Наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли и способ их получения



Наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли и способ их получения
Наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли и способ их получения
Наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли и способ их получения
Наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли и способ их получения

 


Владельцы патента RU 2451636:

Учреждение Российской академии наук Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН (ИСПМ РАН) (RU)

Изобретение относится к области создания новых наноразмерных кремнеземных наполнителей для различных полимерных матриц. Модифицированные органо-неорганические молекулярные силиказоли общей формулы: где R означает Н или CH3; n означает целое число из ряда чисел в пределах от 40 до 20000; m означает целое число из ряда чисел в пределах от 20 до 10000; Alk означает углеводородный радикал C9-C17. Способ получения модифицированных органо-неорганических молекулярных силиказолей заключается в том, что сначала проводят поликонденсацию тетраэтоксисилана в безводной уксусной кислоте до получения заданного значения молекулярной массы неорганической части молекулы, с последующим добавлением в реакционную смесь алкиламидтриалкоксисилана, выбранного из ряда алкиламидтриалкоксисиланов общей формулы: где R и Alk имеют вышеуказанные значения; R' означает CH3- или C2H5-. Изобретение позволяет создавать новые наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли, которые могут найти применение в качестве компонентов полимерных нанокомпозитов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области создания новых наноразмерных кремнеземных наполнителей для различных полимерных матриц. Более конкретно, изобретение относится к разработке наноразмерных модифицированных молекулярных силиказолей и к способу их получения. Такие молекулярные частицы, представляющие собой органо-неорганические гибридные соединения, являются перспективными компонентами полимерных нанокомпозитов. Введение таких соединений в полимерные материалы приводит к достижению принципиально новых эффектов [Высокомолекулярные Соединения. Серия А, 2004. Т.46. №6. С.1-7]. Препятствием для получения таких материалов с хорошими характеристиками является агрегирование наночастиц в полимерной матрице, приводящее к снижению основных эксплуатационных характеристик композиционного материала. Традиционно для решения данной проблемы использовали введение ПАВов, однако в этом случае введение низкомолекулярных соединений или олигомеров в состав полимерного композита отрицательно сказывается на комплексе свойств материала [см., например, J. Am. Chem. Soc., 2007. V.129. Р.98].

Более современным подходом является химическая модификация поверхности наполнителя. Примеры такого рода достаточно многочисленны, однако каждый тип наполнителя требует создания своих собственных химических реагентов и способов их получения и применения [см., например, Langmuir, 2005. V.21. Р.2124-2128; Macromolecules, 2006. V.39. Р.2056-2062].

Существует большое количество патентных данных по получению кремнеземных частиц с модифицированной поверхностью, однако практически все они связаны с обработкой поверхности частиц, полученных различными методами, то есть во всех случаях имеется проблема агрегации частиц при их получении до стадии химической обработки поверхности.

Известно получение модифицированных нанопористых кремнеземных частиц с обработкой материала плазмой (US 5321102), причем исходными соединениями для процесса получения частиц являются многостадийно синтезируемые замещенные органосилсесквиоксановые соединения.

Известна модификация поверхности пирогенного кремнезема калийными соединениями, с дальнейшим введением замещающих групп различной природы (WO 2004/033544, US 2009/0258968). Полученный наполнитель имел достаточно широкую полидисперсность по размеру и большой разброс по содержанию модифицирующих групп на частицу.

В последнее время появилось более сотен патентов, посвященных модификации кремнеземных частиц функциональными силанами в различных условиях. Например, известна модификация поверхности кремнеземной частицы в водных средах с использованием хлорсиланов (US 2004/0052939, US 6384125), алкокси- и хлор-силанов (WO 2009/127438). Практически все они связаны с силиказолями, диспергированными в органических растворителях. Недостатком процессов является нестабильность силиказольных частиц до стадии модификации.

В связи с вышеизложенным представляется наиболее перспективным одностадийное получение модифицированных силиказольных наночастиц, с введением модифицирующего агента на стадии формирования силикатной частицы. В этом случае полученная дисперсия с самого начала не подвержена агрегации объектов.

Наиболее близкими к заявляемым соединениям и по структуре, и по способу их получения являются наноразмерные органо-неорганические молекулярные силиказоли и способ их получения, описанные в работе Н.В.Ворониной, И.Б.Мешкова, В.Д.Мякушева, Н.В.Демченко, Т.В.Лаптинской и A.M.Музафарова Российские нанотехнологии 2008, т.3, №5, стр.77-85. В работе описаны молекулярные силиказоли с размером частиц от 1 до 10 нм с поверхностью, модифицированной триметилсилильными группами. Способ получения заключался в конденсации тетраэтоксисилана (ТЭОС) в уксусной кислоте до образования органо-неорганической силиказольной частицы определенной величины, размер неорганической части которой зависит от температуры и продолжительности конденсации. Органический внешний слой формировали введением модифицирующих триметилсилильных групп после образования силиказольной частицы. Во всех случаях достигалась полная конверсия функциональных групп. Отличительной особенностью синтезированных нанообъектов была их хорошая растворимость в органических растворителях, таких как ТГФ, толуол, гексан и др., что существенно отличает данные соединения от вышеописанных силиказолей.

Задачей данного изобретения являлось получение новых наноразмерных модифицированных молекулярных силиказолей с высшими алкильными заместителями на поверхности частиц.

Задачей данного изобретения являлось также создание технологичного способа получения наноразмерных частиц, отличающихся минимальной полидисперсностью по размерам, с максимально равномерно модифицированной поверхностью.

Задача решается тем, что созданы новые наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли общей формулы (I):

,

где R означает H или CH3;

n означает целое число из ряда чисел в пределах от 40 до 20000; m означает целое число из ряда чисел в пределах от 20 до 10000;

Alk означает углеводородный радикал C9-C17.

В частности, если R означает H; n равно 40; m равно 20, Alk означает C9H19, силиказоль имеет структуру:

[SiO2]40[SiO1,5(CH2)3NHC(O)-C9H19]20

В частности, если R означает CH3; n равно 200; m равно 400, Alk означает C17H35, силиказоль имеет структуру:

[SiO2]200[SiO1,5(CH2)3N(CH3)C(O)-C17H35]400

В частности, если R означает CH3; n равно 20000; m равно 10000, Alk означает C15H31, силиказоль имеет структуру:

[SiO2]20000[SiO1,5(CH2)3N(CH3)C(O)-C15H31]10000

В частности, если R означает CH3; n равно 2000; m равно 200, Alk означает C17H35, силиказоль имеет структуру:

[SiO2]2000[SiO1,5(CH2)3N(CH3)C(O)-C17H35]200

Новый технический результат заключается в том, что созданы новые наноразмерные модифицированные молекулярные силиказоли, которые могут найти применение в качестве перспективных компонентов полимерных нанокомпозитов.

Задача решается также тем, что создан новый способ получения наноразмерных модифицированных молекулярных силиказолей, заключающийся в том, что сначала проводят поликонденсацию ТЭОС в безводной уксусной кислоте до получения заданного значения молекулярной массы неорганической части молекулы, с последующим введением алкиламидтриалкоксисилана, выбранного из ряда алкиламидтриалкоксисиланов общей формулы:

где R и Alk имеют вышеуказанные значения, R' означает CH3- или C2H5-.

В общем виде процесс может быть изображен общей схемой:

Соотношение ТЭОС и алкиламидтриалкоксисилана составляет от 0,5 до 10. Процесс осуществляют в температурном интервале от 20°C до температуры кипения реакционной смеси. Мольное соотношение суммарного количества тетраэтоксисилана и алкиламидтриалкоксисилана к уксусной кислоте составляет от 1:3 до 1:20.

Процесс синтеза включает в себя две последовательные химические реакции: гидролитическую поликонденсацию ТЭОС в безводной уксусной кислоте и модификацию поверхности растущих кремнеземных частиц по реакционноспособным группам до полной конверсии функциональных групп. В зависимости от температуры и продолжительности протекания этих двух последовательных реакций можно регулировать строение гибридных частиц «неорганическое ядро - органическая оболочка» (целевых продуктов), как их молекулярную массу, так и соотношение ядра и оболочки.

Исходные алкиламидтриалкоксисиланы получали по известному способу [ЖОХ (1975), т.45(10), стр.2350], заключающемуся в том, что проводят реакцию амидирования соединения формулы Alk-C(O)-OR', где Alk и R' имеют вышеуказанные значения, соединением формулы HNR(CH2)3Si(OR')3, где R и R' имеют вышеуказанные значения. Чистоту и строение полученных алкиламидтриалкоксисиланов подтверждали ГЖХ и ЯМР-1H спектроскопией. Содержание основного вещества составляло не менее 90%.

Образцы полученных согласно изобретению наноразмерных молекулярных силиказолей с модифицированной высшими алкильными заместителями поверхностью анализировали с использованием методов ГПХ, ЯМР-1H и ИК-спектроскопии. Данные ГПХ образцов молекулярных силиказолей, полученных по примерам 1 и 3 (см. Фиг.1), показывают достаточно узкое молекулярно-массовое распределение. В спектрах ЯМР-1H химические сдвиги и соотношение интегральных интенсивностей протонов соответствуют представленным химическим структурам. При этом сигналы, соответствующие этоксильным группам у атомов кремния, полностью отсутствуют, что свидетельствует об их полной конверсии. В ИК-спектрах конечных продуктов присутствуют слабые полосы поглощения в области 3400-3600 см-1, соответствующего валентным колебаниям -OH, что свидетельствует о наличии остаточных гидроксильных групп (см. Фиг.2). Соотношения органической и неорганической частей для полученных соединений были рассчитаны по данным элементного анализа. Конкретные величины приведены в примерах.

На Фиг.1 приведены кривые ГПХ модифицированных молекулярных силиказолей, полученных по примерам 1 (кривая 1) и 3 (кривая 2).

На Фиг.2 приведен ИК-спектр модифицированного молекулярного силиказоля, полученного по примеру 3.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами:

Пример 1. Получение органо-неорганического молекулярного силиказоля, когда Alk означает C9H19; R равно H; n равно 40; m равно 20 (типовая методика).

Смесь 2.29 г (0,011 моль) ТЭОС и 20.61 г (0.34 моль) уксусной кислоты перемешивают при температуре 20°C в течение 10 ч (продолжительность реакции определяли по образованию частицы неорганического молекулярного силиказоля заданной молекулярной массы с использованием метода ГПХ). Затем добавляют 17,64 г (0,044 моль) (C2H5O)3Si(CH2)3NHC(O)-C9H19. Полученную смесь перемешивают при температуре кипения реакционной смеси до полной конверсии функциональных групп (в течение 12 ч). После отмывки уксусной кислоты, осушки раствора и удаления летучих получают целевой продукт с выходом 78%. ЯМР-1H (CDCl3 250 МГц): мд; δ=0,117 (c, SiCH 3 6H); 0.544 (c, CH 2 Si 2H); δ=1,239 (CH 2 CH2O, 2Н); δ=3.649 (д, CH 2O, 6H); ГПХ: МГПХ=2700.

Элементный анализ %: найдено Si=19,81; C=44,21; H=7,90; вычислено Si=20,35; C=43,68; H=7,28.

Примеры 2-4: исходные соединения, условия получения целевых соединений и результаты анализов приведены в Таблице. Синтезы осуществляли аналогично методике Примера 1.

1. Модифицированные органо-неорганические молекулярные силиказоли общей формулы (I):

где R означает Н или СН3;
n означает целое число из ряда чисел в пределах от 40 до 20000;
m означает целое число из ряда чисел в пределах от 20 до 10000;
Alk означает углеводородный радикал C9-C17.

2. Силиказоль по п.1, отличающийся тем, что Alk означает C9H19, R означает Н; n равно 40; m равно 20.

3. Силиказоль по п.1, отличающийся тем, что Alk означает C17H35, R означает СН3; n равно 200; m равно 400.

4. Силиказоль по п.1, отличающийся тем, что Alk означает С15Н31, R означает СН3; n равно 20000; m равно 10000.

5. Силиказоль по п.1, отличающийся тем, что Alk означает C17H35, R означает СН3; n равно 2000; m равно 200.

6. Способ получения модифицированных органо-неорганических молекулярных силиказолей по любому из пп.1-5, заключающийся в том, что сначала проводят поликонденсацию тетраэтоксисилана в безводной уксусной кислоте до получения заданного значения молекулярной массы неорганической части молекулы с последующим добавлением в реакционную смесь алкиламидтриалкоксисилана, выбранного из ряда алкиламидтриалкоксисиланов общей формулы:

где R и Alk имеют вышеуказанные значения;
R' означает СН3- или C2H5-.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что мольное соотношение тетраэтоксисилана и алкиламидтриалкоксисилана составляет от 0,5 до 10.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что процесс осуществляют в температурном интервале от 20°С до температуры кипения реакционной смеси.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что мольное соотношение суммарного количества тетраэтоксисилана и алкиламидтриалкоксисилана к уксусной кислоте составляет от 1:3 до 1:20.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к композициям герметиков на основе силанфункциональных полимеров. .

Изобретение относится к способу гидролиза метилтрихлорсилана и получаемому этим способом продукту, который может быть использован в качестве исходного для получения адсорбентов для техники и медицины, для производства гидрофобизирующих составов, наполнителей в производстве строительных материалов.

Изобретение относится к двухслойным позитивным маскам, применяемым в микроэлектронике для создания приборов и интегральных схем методами субмикронных литографий, с использованием плазмохимического травления функциональных слоев, а также полиорганосиланам, обладающим фоточувствительными свойствами, для их изготовления общей формулы где R1 - этиладамантил, этил(диметиладамантил); R2 - метил, фенил; R3 - метил, фенил, циклогексил; m =2-3000 n = 2-3000; m : n = 16: (0,1-10).

Изобретение относится к кристаллогидрату полисиликата натрия и способу его получения, который может быть использован в качестве гелеобразующего компонента, например, при изготовлении теплоизоляционных материалов, при создании высококачественных минеральных уплотнительных слоев из связанных грунтов, в нефтедобывающей промышленности при гидроизоляции.

Изобретение относится к синтезу новых химических соединений - полиметилсилоксанов (гидрогелей метилкремниевой кислоты), которые могут быть использованы в качестве адсорбентов в различных областях техники, в частности в медицине как энтеросорбенты для выведения из организма среднемолекулярных органических токсических метаболитов.

Изобретение относится к новому способу получения не описанных в литературе сверхразветвленных алкилсиликатов (полиалкоксилоксанов) дендритной структуры, которые могут найти применение в химической промышленности в качестве исходных продуктов для получения различных органонеорганических композиционных материалов нового поколения с неорганическими блоками, обладающими новыми свойствами.

Изобретение относится к химической технологии, в частности к способам получения полиэтоксисилоксановых связующих, и может быть использовано в химической промышленности для производства этилсиликатных связующих, применяемых при получении керамических материалов.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способам получения полиэтоксисилоксанов, и может быть использовано в химической промышленности при производстве керамических изделий.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способам получения олигоалкоксисилоксанов, которые могут быть использованы, например, в качестве связующего при изготовлении керамических оболочек для точного литья.

Изобретение относится к области создания новых форм наноразмерных кремнеземных наполнителей для различных полимерных матриц. .

Изобретение относится к новой форме кремнезема - молекулярным силиказолям и способу их получения и может найти применение в химической промышленности. .

Изобретение относится к способу получения жидкого стекла, которое используется в строительстве, в нефтедобывающей промышленности. .

Изобретение относится к получе- , нию органофильных высокодисперсных окислов кремния и титана, применяемых в качестве активных наполнителей по:лимерных материалов, тиксотропных загустителей органических сред, н позволяет увеличить концентрацию хемосорбированных полиорганосилоксанов , упростить процесс, более полно раскислить, целевой продукт.

Изобретение относится к медицине и касается противоопухолевого препарата, представляющего собой стабильные наночастицы и включающего цитостатик, биодеградирующий полимер, поверхностно-активное вещество, криопротектор и векторную молекулу для адресной доставки частиц в пораженные органы и ткани.

Изобретение относится к технологии получения объемно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов, в частности к приготовлению композиций для пропитки углеродных волокон, и может быть использовано при производстве эррозионно-стойких теплозащитных деталей в авиационной, ракетно-космической и химической отраслях промышленности.
Изобретение относится к тонкопленочным интерференционным покрытиям для просветления оптических элементов. .
Наверх