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多面体低聚硅倍半氧烷POSS材料及应用领域

多面体低聚硅倍半氧烷(POSS)是一种由硅和氧组成的笼状杂化分子,是具有三维立体空间结构的无机-有机杂化纳米材料,大小为1~3 nm,通式为(RSiO1.5 )n ,n 可为6、8、10 和12。其结构式如下:




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耐热领域的应用

POSS以交联改性或者是纳米复合的方式,对于基体耐热性能的提升有显著效果。研究表明以POSS为交联剂分别改性环氧树脂、聚氨酯、聚酰胺-酰亚胺和氟烯烃乙烯基醚树脂等聚合物,对聚合物基体的耐热性有显著改善。通过纳米杂化复合的方式,POSS对纳米纤维素、耐热型树脂、聚二甲基硅氧烷和酚醛树脂等材料的耐热性能均有一定程度的提高。


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阻燃领域的应用

由于Si—O—Si的结构稳定,POSS在高温下会形成致密的氧化硅膜层,可以有效阻止聚合物裂解后产生小分子逸出和熔滴滴落,阻隔氧气和热量传递到聚合物内部,从而提升聚合物材料的阻燃性能。POSS具备无机硅内核以及可设计性的有机R 基团,其作为一类新型无卤纳米阻燃剂,被广泛应用于环氧树脂、聚酯、聚酰胺等聚合物的阻燃

根据POSS 自身的结构与性质,存在基于—Si—O—类陶瓷层阻隔及—Si—O—P—等架桥效应的凝聚相阻燃;通过POSS侧链官能团的设计,能够实现吹熄效应阻燃;此外,POSS 的阻燃R 基团与石墨烯、氮化硼纳米片等纳米材料复合能够实现凝聚相与气相协同阻燃


凝聚相阻燃机理

凝聚相阻燃是POSS 实现聚合物阻燃的主要原因之一,POSS 中的无机硅笼核受热分解形成致密的陶瓷阻隔层,隔绝可燃气体的释放和外部热量进入内部,进而延缓内部材料进一步分解。


吹熄阻燃机理

基于POSS 有机R 基团的可设计性,将磷、氮等阻燃剂通过R 基团修饰POSS。该类型POSS,特别是9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物硅倍半氧烷(DOPO-POSS),在聚合物阻燃中表现出自熄现象。

该现象可以通过“吹熄阻燃”原理进行解释,即聚合物燃烧中,DOPO-POSS 除了形成凝聚相炭层外,还能够通过热解气体(主要是高含量CO2 )的释放“熄灭”火焰,实现阻燃。


气相与凝聚相协同阻燃机理

在POSS 和其他种类阻燃剂的多组分阻燃体系中,通常既包含凝聚相阻燃又包括气相阻燃,二者发挥协同阻燃作用,提高阻燃效率。在凝聚相中,POSS 作为阻燃剂,一方面发挥自身的—Si—O—阻隔层作用,另一方面与其他阻燃剂协效,改善炭层结构和密实度;此外,POSS 的R 基团通过磷、硼等阻燃组分的修饰或与其他磷系、硼系等阻燃剂通过气相中的自由基捕捉实现气相阻燃。


3

生物材料领域的应用

POSS被认为是最小的二氧化硅颗粒,具有纳米尺寸效应,被广泛用作聚合物系统中的纳米填料。纳米级POSS分子在基体中可以约束微裂纹的扩大和延伸,吸收能量,减少基体的应力集中,其有机活性位点可以增加体系的交联度和相容性,提高材料的力学性能和强度。同时,POSS因其良好的生物相容性,是具有生物医学应用潜力的新型材料,可以作为牙科和骨组织纳米复合材料。


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多孔材料与催化剂载体

POSS 的笼型结构和活性位点可以负载金属离子制备催化材料,分子内多孔孔道有利于离子的传导,可以用作介电、吸附、分离等材料,固定在基材上可在其表面形成伞状结构产生超疏水效应。


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