无机论文POSS聚合物纳米复合材料的研究进展.doc

POSS聚合物纳米复合材料的研究进展 杨晶 14S007058 摘要：聚合物纳米复合材料基于其潜在的应用价值如应用于胶体稳定、光电材料等引起了研究者的广泛关注近年来随着高分子科学、纳米技术的飞速发展使得在分子水平自组装、分子结构与性能控制方面合成聚合物纳米复合材料成为可能无机-有机纳米复合材料通常兼具无机纳米粒子以及有机聚合物的优点因而成为现今材料科学中极具发展前景的一种新型材料.多面体低聚倍半硅氧烷( POSS)不同于SiO2、有机硅和其他填料它是一种具有纳米尺寸及笼状结构的无机有机掺杂复合物POSS的有机官能团使其与聚合物及有机单体在纳米结构尺寸上有很好的相容性同时使得POSS单体更加容易接枝至聚合物中去因此POSS独特的结构与性能为增强聚合物复合材料提高材料的耐温性、抗氧化性、阻燃性、表面硬度及力学性能诸方面提供了机遇. 高分子聚合物是20世纪发展起来的新型材料, 因其优越的综合性能、较低的成本、简单的成型工艺以及广泛的应用领域,成为继金属材料和无机非金属材料之后的第三大材料。然而, 高分子材料具有其本身的缺点, 如许多塑料材料很脆, 耐热性差不能在高温下使用, 有些耐高温聚合物加工流动性差难以成型,还有些聚合物耐氧化、耐老化、耐油性及强度都比较差, 因此需要对其进行改性,以扩展其应用范围. 关键字：POSS聚合纳米材料；多面体低聚倍半硅氧烷；无机-有机聚合物的组装 多面体低聚倍半硅氧烷( Polyhedral oligomeric silses-quio-xane, POSS) 是一种新型的有机- 无机纳米颗粒,于1946年由D. W.等首次合成。1991 年在美国空军研究实验室的支持下,Lichtenhan 等制备了一系列带官能基的 POSS, 并将其用于高分子的改性。POSS 的分子通式为Rn(SiO1.5)n, 式中的 R 是有机取代基,可以H、烷基、芳基等惰性基团和乙烯基、氨基等活性基团, 同时分子具有无机骨架且分子尺寸在 1~ 3nm 之间。惰性基团可以增大 POSS 与聚合物的相容性; 活性基团通过化学改性可以与聚合物或者聚合物单体反应。由于具有这些特性, 所以POSS 一问世便受到了极大的关注[ 2- 7]。目前, 已经合成了大量的 POSS/ 聚合物纳米复合材料, 如聚硅氧烷[ 8]、聚甲基丙烯酸甲酯[ 9]、聚苯乙烯[ 2]、环氧树脂[ 10]、聚氨酯[ 11]、聚酰亚胺[ 12]、聚降冰片烯[ 13]等, 与该复合材料相关的研究受到了越来越多的重视[ 14- 17]。与传统的无机粒子相比, POSS 分子的尺寸更小更均一,能够在复合材料中实现分子水平上的分散, 从而使聚合物材料的使用温度、热稳定性都得到明显提高。以共价键连接在聚合物分子上的 POSS 分子可以很好地改善聚合物的某些性能, 如提高力学性能、使用温度、抗氧化性、表面性能, 降低其可燃性、放热速率等。 PO SS的定义及分类 POSS的通式是Rn( Si1.5)n式中R为有机基团, n = 8、10、12等,其部分结构示意图如图1所示[ 9 ]POSS纳米结构物质可以认为是最微细的SiO2颗粒但是它又有别于SiO2、有机硅和其他填料[ 10 - 11 ] POSS单体 (Si8O12R8)具有较大的三维骨架 (直径约为115 nm ,相对分子质量可高达1 000 ) ,分子呈笼形结构, R是有机取代基 (见图1) ,其中含若干不参加反应的惰性取代,使POSS纳米结构与聚合物、生物体系和其他表面兼容;另外还含有一个或一个以上的活性基团,可以进行接枝、聚合或其他转换处理.它可以与多种有机聚合物 (如丙烯α2烯烃、α2环氧化物、异氰酸酯、硅烷、硅氧烷、酚类、苯乙烯类、氯硅烷、氨基硅烷、胺类、有机醇、有机卤化物、烷氧基硅烷、分子级氧化硅等 ) 配合使用,形成无机-有机杂化的纳米增强聚合物. 根据有机基团R是否参加反应,可将POSS单体分为3类:第一类, R全部是惰性基团[ 12 ],例如环己基、环戊基、异丁基等,使POSS分子的相容性提高;第二类, R全部是活性基团,例如,苯乙烯基、丙烯酸酯类等,能发生聚合或者 接枝反应; Choi等[ 13 - 16 ]已经研究制备了几种类型的八元官能团的POSS化合物;第三类,有机基团R中,有一个或多个是活性基团,剩余的则是惰性基团,这样不仅可以使POSS分子发生聚合或者接枝反应,而且可以提高与其他聚合物或聚合单体的相容性.目前,运用最多的是第二类和第三类POSS单体.另外,与有机黏土插层剂相比, POSS纳米粒子不仅具有单体分散性好、密度低、不含有金属元素、热稳定性好的优点,更重要的是,它具有活泼的界面性质以及能发生共聚反应的特点. 2.PO SS单体的制备 　 POSS单体的制备按照