Page 71 - 《精细化工》2020年第11期
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第 11 期 孙思薇,等: 笼型倍半硅氧烷的功能化改性及应用研究进展 ·2217·
[5]
年,BROWN 系统研究了 POSS 的合成原理和中间 子的配位改性。
产物,为 POSS 的衍生化提供了初步思路。到 20 世 2.1 官能团改性
[6]
纪 90 年代,FEHER 等 合成出多种端基的 POSS, POSS 分子的官能团改性是最基础的改性方法。
为其功能化奠定了基础。近年来,通过多种化学方 通过在 POSS 分子端基引入活性反应基团,可增加
式对 POSS 进行改性赋予其更多功能特性,且功能 POSS 的反应活性和有机体相容性,或直接接枝功能
化改性的 POSS 更是已应用于复合树脂 [7-8] 、齿骨组 基团使得 POSS 分子具有刺激响应 [16] 、特异性识别 [17] 、
[9]
织 、柔性显示器 [10] 、荧光探针 [11] 、色谱柱 [12] 、超 超疏水 [13] 等特殊功能。常见 POSS 的端基 R 主要为
疏水 [13] 等领域。 氢原子、烷基、苯基、烯基、氨基和羟基,可通过
POSS 分子的三维立体结构含有大量有机端基, 加成反应、取代反应、氧化还原反应、偶联反应、
对其进行改性,可增加其分子的反应活性,提高其 点击化学等反应方式在 POSS 分子笼型框架的顶点
笼型刚性结构与有机体的相容性,赋予其更多功能 上引入不同的有机基团,如巯基、卤原子、环氧基、
特性,进一步拓宽其应用领域,对研究 POSS 材料 苯胺基、炔基、异氰酸酯基等 [7,14,18] 。根据改性方式
至关重要。本文重点阐述了 POSS 的官能团改性、 和反应程度的不同,可进行单官能团改性或多官能
聚合改性和配位改性 3 种改性方法。并依据 POSS 团改性。除此之外,通过顶角盖帽法可以直接合成
的性能特点,对 POSS 在耐热、阻燃、增强和多孔 含有特定单官能团的 POSS。图 2 中列举了 POSS 的
材料等方面的应用研究进展进行了综述。最后,对 部分端基结构。
其今后的研究趋势进行了展望。
1 POSS 的结构及性能
倍半硅氧烷的分子式为(RSiO 3/2 ) n ,其中 n 为
偶数时,这类化合物会形成典型的多面低聚倍半硅
氧烷,亦称作 POSS。图 1 为 n 等于 8、10 和 12 时
所形成的 POSS 分子,分别记为八聚倍半硅氧烷
(T 8 )、十聚倍半硅氧烷(T 10 )和十二聚倍半硅氧
烷(T 12 ),可通过水解缩聚法、顶角盖帽法、官能
团衍生法等方法合成 [1,14] 。POSS 属于纳米尺度的二
氧化硅/硅氧烷杂化物,分子呈笼型结构,分子尺寸
通常为 1~3 nm,由 Si—O 形成无机框架核心,外围
由有机基团所包围,分子中的 R 可以为氢原子、烷
基、烯基、氨基、羟基等基团 [15] 。该化合物具有优
异的反应活性、耐热阻燃性、多孔性和纳米尺寸效
应。其中,T 8 是 POSS 中最先发展和应用研究最多
的一种,文中亦多以 T 8 为例进行介绍。
图 1 POSS 的常见结构示意图 [14]
Fig. 1 Structures of the common POSS [14]
2 POSS 的改性
目前,POSS 的改性方法主要有 POSS 官能团改 图 2 POSS 的部分端基结构示意图
性、以 POSS 为单体的聚合改性和 POSS 与金属原 Fig. 2 Partial terminal groups structure diagrams of POSS