POSS聚合物及其新进展

POSS 作为一种特殊的有机/无机杂化纳米构件备受关注。本文总结了近几年有关探索POSS聚合物结构与性能之间关系的研究进展,并重点综述了POSS在有机半导体材料领域的应用。     

功能性POSS聚合物及其应用

多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一类具有纳米分子尺寸和有机-无机杂化结构的化合物。这种以无机Si—O—Si键组成的框架为核,外围被有机取代基所包围的特殊结构,具有独特的物理性质和化学反应性。采用物理或共聚的方法使其与其他聚合物复合,得到具有特殊功能的有机/无机纳米复合高分子材料,可用于诸多领域,近年来备受关注。本文在介绍POSS分子结构特点的基础上,详细阐述POSS聚合物的合成方法、特点和功能性,着重讨论了POSS在超疏水表面与抗结冰涂层、两亲聚合物、形状记忆材料中的应用及研究现状,并展望了功能性POSS聚合物的发展前景。     

含POSS光刻胶材料研究进展

光致抗蚀剂又称光刻胶,是微电子加工过程中的关键材料。多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）是一种具有规则的笼型结构的聚合物增强材料,由POSS改性的聚合物实现了有机-无机纳米杂化,POSS刚性结构的引入阻碍了聚合物分子的运动,可以显著提高聚合物的玻璃化转变温度（T_g）,降低聚合物的介电常数,提高聚合物的力学性能,也提高了含POSS光致抗蚀剂的耐蚀刻性。基于这些优点,含POSS的光刻胶材料得到广泛关注。本文对含POSS光刻胶的研究进展作了简要介绍。     

用于聚合物纳米复合材料的化学改性POSS

综述了多面齐聚倍半硅氧烷(POSS)与聚合物的相容性、用于使POSS化学改性的有机反应以及改性POSS作为聚合物纳米复合材料的添加型及反应型纳米填料的实例.     

负离子合成POSS端基官能化聚苯乙烯

以苯乙烯为单体、氯丙基七异丁基多面体低聚倍半硅氧烷(chloropropyllsobutyl POSS,POSS-Cl)为封端剂、正丁基锂(n-Bu Li)为引发剂、环己烷为溶剂、四氢呋喃(THF)为结构调节剂,采用阴离子聚合技术,合成了POSS端基官能化聚苯乙烯(PS-POSS).采用核磁共振仪(1~H-NMR、~(13)C-NMR)和凝胶渗透色谱仪(GPC)对PS-POSS的结构和分子量分布进行了表征,证明了POSS与聚苯环乙烯锂(PSLi)发生了封端反应生成PSPOSS;封端后分子量分布略有加宽,特别是相比传统有机封端剂,没有二聚等副产物生成.考察了引发剂种类、结构调节剂用量、POSS用量、PS分子量、封端反应温度和时间等因素对PS-POSS封端效率的影响.结果表明,在THF/n-BuLi摩尔比大于5、POSS/n-BuLi摩尔比等于1.1、反应温度为60℃、反应时间为30 min时,封端效率最高,达到80%以上;而随着PS数均分子量增加,封端效率逐渐降低.     

POSS基树枝状大分子的合成与应用

树枝状大分子(dendrimer)是一种高度支化、纳米尺度的人工合成大分子,具有独特的物理化学性能和重要的应用前景。利用具有8个可官能化顶点的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)作为树枝状大分子的核心,可在一定程度上简化树枝状大分子繁琐的合成与分离过程,在低代数时就可获得较大的表面官能团密度,并使树枝状分子呈现球形对称结构。POSS基树枝状大分子结合了POSS和树枝状分子结构与性能的优势,是一类极具潜力的有机-无机纳米杂化材料。本文综述了近年来POSS基树枝状大分子的最新研究成果,介绍了具有代表性的POSS基树枝状大分子的合成方法以及它们在催化剂、生物材料、液晶材料和发光材料等领域的应用研究进展,并对该新型材料的发展趋势做了展望。     

聚苯并噁嗪/POSS杂化材料

苯并噁嗪是一类新型的热固性树脂,它以良好的机械性能、热稳定性、可加工性、分子可设计性以及固化无小分子释放等优点而备受关注。然而,苯并噁嗪树脂存在的脆性大、韧性差等不足也是其研究改进的焦点。本文概述了近年苯并噁嗪树脂的研究进展,着重介绍了课题组在聚苯并噁嗪/POSS杂化材料方面的研究思路和具体实例。聚苯并噁嗪/POSS杂化材料研究结果表明,杂化结构的引入能明显改善苯并噁嗪树脂的综合性能,这对苯并噁嗪树脂及其复合材料以及其它热固性树脂体系的研究具有一定的指导意义。     

POSS/聚氨酯复合材料结构与性能的研究进展

多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是新兴的有机/无机杂化材料,其特殊的笼状结构可以从纳米尺度上影响聚氨酯体系的结晶行为、微相分离程度、交联密度等结构特征。少量添加即可大幅提高聚氨酯的耐水性、热稳定性、力学性能,以及阻燃性能、黏结性能、韧性等。本文从POSS/聚氨酯复合材料的结构出发,介绍了化学合成POSS基聚氨酯及物理共混POSS/聚氨酯复合材料,总结分析了悬垂型、星型、串珠型以及物理混合POSS基聚氨酯复合材料的结构特点,以及POSS结构差异对其复合材料性能的影响与影响机理。     

Transition behaviors and hybrid nanofibers of poly(vinyl alcohol) and polyethylene glycol–POSS telechelic blends

We report solution properties of the blend solutions of poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(ethylene glycol) (PEG)–POSS telechelic and its corresponding hybrid nanofibers prepared by electrospinning. The morphologies, microstructures, and wettability of the resulting PVA/PEG3.4k–POSS hybrid nanofibers are studied. The morphologies of the resultant PVA/PEG3.4k–POSS nanofibers are regular with the fiber diameter ranging from 610 ± 110 to 810 ± 280 nm. When the content of PEG3.4k–POSS telechelic increases above 20 wt.%, the beaded fiber morphologies are observed due to severe aggregations of the PEG3.4k–POSS telechelics as well as increased viscosity at higher concentration. In addition, the solution properties of pure PEG3.4k–POSS telechelic solution (ca. 3–5 wt.%) and PVA/PEG3.4k–POSS solutions blended with PVA are explored, and found to show the reversible turbid-to-transparent transition behavior with respect to the solution temperature. Water contact angle measurement of the PVA/PEG3.4k–POSS nanofiber membranes demonstrates an enhanced hydrophobic nature due to the incorporated POSS moieties.     

六面体倍半硅氧烷(POSS)杂化材料

POSS作为一种新型的有机/无机杂化材料在近10年的研究中引起了人们的极大关注,这种杂化材料可以通过不同的合成方法获得,为材料的设计提供了极大的便利。本文综述了近几年来POSS基有机/无机杂化的电致发光材料、液晶材料和POSS衍生物的自组装行为的研究进展,指出这类材料由于制作方便和热力学性能优良,在未来高科技领域中必有宽广的应用前景。     

聚苯乙烯/多面体倍半硅氧烷(POSS)纳米复合材料

本研究通过Wittig反应合成了同时含有金属和双键的新型磁性多面体齐聚倍半硅氧烷POSS1(Fc-CH=CH-C6H6-(C4H9)7Si8O12,Fc:Ferrocene),并通过FTIR1、H-NMR1、3C-NMR2、9Si-NMR对其化学结构进行了表征。将其加入苯乙烯中通过自由基本体聚合制备了聚苯乙烯/POSS1纳米复合材料。XRD和TEM结果表明,POSS1在纳米材料中含量为1%(wt)和3%(wt)时可达分子级分散,而含量为5%(wt)时部分POSS1以晶体形式存在。热失重分析表明PS/POSS1纳米材料较纯PS热稳定性增加,含5%(wt)POSS1的纳米复合材料起始分解温度比纯PS的约提高了19℃。PS/POSS1纳米材料的玻璃化转变温度较纯PS明显提高。     

含有POSS的复合型质子交换膜的制备及性能

本文以一种具有含萘结构的磺酸化聚芳醚酮作为主体材料, 采用具有相似化学结构的含萘、 醚和酮结构的聚甲亚胺作为增强组分, 通过溶胶-凝胶的方法在复合膜中引入提高质子传输能力的酸功能化聚倍半硅氧烷(POSS-SO3H), 制备新型的三元复合型质子交换膜, 并对其微结构和性能进行了研究.     

官能团化POSS及多臂星形聚酯的合成与表征

利用八乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷(OVPOSS)与2-巯基乙醇、1-巯基甘油或半胱胺盐酸盐发生高效的"巯基-烯"点击化学反应,制备了表面分别含有8个或16个羟基以及8个氨基的3种POSS衍生物POSS-8OH、POSS-16OH和POSS-8NH2,采用核磁共振波谱(1H-, 13C-NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)详细表征了它们的化学结构.随后,利用POSS-8OH和POSS-16OH中的羟基分别引发ε-己内酯(ε-CL)和2-乙氧基-2-氧代-1,3,2-二氧磷杂环戊烷(EOP)进行开环聚合,成功合成了疏水性八臂和十六臂星形聚己内酯(POSS-8PCL和POSS-16PCL)以及亲水性八臂星形聚磷酸酯(POSS-8PEEP).利用FTIR、1H-NMR、13CNMR、凝胶渗透色谱(GPC)和热失重分析(TGA)表征了星形聚酯的化学结构、分子量和分子量分布以及热稳定性.     

Polymeric Nanocomposites—Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes (POSS) as Hybrid Nanofiller

Abstract

Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), a hybrid nanostructured macromer has been used in the last decade for preparation of polymeric nanocomposites. Its versatile chemistry, which lends it for almost infinite chemical modification, sets it apart from other nanostructured fillers like nanoclays, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. Depending on its functionality, 3‐D network, bead or pendant type‐POSS based polymeric nanocomposites can be synthesized. These have the potential to be designed for products with specific nanostructures for specific end‐use applications. This article discusses the trends in current research involving use of POSS macromers for modification of mainly thermal and viscoelastic properties of various polymers.     

星型POSS/PMMA复合材料的ATRP合成及其热性能研究

以γ-氯丙基三乙氧基硅烷为原料合成八官能团γ-氯丙基多面体低聚倍半硅氧烷(POSS),以该POSS为引发剂,通过原子转移自由基聚合(ATRP)合成具有星型结构的POSS/PMMA复合材料.通过傅立叶红外(FTIR)、核磁共振(NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)和X-射线衍射(XRD)等手段对POSS和POSS/PMMA的化学组成和结构进行了表征,结果表明已经合成八官能团γ-氯丙基POSS,POSS/PMMA复合材料具有分子设计的预定结构,且复合材料的分子结构得到了较好的控制.通过ATRP法实现了POSS在聚合物中的单分散.此外,TGA的研究表明,POSS的引入提高了聚合物的热稳定性.     

POSS星型聚合物对PMMA复合凝胶聚合物电解质性能的影响

为了提高凝胶聚合物电解质(GPE)的离子传输性,以低聚倍半硅氧烷(POSS)为核,臂结构为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),臂聚合度不同的八臂星型聚合物(POSS-(PMMA3)8、POSS-(PMMA6)8、POSS-(PMMA9)8)为改性剂,分别与PMMA共混制备复合GPE,研究了POSS星型聚合物臂结构对复合GPE电性能影响的规律.结果表明,POSS星型聚合物的引入,使得复合GPE的电导率较纯PMMA基GPE均有显著提高,其中臂聚合度较小的POSS-(PMMA3)8复合GPE在室温的电导率最大,比纯PMMA基GPE提高了3.5倍.分析了该星型聚合物不同含量以及锂盐浓度等对复合凝胶聚合物电解质的影响,发现锂盐浓度在凝胶体系中为0.6 mol/L,该星型聚合物含量为聚合物基体15 wt%时,复合凝胶聚合物电解质电导率最大为2.73×10-4S/cm.研究了温度对复合凝胶聚合物电解质离子传输性能的影响规律,发现其离子传输规律符合Arrhenius方程.在此基础上,提出了该凝胶电解质体系的离子传输微观结构模型.     

含磷氮POSS改性乙烯基树脂的阻燃性和热性能研究

本文采用多聚甲醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物为原料,通过经典的Kabachnik反应制备了含磷、氮的笼型和半笼型结构的低聚倍半硅氧烷(N/P-POSS)。然后,通过与商品化MFE-711乙烯基树脂共混/共聚的方法制备得到改性乙烯基树脂。采用FT-IR、NMR、MALDI-TOF等对阻燃剂N/P-POSS进行了结构表征;采用氧指数(LOI)、UL-94垂直燃烧、锥形量热、热重分析以及动态力学分析等方法对乙烯基树脂固化物的阻燃性能和耐热性能进行了研究。结果表明,当N/P-POSS的添加量为4(wt)%时,乙烯基树脂固化物的LOI从19.5提高至27.5,并通过UL-94 V-1测试;并且热释放速率峰值和总热释放量分别降低了47.2%和20.9%;同时N/P-POSS的引入显著提高了乙烯基树脂的耐热性能,热分解温度提高了近10℃。采用扫描电镜和热重红外分析了其阻燃机理,主要为含磷自由基的猝灭效应,以及生成致密二氧化硅陶瓷相和含氮不可燃气体的阻隔作用,表现出了良好的磷、氮、硅协同阻燃效应。     

含磷氮POSS改性乙烯基树脂的阻燃性和热性能的研究

乙烯基树脂（VE）具有优异的耐腐蚀特性及良好的机械强度,但由于其易燃烧的缺点,极大地限制了其在轨道交通、船舶运输等领域的应用。本文采用多聚甲醛(POM),γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)和9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)为原料,通过经典的Kabachnik反应制备了含磷、氮的笼型和半笼型结构的低聚倍半硅氧烷（N/P-POSS）。然后,通过与商品化MFE-711乙烯基树脂共混/共聚的方法制备得到改性乙烯基树脂。采用红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（1H-NMR）和基质辅助激光解析飞行时间质谱（MALDI-TOF）对阻燃剂（N/P-POSS）进行了结构表征;采用氧指数（LOI）、UL-94垂直燃烧、锥形量热、热重分析（TGA）以及动态力学分析（DMA）等方法对乙烯基树脂固化物的阻燃性能和耐热性能进行了研究。结果表明,当N/P-POSS的添加量为4 wt%时,乙烯基树脂固化物的LOI从19.5提高至27.5,并通过UL-94 V-1测试。并且热释放速率峰值(PHRR)和总热释放量（THR）分别降低了47.2 %和20.9 %。同时N/P-POSS的引入显著提高了乙烯基树脂的耐热性能,热分解温度提高了近10 ℃。采用扫描电镜（SEM）和热重红外（TG-FTIR）分析了其阻燃机理,主要为含磷自由基的淬灭效应,以及生成致密二氧化硅陶瓷相和含氮不可燃气体的阻隔作用,表现出了良好的磷、氮、硅协同阻燃效应。     

不同拓扑结构的POSS/聚合物的合成及热稳定性的研究

以单官能团笼状倍半硅氧烷(POSS)、八官能团笼状倍半硅氧烷(POSS)分别为引发剂,CuCl/2,2联吡啶为催化剂,采用原子转移自由基聚合方法制备了"蝌蚪"形、星形POSS/PMMA和POSS/PMMA-b-PS复合材料。研究结果表明:通过ATRP法,能成功制备具有特定结构的POSS/PMMA和POSS/PMMA-b-PS复合材料。相比于纯的聚合物基体,星形POSS/PMMA复合材料的热稳定性降低,"蝌蚪"形POSS/PMMA复合材料的热稳定性提高。"蝌蚪"形POSS/PMMA-b-PS比星形POSS/PMMA-b-PS的热稳定性好。     

反应型POSS杂化纳米材料合成及其对聚合物的改性研究进展

多面体低聚笼型倍半硅氧烷(POSS)是一类分子内有机-无机杂化材料。该材料因为同时含有笼型的Si—O—Si核及键合在Si顶点上可设计的有机基团,所以兼具无机材料高的强度和耐温性以及有机基团灵活的可设计性,可广泛用于聚合物的改性。反应型POSS是指POSS上的有机基团与其改性聚合物有较高的反应活性,可以共价键合于聚合物分子链上,提高POSS在聚合物基体中的分散性,增强其界面粘接作用,更大程度提高聚合物的性能。本文综述了近年来反应型POSS的合成,POSS在聚合物增韧补强、耐热阻燃性能、介电性能改性等领域的研究进展,总结了POSS改善无机纳米粒子在聚合物改性体系分散性能方面的研究进展,并指出了今后的发展方向。