Siloxane-silsesquioxane resins as components of hybrid materials – synthesis, characteristic and application

Wydział ChemiiOpracowano metodę syntezy nowych żywic siloksanowosilseskwioksanowych, w których cząsteczki silseskwioksanów pełniące rolę węzłów sieci połączone są ze sobą łańcuchami polisiloksanowymi o różnej długości i różnym stopniu funkcjonalizacji grupami Si-H lub winylowymi. W trakcie realizacji badań otrzymano również serię żywic silseskwioksanowych o nieuporządkowanej strukturze zawierających reaktywne wiązania Si- H. Opracowane metody syntezy pozwalają na otrzymanie omawianych żywic z wysoką wydajnością w relatywnie krótkim czasie. Otrzymane żywice scharakteryzowano z wykorzystaniem metod spektroskopowych, mikroskopowych, analizy termicznej oraz metod sorpcyjnych. Wyniki przeprowadzonych badań pozwoliły na jednoznaczne potwierdzenie struktury otrzymywanych materiałów, wykazały wyraźną zależność pomiędzy strukturą a ich morfologią, stabilnością termiczną i właściwościami teksturalnymi. W ramach dalszych etapów badań potwierdzono podatność obu typów żywic (SiHQ oraz SiHT) zawierających reaktywne wiązania Si-H na funkcjonalizację w procesie hydrosililowania olefin, otrzymując 36 nowych, funkcjonalizowanych żywic typu SiHQ oraz 8 nowych, funkcyjnych żywic typu SiHT z 8 różnymi typami grup funkcyjnych. Otrzymane funkcjonalizowane żywice wykorzystano z powodzeniem jako napełniacze w syntezie kompozytów polimerowych na osnowie poliuretanu, żywicy epoksydowej, polimetakrylanu metylu oraz poliolefin (HDPE oraz PP). W efekcie badań przygotowano próbki 78 kompozytów o różnym stopniu napełnienia, na osnowie 5 polimerów z udziałem 17 różnych napełniaczy.A method for the synthesis of new siloxane-silsesquioxane resins was developed, in which silsesquioxane molecules acting as nodes of the network are connected to each other by polysiloxane chains of various length and different degree of functionalization by Si-H or vinyl groups. During the research, a series of silsesquioxane resins with a random structure containing reactive Si-H bonds was also obtained. The developed synthesis methods allow obtaining the discussed resins with high efficiency in a relatively short time. The obtained resins were characterized using spectroscopic, microscopic, thermal analysis and sorption methods. The results of the conducted research allowed for unambiguous confirmation of the structure of the obtained materials and showed a clear relationship between their structure, morphology, thermal stability, and textural properties. As part of the further research stages the susceptibility of both types of resins (SiHQ and SiHT) containing reactive Si-H bonds to functionalization in the olefin hydrosilylation process was confirmed, yielding 36 new functionalized SiHQ resins and 8 new functional SiHT resins with 8 different types functional groups. The obtained functionalized with organic substituents siloxane-silsesquioxane resins were successfully used as fillers in the synthesis of polymer composites based on polyurethane, epoxy resin, polymethyl methacrylate and polyolefins (HDPE and PP). As a result, samples of 78 composites of different filling degree were prepared on 5 different polymer matrix with the use of 17 different fillers

Nanokompozyty polipropylen/poliedryczne oligomeryczne silseskwioksany – badania objętości swobodnych, stopnia krystaliczności oraz masowego wskaźnika szybkości płynięcia

Polypropylene/polyhedral oligomeric silsesquioxane (PP/POSS) nanocomposites were prepared by the melt blending method. Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS) was used to study the effects of the structure and of the amount of POSS on the free volumes in PP. The PALS parameters: o-Ps lifetime and its intensity, were compared to the crystallinity degree and to the mass flow rate (MFR) of nanocomposites. The presence of POSS nanofillers affected the PP microstructure and the size and number of free volumes in the polymer. The crystallinity degree was decreased and the intensity of o-Ps component was increased by increasing POSS contents. The MFR values increased for nanocomposites, thus POSS nanoparticles can act as plasticizers and generate more free volumes in PP.Nanokompozyty polipropylen/poliedryczne oligomeryczne silseskwioksany (PP/POSS) przygotowano metodą mieszania w stanie stopionym polimeru. Wpływ struktury oraz ilości zastosowanych nanonapełniaczy POSS na objętości swobodne w polipropylenie określono z zastosowaniem spektroskopii czasów życia pozytonów (PALS). Ustalono zależności pomiędzy parametrami PALS: czasem życia o-Ps (τ3) inatężeniem (I3) składowej o-Ps oraz wartościami stopnia krystaliczności (Xc) i masowego wskaźnika szybkości płynięcia (MFR) badanych materiałów. Obecność nanonapełniaczy POSS wpłynęła na liczbę i rozmiary objętości swobodnych w polimerze, co spowodowało zmianę mikrostruktury osnowy polipropylenowej. Wraz ze zwiększaniem zawartości napełniaczy POSS zmniejszał się stopień krystaliczności kompozytów, zwiększało natężenie składowej o-Ps, adodatkowo wzrastała wartość MFR – nanocząstki POSS pełniły w układzie rolę plastyfikatorów

Thermal Stability and Flame Retardancy of Polypropylene Composites Containing Siloxane-Silsesquioxane Resins

A novel group of silsesquioxane derivatives, which are siloxane-silsesquioxane resins (S4SQ), was for the first time examined as possible flame retardants in polypropylene (PP) materials. Thermal stability of the PP/S4SQ composites compared to the S4SQ resins and neat PP was estimated using thermogravimetric (TG) analysis under nitrogen and in air atmosphere. The effects of the non-functionalized and n-alkyl-functionalized siloxane-silsesquioxane resins on thermostability and flame retardancy of PP materials were also evaluated by thermogravimetry-Fourier transform infrared spectrometry (TG-FTIR) and by cone calorimeter tests. The results revealed that the functionalized S4SQ resins may form a continuous ceramic layer on the material surface during its combustion, which improves both thermal stability and flame retardancy of the PP materials. This beneficial effect was observed especially when small amounts of the S4SQ fillers were applied. The performed analyses allowed us to propose a possible mechanism for the degradation of the siloxane-silsesquioxane resins, as well as to explain their possible role during the combustion of the PP/S4SQ composites