POSS的特点及应用领域

1.什么是POSS材料？

(1)POSS的全称是倍半硅氧烷，其分子式为（RSiO3/2）n，其中n为偶数时，这类化合物会形成典型的多面低聚倍半硅氧烷，亦称作POSS。图1为n等于8、10和12时所形成的POSS分子，分别记为八聚倍半硅氧烷（T8）、十聚倍半硅氧烷（T10）和十二聚倍半硅氧烷（T12），可通过水解缩聚法、顶角盖帽法、官能团衍生法等方法合成。

(2)在纳米级杂化材料的研究中，POSS 将有机组分与无机组分在分子层面上实现了结合，是高分子杂化材料的研究热点。1946年，SCOTT首次提出了甲基取代的倍半硅氧烷。之后，BARRY 等发现了完全缩合的 POSS 具有立方和六角棱柱的形状。1965年，BROWN系统研究了POSS的合成原理和中间产物，为POSS的衍生化提供了初步思路。到20世纪90年代，FEHER等合成出多种端基的POSS，为其功能化奠定了基础。近年来，通过多种化学方式对 POSS 进行改性赋予其更多功能特性。其中，T8是POSS中最先发展和应用研究最多的一种。

POSS的常见结构示意图

(3)POSS材料根据官能化改性策略的不同又可衍生出新的POSS衍生物，例如官能团改性：常见 POSS 的端基 R 主要为氢原子、烷基、苯基、烯基、氨基和羟基，可通过加成反应、取代反应、氧化还原反应、偶联反应、点击化学等反应方式在 POSS 分子笼型框架的顶点上引入不同的有机基团，如巯基、卤原子、环氧基、苯胺基、炔基、异氰酸酯基等。

功能团改性的POSS类衍生物

聚合改性：以POSS为单体的聚合改性，通常将 POSS 单体与其他单体进行封端、共聚或交联反应，形成带有尾链、嵌段型、串珠状或星型的聚合物。

聚合改性后的POSS聚合物结构示意图

配位改性：POSS 的多端活性位点可与金属原子配位结合形成含金属的有机/无机化合物（图 4）。其可通过负载金属原子提高负载型催化剂的催化活性。同时与金属原子活性中心键合形成的M—O—Si结构，可模拟 SiO2与金属原子的作用用作催化反应机理的研究模型。

含金属的POSS结构示意图

2.POSS材料主要特点？

POSS将有机高分子材料的良好反应性、成型性、低成本和无机材料的耐高温、高强度、规整晶型等优异性能综合到单一材料中，为材料的设计和调整提供了极大的方便，是制备功能性新材料的重要手段。

POSS属于纳米尺度的二氧化硅/硅氧烷杂化物，分子呈笼型结构，分子尺寸通常为1~3nm，由Si-O形成无机框架核心，外围由有机基团所包围，分子中的R可以为氢原子、烷基、烯基、氨基、羟基等基团。该化合物具有优异的反应活性、耐热阻燃性、多孔性和纳米尺寸效应。

3.POSS材料的主要应用领域？

(1)POSS在耐热领域的应用

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都有显著效果。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，为耐热材料的研究提供了重要参考。

(2)POSS在阻燃领域的应用

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。

(3)POSS在增强和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。

(4)POSS作为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。

(5)POSS作为疏水表面改性剂

采用POSS化合物处理聚合物薄膜、棉织物、玻璃等基体表面，其庞大的分子空间和接枝的疏水性官能团减小了基体与水的接触面，产生“伞效应”作用，为疏水性材料的开发提供了新的研究策略。

4.POSS材料的未来发展方向？领域内的挑战

虽然功能化改性的POSS在耐热、阻燃、增强和多孔材料等方面均有优异的表现，但仍存在许多问题需要进一步的研究。

(1)未形成系统的理论研究成果，之后可针对POSS结构与应用性能之间的构效关系进行更加深入和系统研究，建立起相关的研究模型，为开发多领域应用的POSS功能材料提供理论指导。

(2)当前POSS材料的制备收率仍然较低，需要进一步开发高效合成方法，降低成本，促进该材料的产业化推广。

(3)虽然 POSS 可以应用在多个领域，但仅在骨组织修复材料中有关于 POSS 复合材料对细胞生长以及其自身降解性的研究，针对其他 POSS 材料的生物安全性却鲜见报道，今后可对 POSS 材料在食品、医用等领域应用安全性进行评价。