一种疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷制备方法及用途与流程

1.本发明涉及一种疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷制备方法及用途，具体涉及聚倍半硅氧烷合成的技术领域。


背景技术：

2.聚倍半硅氧烷是一类硅基有机/无机杂化材料，分子通式为(rsio
1.5
)n(其中，n是偶数)无机部分以硅氧键(si
‑
o
‑
si)为主链，有机部分(r)以甲基、乙烯基、氨丙基苯基、环氧基苯基和长链烷基等基团为侧链，它具有很好的有机溶剂相容性、生物相容性及聚合物相容性。聚倍半硅氧烷将无机化学与高分子化学中的加聚和缩聚反应巧妙地结合，所形成的杂化材料具备单纯有机物或无机物所不具备的性能，其性能介于传统的有机材料与无机材料之间，既具有有机材料优良的加工性、韧性与低成本，同时保留无机材料耐热、耐氧化与优异的力学性能。近年来，聚倍半硅氧烷由于具有优异的阻燃性能、对热、气候和化学物质的良好稳定性，引起了学术界和工业界的极大关注。目前，聚倍半硅氧烷已被广泛应用于发光材料、介电材料、液晶材料、生物医学材料、耐热阻燃材料和催化剂等领域。
3.使用含有不同数量烷氧基的硅烷反应物可以合成不同结构类型的聚倍半硅氧烷，以三官能团单体(rsi(or’)3或rsicl3)为原料水解缩合制备得到的产物具有t型结构；以四官能团单体(si(or’)4)为原料制备得到的产物具有q型结构。在t型结构中，当使用含有不同长度烷基链或者官能团的硅氧烷为反应物时，制备得到的聚倍半硅氧烷呈现出球形和立方体形貌。合成的聚倍半硅氧烷因其具有较高的表面粗糙度可用作疏水材料或疏水涂层，也可用作电致发光和阻燃材料。涉及聚倍半硅氧烷的应用，其制备方法包括溶胶
‑
凝胶法、液相沉积法、乳液法等，而具体到疏水材料的制备，其过程复杂，无法进行工业化生产，限制了材料的实际应用。
4.鉴于此，本发明提供了一种疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷制备方法及用途，通过调节反应物的含量和碱的浓度，采用简单的一步法即可合成形状可控同时具有疏水性能的聚倍半硅氧烷。


技术实现要素：

5.本发明目的在于，提供一种疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷制备方法及用途。该方法采用两种不同烷基链的硅烷为反应物，在碱催化下进行水解缩合反应，通过简单的超声震荡即可一步得到形状可控的聚倍半硅氧烷。通过调节反应物的含量和碱的浓度可实现聚倍半硅氧烷棒状、簇状、三维片状、多孔状、球状和块状形貌的调控，改变其表面粗糙度，从而调控聚倍半硅氧烷的疏水性。将形状可控的聚倍半硅氧烷旋涂到不同材质的基底上可以提升基底的润湿性能，所得材料可被应用于疏水涂层领域，并具有自清洁和防腐功能。本方法所述的制备方法一步合成，条件可控且操作简单，适合大规模制备及应用。
6.本发明所述的一种疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷的制备方法，按照下列步骤进行：
7.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.02
‑
0.5m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入0.5
‑
8ml质量比为1:0.1
‑
10的长链硅烷和短链硅烷，得到半透明溶液，其中长链硅烷包括十六烷基三甲氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷；短链硅烷包括甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷或十二烷基三甲氧基硅烷；
8.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声1
‑
10min，得到不透明溶液；
9.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发1
‑
14天，分别得到形状可控的棒状、簇状、三维片状、多孔状、球状和块状聚倍半硅氧烷。
10.所述方法获得的疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷在制备用于疏水涂层中的用途。
11.本发明所述的一种疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷制备方法及用途，与现有技术相比有以下创新性：
12.1、本发明通过调节反应物的含量和碱的浓度，聚倍半硅氧烷可实现棒状、簇状、三维片状、多孔状、球状和块状形貌调控；
13.2、所用原料易得，操作简便，可工业化生产；
14.3、制备得到的形状可控的聚倍半硅氧烷的分散液可旋涂到不同材质的基底上，用作疏水涂层，并具有自清洁和防腐的功能。
15.本发明所述的一种疏水性形状可控的聚倍半硅氧烷的制备方法，该方法中聚倍半硅氧烷的反应示意图中长链硅烷为r
l
，短链硅烷为r
s
；最终的聚倍半硅氧烷的结构示意图不仅限于以下一种，r是长链硅烷或短链硅烷的烷基基团：
16.附图说明
17.图1为本发明形状可控的聚倍半硅氧烷的形貌图，其中a：棒状；b：簇状；c：三维片状；d：多孔状；e：球状；f：块状；
18.图2为本发明聚倍半硅氧烷的固体核磁硅谱，以簇状结构为例，得到的聚倍半硅氧烷为t2结构((
‑
osi)2(
‑
oh)sir)，r是长链硅烷或短链硅烷的烷基基团。
具体实施方式
19.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述，但不限于以下的实施例。
20.实施例1
21.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.1m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入4ml质量比为1:5的长链硅烷为十六烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为甲基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
22.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声4min，得到不透明溶液；
23.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发9天，得到形状可控的棒状聚倍
半硅氧烷，如图1a所示；
24.将得到的棒状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在玻璃片材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
25.将棒状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散2h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为30％；
26.将分散液取5μl滴加到玻璃片上，转速2000rpm，旋涂30s，重复4次，得到疏水基底；
27.将得到的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为146.0
°
。
28.实施例2
29.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.02m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入1ml质量比为1:0.2的长链硅烷为十六烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为丙基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
30.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声10min，得到不透明溶液；
31.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发14天，得到簇状的聚倍半硅氧烷，如图1b所示；
32.将得到的簇状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在棉布材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
33.将簇状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散3h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为25％；
34.取分散液8μl滴加到棉布上，转速2500rpm，旋涂20s，重复3次，得到疏水基底；
35.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为147.5
°
。
36.实施例3
37.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.02m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入8ml质量比为1:1的长链硅烷为十六烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为十二烷基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
38.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声1min，得到不透明溶液；
39.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发1天，得到三维片状的聚倍半硅氧烷，如图1c所示；
40.将得到的三维片状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在硅片材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
41.将三维片状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散4h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为20％；
42.取分散液10μl滴加到硅片上，转速3000rpm，旋涂20s，重复3次，得到疏水基底；
43.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为145.7
°
。
44.实施例4
45.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.5m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入2ml质量比为1:10的长链硅烷为十六烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为辛基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
46.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声3min，得到不透明溶液；
47.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发5天，得到多孔状的聚倍半硅氧
烷，如图1d所示；
48.将多孔状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在玄武岩纤维布材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
49.将多孔状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散3h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为27％；
50.取分散液8μl滴加到玄武岩纤维布上，转速2300rpm，旋涂26s，重复3次，得到疏水基底；
51.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为138.7
°
。
52.实施例5
53.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.2m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入4ml质量比为1:8的长链硅烷为十六烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
54.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声5min，得到不透明溶液；
55.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发8天，得到球状的聚倍半硅氧烷，如图1e所示；
56.将球状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在金属表面材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作按下列步骤进行：
57.将球状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散2h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为22％；
58.取分散液9μl滴加到金属表面上，转速2600rpm，旋涂24s，重复4次，得到疏水基底；
59.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为143.7
°
。
60.实施例6
61.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.4m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入6ml质量比为1:9的长链硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为甲基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
62.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声5min，得到不透明溶液；
63.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发12天，得到块状的聚倍半硅氧烷，如图1f所示；
64.块状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在玻璃纤维布材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
65.将块状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散3h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为30％；
66.取分散液7μl滴加到玻璃纤维布上，转速2500rpm，旋涂25s，重复3次，得到疏水基底；
67.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为142.5
°
。
68.实施例7
69.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.4m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入5ml质量比为1:7的长链硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
70.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声6min，得到不透明溶液；
71.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发13天，得到球状的聚倍半硅氧烷，如图1e所示；
72.球状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在玻璃纤维布材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
73.将球状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散2h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为24％；
74.取分散液5μl滴加到玻璃纤维布上，转速2400rpm，旋涂28s，重复4次，得到疏水基底；
75.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为144.5
°
。
76.实施例8
77.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.2m的naoh溶液中，混合搅拌均匀后加入2ml质量比为1:8的长链硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为丙基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
78.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声5min，得到不透明溶液；
79.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发11天，得到簇状的聚倍半硅氧烷，如图1b所示；
80.簇状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在玻璃纤维布材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
81.将簇状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散3h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为25％；
82.取分散液6μl滴加到玻璃纤维布上，转速2700rpm，旋涂24s，重复3次，得到疏水基底；
83.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为147.2
°
。
84.实施例9
85.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.4m的naoh溶液，混合搅拌均匀后加入5ml质量比为1:0.1的长链硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为十二烷基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
86.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声8min，得到不透明溶液；
87.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发14天，得到三维片状的聚倍半硅氧烷，如图1c所示；
88.三维片状的聚倍半硅氧烷用作疏水涂层，旋涂在玻璃纤维布材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
89.将三维片状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散2h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为10％；
90.取分散液8μl滴加到玻璃纤维布上，转速2800rpm，旋涂20s，重复5次，得到疏水基底；
91.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为146.5
°
。
92.实施例10
93.a、将50ml乙醇中加入4ml浓度为0.5m的naoh溶液，混合搅拌均匀后加入1ml质量比为1:10的长链硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷和短链硅烷为辛基三甲氧基硅烷，得到半透明溶液；
94.b、将步骤a得到的半透明溶液，在室温条件下超声4min，得到不透明溶液；
95.c、将步骤b得到的不透明溶液，在室温下静置挥发10天，得到多孔状的聚倍半硅氧烷，如图1d所示；
96.多孔状的聚倍半硅氧烷可以用作疏水涂层，旋涂在玻璃纤维布材质的基底上，可有效提高基底材料的疏水性能，具体操作为：
97.将多孔状的聚倍半硅氧烷加到乙醇溶液中，超声分散4h，得到分散液，其中聚倍半硅氧烷占乙醇溶液的质量体积分数为28％；
98.取分散液6μl滴加到玻璃纤维布上，转速2500rpm，旋涂25s，重复3次，得到疏水基底；
99.将制备的疏水基底在室温下静置挥发，测得接触角为142.7
°
。