POSS（笼型聚倍半硅氧烷）的基本结构及性能

POSS的基本结构及性能

笼型多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）是一种新型有机-无机杂化材料，它特殊的纳米结构、纳米尺寸效应、交联效应及对聚合物的有效改性，吸引着人们极大关注。

POSS的合成是以倍半硅氧烷（silsesquioxane,SSO）为基础的，这是一类分子中含有RSiO1.5 结构的化合物，按其形状有无规、梯型、笼型及半笼型之分。

上世纪40年代Scott[5] 首次报道了从硅烷水解缩聚产物中分离出了低聚倍半硅氧烷（CH3SiO1.5）n，80年代Feher则首次报道了典型笼型结构POSS的合成及性能，一直为人们所关注。笼型的POSS是一种包含有机-无机杂化的核壳结构的纳米材料，其内部无机框架作为内核为Si-O-Si或Si-O键构成的六面体笼型结构，其每一只角含有一个Si原子，每一个面均由Si-O-Si八元环组成，具有很强结构对称性，其外部在每个Si原子上可带有多种有机基团伸向空间，因此较典型的分子式可描绘为(CH3SiO1.5)n ，n 通常为8，亦可为10及12等，R可为H及活性或非活性基团，如环氧基、氨基、羧基、烯基及烷基、羟基、芳基等。当R基只有一个为活性基团时，人们常习惯地称之为单功能基POSS，而全部为活性基团时则常称为多功能基 POSS ，典型的笼型POSS的结构如图1所示。

1.笼型POSS的框架结构可赋予其良好的介电性、光学性质及弹性、韧性。而多变的R基团的引入使POSS具有很好的反应活性及相容性。

2.独特的结构与传统的碳氢化合物和无机物相比,在性能上有了显著的改善,其优点概括如下:便于分子“裁剪”与组装;材料均一透明、耐热阻燃、硬度高、耐刮擦;与有机溶剂有良好的相溶性;不产生挥发性物质;结构稳定,不易收缩和变形;表面疏水,且黏度小;具有良好的热力学稳定性和化学稳定性;不释放挥发性有机成分, 是无味和无污染的材料。

  3.将POSS作为纳米填料或作为共聚单体引入热塑性或热固性系统中，可赋予复合材料下述性能

(1)良好和可控的混溶性；

(2)可保持原聚合物的加工性和线性；

(3)较低的粘度，与填充硅石的复合材料相比，有些含POSS的纳米复合材料的粘度可降低20%以上；

(4)较低的密度，如以POSS代替硅石作为填料，某些复合材料的密度可下降

10%以上；

(5)较宽的应用温度范围，较高抗氧化性和抗水性；

(6)较高的Tg，较低的可燃性、燃速和释热速率；

(7)较高的模量和硬度，但保持基体聚合物的强度和伸长率；

(8)较高的对氧的渗透性，较低的热导率；

4.POSS对环氧树脂的改性 在环氧树脂改性方面，POSS与环氧树脂的共混不仅相容性好，能很好分散于基体树脂中，而且通过范德华力、氢键作用及偶极作用可与其链段紧密结合，无机笼型骨架结构亦能有效限制链段运动提高耐热性。POSS纳米粒子的笼型结构还可终止树脂微裂纹尖端的发展，引发银纹或剪切带，或分子链重新排列，促进韧性的改善。根据不同分子设计可使POSS所带有的特定R基团与环氧树脂进行化学反应，以共价键连接到树脂的分子链上，参与和强化体系交联网络的建立，不仅由于引入耐热的Si-O键，而且因为交联密度的增大和树脂大分子链运动的进一步限制，使树脂的耐热性可得到进一步的提升和改善。POSS的引入可降低体系黏度，且不仅可保持环氧树脂原有加工性能及应力−应变特性，而且有效结合了无机物热稳定性好等特性，使强度、弹性模量及硬度、降解温度等均得到提高。POSS的引入不仅可提高环氧树脂的抗热氧化分解能力，而且高温燃烧后所形成的SiO2沉积于树脂表面作为保护层可延迟其燃烧速度、降低燃烧热，缓解进一步高温燃烧氧化的作用。因POSS纳米粒子介电常数低（2.1~2.7），它的引入还可降低环氧树脂的介电常数及介电损耗。

小编：wyf 11.09