CN101456947A - 全氟聚醚化合物、防污涂料组合物和含有该组合物的薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了右式(1)的新型全氟聚醚改性硅烷化合物,包含该化合物并当涂布在透明玻璃或塑料材料表面上时提供优异的防污性、抗划伤性和耐久性并同时保持该材料的透明度的防污涂料组合物,和通过涂布该组合物形成的并适合作为平板显示器,例如透镜、玻璃窗、液晶显示器(LCD)、等离子显示板(PDP)、有机电致发光(EL)或场致发射显示器(FED)的减反射薄膜或滤光片的薄膜。其中n是10至70的整数;m是1至3的整数;p和q独立地为2或3;R1是C2-C4烷基;R2和R3独立地为C1-C6烷基或苯基;R4是C3-C5烷基或C3-C6烷基醚;R5是C1-C6烷基或苯基;且X是C1-C3烷氧基。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C.§119(a)要求2007年12月13日提交的韩国专利申请No.10-2007-0130194的权益,其整个内容经此引用并入本文。
技术领域
本发明涉及包含新型全氟聚醚改性硅烷化合物以改进防污性、抗划伤性和耐久性的防污涂料组合物,和通过涂布该组合物而形成的薄膜。
背景技术
氟基功能材料正作为包括光通信、光电子、半导体、汽车和计算机工业在内的下一代技术中的核心材料引起全世界的关注。对各种显示器,包括液晶显示器(LCD)中使用的光学薄膜的需求迅速增加。光学薄膜包括液晶或偏振层、保护液晶和提供平坦性的硬涂层、防止光学干涉和提供清晰图像的减反射层、和防止表面污染的防污层。尤其地,制造具有防污层的光学薄膜的技术从工业角度看非常重要。
目前,减反射薄膜由用于折光指数和厚度控制的具有很高亲水性的多层无机氧化物薄膜构成。因此,其在使用过程中容易被污染,且污染物不容易去除。在使用溶剂去除污染物的情况下,具有破坏薄膜表面的危险。为了向光学功能薄膜、玻璃等的表面提供防污性和拒水性,在最外表面上使用有机硅或氟烃聚合物以形成固化薄膜。
用于涂布该表面的材料的实例包括C8F17C2H4Si(NH)3/2、C4F9C2H4Si(NH)3/2和聚硅氧硅氮烷(polysiloxazane)[美国专利No.4,678,688]。当这些化合物单独使用时,由于与无机氧化物基底的交联不足,摩擦耐久性变差。当仅使用碳氟化合物时,没有获得令人满意的防污性。当使用聚硅氧硅氮烷化合物时,由于聚硅氧硅氮烷具有比碳氟化合物大的表面能,初始防污性变差。此外,由于形成三维结构所需的官能团不足,可能不能获得充足交联。因此,污染物可能累积或附着,并可能由于低玻璃化转变温度而留下指纹。在日本专利公开No.1990-233535中,使用具有全氟基团的硅烷化合物作为玻璃表面改性剂,但是所得涂层没有表现出充足的拒水性、防污性和/或未污染性。
为了解决该问题,已经提出结合无机材料(如玻璃)和有机材料的所谓硅烷偶联技术。硅烷偶联剂在分子中具有与有机材料有良好亲合力的有机官能基团或化学结构并具有反应性烷氧基甲硅烷基。烷氧基甲硅烷基与空气中的水分发生自缩合反应,转化成硅氧烷从而形成涂层。同时,硅烷偶联剂与玻璃或金属表面形成化学和物理键,从而产生耐久的坚韧涂层。利用这些优点,硅烷偶联剂广泛用作各种基底的涂布剂或底涂料。
公开了通过化学键合在硅烷偶联剂中引入全氟基团而获得的化合物作为具有良好成膜性、与基底的粘合性和耐久性的涂布剂[日本专利公开No.昭58-167597、日本专利公开No.昭58-122979、平10-232301和平2000-143991]。根据这些专利,提到在具有硅烷偶联结构的基底表面上引入全氟烷基改进了防污性(拒水和拒油性)。但是,这些化合物没有足够的拒油性,因为全氟基团部分的长度(分子量)受到限制,或在全氟基团部分足够长的情况下,包含全氟基团的整个分子中烷氧基甲硅烷基占据的比例降低,由此导致差的粘合性或粘合耐久性。
背景部分中的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解,因此其可能含有不构成韩国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
为解决与现有技术有关的上述问题,已经作出本发明。
本发明的目的是提供新的全氟聚醚改性硅烷化合物。
本发明的另一目的是提供具有良好防污性、与基底的粘合性和耐久性的防污涂料组合物和由该组合物制成的薄膜。
为了实现这些目的,一方面,本发明提供了下式(1)的全氟聚醚改性硅烷化合物:
其中n是10至70的整数;m是1至3的整数;p和q独立地为2或3;R1是C2-C4烷基;R2和R3独立地为C1-C6烷基或苯基;R4是C3-C5烷基或C3-C6烷基醚;R5是C1-C6烷基或苯基;且X是C1-C3烷氧基。
另一方面,本发明提供了包含0.05至50重量%式(1)的全氟聚醚改性硅烷化合物和50至99.95重量%溶剂的防污涂料组合物。
再一方面,本发明提供了通过涂布该防污涂料组合物而形成的薄膜。
下面论述本发明的其它方面。
具体实施方式
本发明涉及式(1)的新型全氟聚醚改性硅烷化合物、包含该化合物的防污涂料组合物和包含该组合物的薄膜。
在式(1)中,n是10至70的整数,m是1至3的整数,p和q独立地为2或3。当n小于10时,全氟聚醚部分太短而不能获得充足的防污性。当n超过70时,整个全氟聚醚改性硅烷化合物中烷氧基甲硅烷基部分的比例降低,由此造成与固化薄膜的差粘合性和降低的耐久性。此外,当p和q独立地小于2时,与固化薄膜的粘合可能降低,且耐久性可能降低。因此,上述范围是优选的。
此外,在式(1)中,R1是C2-C4烷基;R2和R3独立地为C1-C6烷基或苯基;R4是C3-C5烷基或C3-C6烷基醚;R5是C1-C6烷基或苯基;且X是C1-C3烷氧基。
更优选地,考虑到防污性、透明度、抗划伤性和耐久性,可以使用下式(1a)、(1b)或(1c)的全氟聚醚改性硅烷化合物:
其中n是10至70的整数。
在本发明中,全氟聚醚改性硅烷化合物可以通过本领域常用的方法合成,没有特别限制。例如,其可以如下合成:第一步骤,合成全氟聚醚化合物,第二步骤,将全氟聚醚化合物甲酯化,第三步骤,将甲酯化全氟聚醚化合物与氨基硅烷化合物混合以引入烷氧基甲硅烷基部分,第四步骤,进一步使所得全氟聚醚改性硅烷化合物的仲氨基与环氧基硅烷化合物反应。与传统化合物相比时,本发明的全氟聚醚改性硅烷化合物具有更大的烷氧基甲硅烷基部分,这改进了与基底的粘合性和成膜性。相应地,只要进行充分聚合以产生发挥防污性能的大全氟聚醚部分,本发明的全氟聚醚改性硅烷化合物就具有优异的防污性以及与基底的良好粘合性和涂层耐久性。
在合成全氟聚醚化合物的第一步骤中,可以通过文献[James T.Hill,J.Macromol.Sci.Chem.,A8,(3),第499页(1974)]中报道的之前已知的方法合成全氟聚醚化合物。也就是说,将六氟环氧丙烷(HFPO)和氟化铯在溶剂中混合。溶剂可以是本领域中常用的溶剂并且没有特别限制。例如,可以使用选自三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、丁基二甘醇二甲醚和乙基二甘醇二甲醚的溶剂。可以通过HFPO供应速率和反应温度控制全氟聚醚化合物的聚合程度(即分子量)。
在将全氟聚醚化合物甲酯化的第二步骤中,可以通过将全氟聚醚化合物与甲醇在20至30℃下混合并搅拌来容易地进行甲酯化。将甲酯化的化合物提纯并在真空中干燥。聚合程度可以由全氟聚醚化合物的分子量确定,这可以通过凝胶渗透色谱法测量。聚合度等于式(1)中的数值n,并且是决定防污性、与基底的粘合性和耐久性的重要因素。
在使甲酯化的全氟聚醚化合物与氨基硅烷化合物反应以引入烷氧基甲硅烷基部分的第三步骤中,氨基硅烷化合物可以是本领域中常用的并且没有特别限制。例如,可以使用选自3-(2-氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷、3-(2-氨基乙基)氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-(2-氨基乙基)氨基丙基三乙氧基硅烷和3-(2-氨基乙基)氨基丙基甲基二乙氧基硅烷的物质。
更优选地,考虑到包含全氟聚醚改性硅烷化合物的防污涂料组合物的涂布过程中的固化速率,使用与涂膜具有良好粘合性的3-(2-氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷或3-(2-氨基乙基)氨基丙基甲基二甲氧基硅烷。尽管没有特别限定,但基于1.0摩尔的甲酯化全氟聚醚化合物,氨基硅烷化合物可以以1.0至3.0摩尔的量混合在溶剂中。优选地,考虑到全氟聚醚化合物的粘度和溶剂的沸点,反应温度保持在60至80℃。溶剂也可以是本领域中常用的溶剂并且没有特别限制。例如,可以使用选自三氟苯、1,3-双(三氟甲基)苯和1,4-双(三氟甲基)苯的溶剂。通过提纯混合物并在真空中干燥,可以获得具有烷氧基甲硅烷基部分的全氟聚醚改性硅烷化合物。
在进一步使所得全氟聚醚改性硅烷化合物的仲氨基与环氧基硅烷化合物反应的第四步骤中,环氧基硅烷化合物可以是本领域中常用的并且没有特别限制。例如,可以使用选自3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧丙基甲基二甲氧基硅烷、3-环氧丙氧丙基三乙氧基硅烷、3-环氧丙氧丙基甲基二乙氧基硅烷和3-(3,4-环氧环己基)三甲氧基硅烷的物质。考虑到通过环氧基的反应性和烷氧基甲硅烷基部分的反应性产生的成膜性,更优选使用3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷或3-环氧丙氧丙基甲基二甲氧基硅烷。基于1.0摩尔第三步骤中制成的全氟聚醚改性硅烷化合物,环氧基硅烷化合物可以以1.0至2.0摩尔的量混合在溶剂中。溶剂也可以是本领域中常用的溶剂并且没有特别限制。例如,可以使用选自三氯三氟乙烷、三氟苯、1,3-双(三氟甲基)苯和1,4-双(三氟甲基)苯的溶剂。通过提纯混合物并在真空中干燥,可以将环氧基硅烷化合物的环氧基引入全氟聚醚改性硅烷化合物的仲氨基上。
通过该方法,可以合成根据本发明的式(1)的全氟聚醚改性硅烷化合物。
本发明提供了包含0.05至50重量%式(1)的全氟聚醚改性硅烷化合物和50至99.95重量%溶剂的防污涂料组合物。
此外,本发明还提供了进一步包含使上式(1)所示的全氟聚醚改性硅烷化合物的末端烷氧基(X)水解的水解催化剂的防污涂料组合物。上述水解催化剂促进烷氧基(X)的水解,由此在将涂料组合物涂布到基底上时促进其与基底和随后的涂层的粘合。
本发明中使用的水解催化剂不限于本发明所属领域中所用的那些。例如,本发明中使用的水解催化剂的实例可以是选自有机锡化合物、有机钛化合物、有机酸和无机酸、或其混合物的物质。优选地,可以使用有机锡化合物,例如二甲醇二丁锡、二月桂酸二丁锡,有机钛化合物,例如钛酸四丁酯,或有机酸,例如甲磺酸,无机酸,例如盐酸或硫酸。
对全氟聚醚改性硅烷化合物的含量没有特别限制,可以考虑在薄膜上的涂布性来确定该浓度。通常,改性硅烷化合物的浓度可以为0.05至50重量%,特别是0.05至20重量%。溶剂可以是本领域中常用的溶剂并可以考虑涂布方法、组合物的稳定性、在基底上的润湿性和蒸发速率来选择。例如,可以使用氟改性的烃溶剂或烃溶剂。更优选地,可以使用选自全氟庚烷、全氟己烷、间二甲苯六氟化物、次苄基三氟、甲基全氟丁基醚、乙基全氟丁基醚、全氟(2-丁基四氢呋喃)、石油苯、溶剂油、异链烷烃、甲苯、二甲苯、丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮、环己酮、甲基甘醇二甲醚、甲基三甘醇二甲醚、甲基四甘醇二甲醚和四氢呋喃或其混合物的化合物。
本发明进一步提供了通过涂布防污涂料组合物而形成的薄膜。
防污涂料组合物的涂布可以通过本领域中常用的方法进行并且没有特别限制。例如,可以使用之前已知的方法,例如旋涂、浸涂、幕涂、喷涂、溶胶-凝胶法、真空沉积等来形成平板显示器,例如透镜、玻璃窗、液晶显示器(LCD)、等离子显示板(PDP)、有机电致发光(EL)和场致发射显示器(FED)用的减反射薄膜或滤光片。涂膜可以具有0.005至0.5微米的厚度。当厚度小于0.005微米时,防水或防油的防污性可能不足。当其超过0.5微米时,透光率可能降低,且不均匀的厚度可能造成反射性质劣化和干涉条纹。因此,上述厚度范围是优选的。
可以在各种制品,包括无机玻璃或有机聚合物的最外表面上提供包含本发明的防污涂料组合物的薄膜。尤其是从防污角度看,其可用于平板显示器,例如透镜、玻璃窗、LCD、PDP、有机EL和FED中的减反射薄膜或滤光片,其中无机玻璃或透明有机聚合物的污染可能引起不便。此外,可以在薄膜和基底之间设置各种功能涂层,包括抗静电层、减反射层、电磁干扰屏蔽层,等等。
本发明提供了具有优异的防污性、抗划伤性和耐久性而不牺牲玻璃或塑料材料的表面透明度的防污涂料组合物。相应地,其可以涂布在玻璃或塑料产品上以提供这些性质。具体而言,其可用于眼镜、照相机等的透镜、各种产品的LCD板、房屋、建筑物、车辆等的玻璃窗、水环境中所用的厨房用具和浴室用具、建筑外部材料、美术品器具等等。
实施例
参照下列实施例进一步描述本发明,但它们不应该被视为限制本发明的范围。
合成例1
在配有搅拌器、冷却护套、温度计和压力计的高压不锈钢反应器中加入2.49克四甘醇二甲醚、1.69克氟化铯、87.75克六氟丙烯(HFP)和420克六氟环氧丙烷。通过在-35℃下进行反应,获得HFPO低聚物。总反应时间为36小时。在HFPO低聚物上的19F-NMR分析产生下列光谱数据:
19F-NMR
83.8ppm s,3F,CF 3CF2
131.3ppm m,2F,CF3CF 2
83.2ppm m,2F,CF3CF2CF 2
s,3F,CF(CF 3)COF
146.2ppm t,1F,OCFCF3
81.6ppm m,3F,OCF(CF 3)CF2
m,2F,OCF(CF3)CF 2
132.0ppm t,1F,CFCOF
在HFPO中加入5克甲醇后,在室温下搅拌12小时以获得HFPO低聚物甲酯。凝胶渗透色谱(GPC)分析表明,该HFPO低聚物甲酯具有分子量MW=4,400,且n为大约26。
通过在真空中干燥,去除未反应的甲醇,并在HFPO低聚物甲酯中加入1,3-双(三氟甲基)苯作为反应溶剂。然后,加入16克3-(2-氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷并在70℃下进行反应6小时。通过在甲醇中沉淀提纯后,在反应产物(氟氨基硅烷化合物)中进一步加入1,3-双(三氟甲基)苯作为反应溶剂,并加入20克3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷。在室温下进行反应6小时后,通过在甲醇中沉淀来进行提纯。所得氟硅烷化合物具有下式(1a)。FT-IR分析产生下列光谱数据:
FT-IR(cm-1)
3250-3410(N-H)
2780-3000(C-H)
1710(CONH)
1100-1340(C-F)
合成例2
按照与合成例1中相同的方式进行合成,只是在HFPO低聚物合成过程中将六氟环氧丙烷的量增加至800克。
在HFPO中加入5克甲醇后,在室温下搅拌12小时以获得HFPO低聚物甲酯。GPC分析表明HFPO低聚物甲酯具有分子量MW=8000且n为大约48。随后的程序与合成例1中相同。所得氟硅烷化合物具有下式(1a):
合成例3
按照与合成例1中相同的方式进行合成,只是在HFPO低聚物甲酯中加入15克3-(2-氨基乙基)氨基丙基甲基二甲氧基硅烷代替16克3-(2-氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷。所得氟硅烷化合物具有下式(1b):
合成例4
按照与合成例1中相同的方式进行合成,只是在反应产物(氟氨基硅烷化合物)中加入17克3-环氧丙氧丙基甲基二甲氧基硅烷代替20克3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷。所得氟硅烷化合物具有下式(1c):
对比合成例1
按照与合成例1中相同的方式进行合成,只是加入63.25克HFP。在反应产物中加入5克甲醇后,在室温下进行搅拌12小时以获得HFPO低聚物甲酯。GPC分析表明HFPO低聚物甲酯具有分子量MW=12,000且n为大约72。其它合成条件与合成例1中相同。所得氟硅烷化合物具有下式(1a):
对比合成例2
按照与合成例1中相同的方式进行合成,只是加入63.25克HFP并进行反应9小时。在反应产物中加入10克甲醇后,在室温下进行搅拌12小时以获得HFPO低聚物甲酯。GPC分析表明HFPO低聚物甲酯具有分子量MW=1500且n为大约9。其它合成条件与合成例1中相同。所得氟硅烷化合物具有下式(1a):
对比合成例3
按照与合成例1中相同的方式进行合成,只是在HFPO低聚物甲酯中加入15克3-氨基丙基三甲氧基硅烷并在70℃下进行反应6小时。将反应产物(氟氨基硅烷化合物)在1,3-双(三氟甲基)苯中萃取,而不与环氧基硅烷化合物反应,并在真空中干燥。其它合成条件与合成例1中相同。所得氟硅烷化合物具有下式(2):
实施例1至4和对比例1至3
将合成例1至4和对比合成例1至3中合成的并用式1a、1b、1c和2表示的氟硅烷化合物各0.2克溶解在99.8克全氟丁基乙基醚(Sumitomo-3M,Novec HFE-7200 C4F9OC2H5)中并在载玻片(2.6×7.6×0.1厘米)上旋涂。旋涂以2,000rpm进行30秒。在涂布后,使载玻片在恒定温度和湿度条件(20℃,65%RH)下静置24小时以形成固化薄膜。
对比例4
使用未经任何处理的裸载玻片。
试验例
试验例1:滑移角的测量
将载玻片固定在可以倾斜的样品台上。使水和正十六烷的液滴(尺寸30微升)附着在固化薄膜表面上。使载玻片从水平位置(0°)逐渐倾斜。测量液滴开始滑下的角度。滑移角越小,去除液滴的趋势越大。根据容许测得20°或更小的滑移角。
试验例2:接触角的测量
使用Kyowa接触角仪表DCA-WZ测量水和正十六烷的接触角。在室温下进行测量,且液滴尺寸为3微升。接触角越大,表面能越小。根据容许测得110°或更大(水)和70°或更大(正十六烷)的接触角。
试验例3:对仿冒指纹和油墨的抗污染性的评测
将蓝色油基染料(Oil Blue 403)溶解在角鲨烯中至5重量%。在手指上印上充足的量,并将手指以1kgf的力压在载玻片的固化薄膜表面上5秒。
使用市售油基油墨(Pentel)在载玻片的固化薄膜表面上绘制红色线。目测评价染色。
抗污染性的评测标准
○:少数污点
△:轻微污点
×:许多污点
试验例4:污点去除的简易性
通过用1kgf的力使KimWipes往复运动5次,擦除试验例3中形成的指纹和污点。目测评价污点去除的简易性。
污点去除简易性的评测标准
○:没有留下污点
△:去除多数污点,但留下微痕
×:显著留下污点
试验例5:耐久性的评测
使用平磨测试机(Yamaguchi Kaguku),使用棉绒面呢在125gf/cm2载荷下进行水平摩擦(摩擦处理)。以两种模式进行摩擦处理:100次往复和500次往复。在摩擦处理后,如上所述评测接触角、抗污染性、和污点去除简易性。
摩擦处理后的抗污染性的评测标准
○:少数污点
△:轻微污点
×:许多污点
摩擦处理后的污点去除简易性的评测标准
○:没有留下污点
△:去除多数污点,但留下微痕
×:显著留下污点。
结果列在下表1中。
表1
从表1中可以看出,本发明的防污涂料组合物(实施例1至4)与不进行处理时(对比例4)相比表现出优异的抗污染性和杰出的抗磨耐久性。
当HFPO部分太长(对比例1)或太短(对比例2)时,抗磨耐久性相当或更差,且抗污染性或污点去除简易性更差。
在对比例3中,摩擦处理后的抗污染性或污点去除简易性变差,且抗磨耐久性差。
本发明的式(1)的全氟聚醚改性硅烷化合物作为防污剂非常有用。本发明的包含式(1)的化合物作为主要组分的防污涂料组合物当涂布在透明玻璃或塑料基底的表面上时提供优异的防污性、抗划伤性和耐久性,同时保持基底的透明度。
此外,当施加到平板显示器,例如透镜、玻璃窗、LCD、PDP、有机EL和FED用的减反射薄膜或滤光片上时,本发明的防污涂料组合物极大改进了抗污染性和污染物去除的简易性。
已经参照其优选实施方案详细描述本发明。但是,本领域技术人员会认识到,可以在不背离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方案作出变动,本发明的范围规定在所附权利要求及其对等物中。
Claims (10)
4.根据权利要求3的防污涂料组合物,其中该组合物进一步包含式(1)的全氟聚醚改性硅烷化合物和使该全氟聚醚改性硅烷化合物的末端烷氧基(X)水解的水解催化剂。
5.根据权利要求3的防污涂料组合物,其中溶剂是氟改性的烃溶剂或烃。
6.根据权利要求5的防污涂料组合物,其中溶剂是选自全氟庚烷、全氟己烷、间二甲苯六氟化物、次苄基三氟、甲基全氟丁基醚、乙基全氟丁基醚、全氟(2-丁基四氢呋喃)、石油苯、溶剂油、异链烷烃、甲苯、二甲苯、丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮、环己酮、甲基甘醇二甲醚、甲基三甘醇二甲醚、甲基四甘醇二甲醚和四氢呋喃或其混合物的化合物。
7.通过涂布根据权利要求3至6任一项的防污涂料组合物而形成的薄膜。
8.根据权利要求7的薄膜,其具有0.005至0.5微米的厚度。
9.根据权利要求7的薄膜,其用作平板显示器的减反射薄膜或滤光片。
10.根据权利要求9的薄膜,其中平板显示器是透镜、玻璃窗、液晶显示器(LCD)、等离子显示板(PDP)、有机电致发光(EL)或场致发射显示器(FED)。
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