明的有益效果：

1.原料笼型八聚-氨丙基硅倍半氧烷是一种纳米尺寸的微粒，中心是一种笼型结构，八个顶角连接有氨丙基，可以进一步功能化。通过氨基与另一小分子[3-(N，N-二乙氨基)环氧丙烷]中的环氧基团的开环加成反应，使顶角的有机链段加长，以利于增加与环氧树脂的相容性。同时经过反应后，有机链段上增加羟基和叔氨基，在环氧树脂的改性使用中起到潜伏固化的作用，其叔胺基团可与环氧树脂中的环氧基团反应，增加锚点，起到增强环氧树脂的作用。

2.该无机有机杂化物与环氧树脂部分有较好的相容性，分散均匀，有利于性能稳定。无机部分是笼型八聚-氨丙基硅倍半氧烷，由于其特殊的笼型结构和纳米尺寸效应，使其对于环氧树脂有很好的增韧作用。使得改性后环氧树脂的抗冲击强度、抗拉伸强度和断裂伸长率得到增强。

3.该杂化物合成步骤简单、条件温和、易于控制，原料价格便宜、便于产业化。

附图说明

图1含POSS的纳米杂化物的合成路线示意图

图2含POSS杂化物的红外光谱图

具体实施方式

实施例1：3-(N，N-二乙氨基)环氧丙烷的合成

在1升三颈烧瓶中加入185.3g环氧氯丙烷，再缓缓加入二乙胺144g和6g水。保持水浴温度28～30℃，机械搅拌6小时。使温度降到22℃，将93g氢氧化钠溶于152ml水中配成溶液，在22～25℃下加入到反应瓶中，再继续搅拌40分钟。加入100毫升水，用分液漏斗分出黄色液状物(产物)。用200毫升乙醚分三次萃取水层，合并到产物中。用固体氢氧化钾15克干燥水分数小时。分出液体层，先常压蒸出乙醚，再减压蒸出产物。

实施例2：含POSS的纳米杂化增强剂的合成