CN105647363A - 一种低表面能组合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子低表面能组合物及其应用方法，该组合物，由0.1～10％改性含氟有机高分子表面活性剂、0.1～15％功能添加剂、75～99.9％的环保型含氟溶剂构成。本发明的其中含氟有机高分子表面活性剂的结构由功能端基与附着端基构成，针对不同的处理材料，附着端基做相应的调整。使用该组合物能够使材料表面获得极低的表面能，表现出卓越的抗粘附、耐腐蚀、耐磨损(降低摩擦系数)、防水疏水、防尘、防霉菌、降低辐射水平等性能。本发明所述的组合物能够处理的材料范围包括：金属、合金、塑料、橡胶、玻璃、复合材料、石材、金刚石、硅类非金属材料等。其应用范围宽广，处理工艺简单、环保、低耗能，用量省。

Description

一种低表面能组合物及其应用

技术领域

本发明涉及功能高分子材料领域，具体的说是一种高分子低表面能组合物及其应用方法。

背景技术

通过使用含氟有机表面活性剂使底物获得低表面能，进而使得底物表现出卓越的抗粘附、耐腐蚀、耐磨损(降低摩擦系数)、自清洁性等性能，是在本领域中已经众所周知了的一种方法。但是含氟有机表面活性剂的低附着性，以及含氟表面活性剂(尤其是PFOA、PFOS类化合物)在生产和使用过程中，存在人类健康威胁和环境污染的问题，使得人们正在逐渐降低或避免其的使用。但是，含氟有机表面活性剂其优异的性能，是很难用其他产品来替代的。同时，替代的产品依然存在附着力差，或要使用不环保、高能耗的手段将替代产品附着于底物。如专利CN101500716A公开了一种用离子有机硅组合物处理表面的方法，采用离子有机硅化合物涂覆于无机表面使经处理的表面具有优异的疏水性质。此方法操作简单，疏水性却无法与含氟表面活性剂处理的效果媲美，同时底物表面疏水性的耐久性差，使用过程中并不环保。专利CN104888624A中公开了在底物表面形成超疏水性聚偏氟乙烯膜的方法，降低底物表面能，但是其使用溶剂不环保，同时该膜的附着力差，容易剥落失效。因此，有必要寻找一种能够有效降低底物表面能，同时又满足安全、环保、操作简单、性能优异持久的组合物。

发明内容

本发明提供了一种低表面能组合物及其应用，将该低表面能组合物应用于表面处理时，能够使底物获得极低的表面能，同时，又能提高在底物获得的低表面能的持久性。

一种低表面能组合物，以重量百分比计，包括以下组分：0.1～10％含氟有机高分子表面活性剂、0～10％功能添加剂、80～99.9％的环保型含氟溶剂；

所述的含氟有机高分子表面活性剂的结构如下式所示：

其中，A1、A2为功能端基，A1为C₁～C₂含氟或不含氟直链烷基；A2为C₁含氟或不含氟直链烷基；

A3为附着端基；

n＝1～40。

发明人在研究的过程中，惊奇的发现，本发明的含氟醚类化合物能在多种环保的含氟溶剂中溶解，经过处理，能够在底物表面形成厚度约 (3-5毫微米)的单分子膜，该膜可以降低固体表面能量1000～10000倍，并能够有效锁住附着在底物表面的其它润滑介质，固体表面的林穆尔栅片段见图1，。此外，本发明人还发现含氟醚类化合物是环保、安全，不会带来潜在的人类健康威胁和环境污染问题，其形成的单分子膜在各种底物表面能够牢固的附着，赋予底物持久的低表面能。

上述的含氟醚类化合物在国外有结构类似的产品销售，商品名分别是苏威公司的PFPEZ系列产品。但是，这些商品是作为润滑油进行销售的(用途不同)，并不是配制成能够改变材料表面能的组合物进行销售(组分与性能不同)。同时PFPEZ系列产品只是结构与本发明所述的含氟醚类化合物类似，合成方法可参考CN105111352A，CN104918907A，但是其对各类材料表面的亲合性，表面能的改变等性能则远远不能与本发明所述的组合物相媲美。

作为优选，所述的A1为CH₃CH₂、CF₃或CF₃CF₂；

所述的A2为CF₃或CF₃CF₂。

作为优选，所述的A3为R¹CONHCO-、R²OC(O)-、-OH取代的C₁～C₅烷基、-OP(O)(OH)₂取代的C₁～C₅烷基、聚硅氧烷取代的C₁～C₅烷基、丙烯酸基取代的C₁～C₅烷基中的一种；R¹、R²独立地选自C₁～C₅烷基。作为进一步的优选，所述的A3可以为-C(O)-NH-C(O)CH₂CH₃、-C(O)OCH(CH₃)₂、-CH₂CH₂OH、n为范围为2～1000。

作为优选，所述的环保型含氟溶剂包括：C₅～C₈含氢或不含氢直链饱和氟烷烃，总含碳数小于8的直链饱和氢氟醚或含氟环醚，全氟三丙胺。

作为优选，所述的功能添加剂包括：含碳数低于8的含氟阴离子型、阳离子型、非离子型表面活性剂，有机过氧化物或偶氮类化合物。

本发明还提供了一种所述的低表面能组合物在材料表面处理中的应用。

作为优选，所述的材料为金属、合金、塑料、橡胶、玻璃、复合材料、石材、金刚石、硅类非金属材料；

对应不同的材料，所述的A3将会相应的改变。

本发明还提供了一种具有低表面能的产品，表面采用所述的低表面能组合物进行处理；

所述的低表面能组合物在产品的表面形成纳米尺度的膜

作为优选，所述的处理步骤如下：

(1)将需要处理的底物表面均匀涂刷组合物，或将底物浸渍于组合物中，或将底物浸渍于加热的组合物中，或将底物浸渍于加热并用超声波震动的组合物中，充分处理15分钟～1小时；

(2)取出底物，沥干组合物后，在烘箱内加热至50～120℃，加热时间为1～15小时。

本发明具有的有益效果如下：

(1)本发明避免采用有人体健康威胁和环境污染问题的含氟表面活性剂与溶剂，实现了绿色环保。

(2)该组合物在底物上处理方法简单，底物表面表现出极低的表面能，低表面能表面具有良好的耐久性。

(3)本发明高分子低表面能组合物应用操作简单，易于实现工业化。

附图说明

图1为采用本发明的组合物处理的固体表面的林穆尔栅片段，图中，1：锯齿状表面活性剂分子；2：润滑介质；3：固体表面。

具体实施方式

实施例1-20

实施例21

在钨钢刀具表面刷涂实施例1配置成的组合物2次，沥干后，置于50℃烘箱内烘3小时。测定表面能下降约1000倍，与水的接触角大于150°，使用该刀具切削木材，使用寿命延长4倍，耐磨性大大增强。

实施例22

将钨钢刀具浸渍于实施例1配置成的组合物中60分钟，沥干后，置于120℃烘箱内烘3小时。测定表面能下降约3000倍，与水的接触角大于150°，使用该刀具切削木材，使用寿命延长7倍，耐磨性大大增强。

实施例23

将钨钢刀具浸渍于实施例1配置成的微微沸腾的组合物中15分钟，沥干后，置于120℃烘箱内烘2小时。测定表面能下降约3000倍，与水的接触角大于150°，使用该刀具切削木材，使用寿命延长7倍，耐磨性大大增强。

实施例24

将钨钢刀具浸渍于实施例1配置成的微微沸腾的组合物中，同时组合物中开动超声波处理15分钟，沥干后，置于120℃烘箱内烘1小时。测定表面能下降约5000倍，与水的接触角大于150°，使用该刀具切削木材，使用寿命延长10倍，耐磨性大大增强。

实施例25～32

Claims (9)

1.一种低表面能组合物，其特征在于，以重量百分比计，包括以下组分：0.1～10％含氟有机高分子表面活性剂、0～10％功能添加剂、80～99.9％的环保型含氟溶剂；

所述的含氟有机高分子表面活性剂的结构如下式所示：

其中，A1、A2为功能端基，A1为C₁～C₂含氟或不含氟直链烷基；A2为C₁～C₂含氟或不含氟直链烷基；

A3为附着端基；

n＝1～40。

2.根据权利要求1所述的低表面能组合物，其特征在于，所述的A1为CH₃CH₂、CF₃或CF₃CF₂；

所述的A2为CF₃或CF₃CF₂。

3.根据权利要求1所述的低表面能组合物，其特征在于，所述的A3为R¹CONHCO-、R²OC(O)-、-OH取代的C₁～C₅烷基、-OP(O)(OH)₂取代的C₁～C₅烷基、聚硅氧烷取代的C₁～C₅烷基、丙烯酸基取代的C₁～C₅烷基中的一种；R¹、R²独立地选自C₁～C₅烷基。

4.根据权利要求1所述的低表面能组合物，其特征在于，所述的环保型含氟溶剂包括：C₅～C₈含氢或不含氢直链饱和氟烷烃，总含碳数小于8的直链饱和氢氟醚或含氟环醚，全氟三丙胺。

5.根据权利要求1所述的低表面能组合物，其特征在于，所述的功能添加剂包括：含碳数低于8的含氟阴离子型、阳离子型、非离子型表面活性剂，有机过氧化物或偶氮类化合物。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的低表面能组合物在材料表面处理中的应用。

7.根据权利要求6所述的低表面能组合物在材料表面处理中的应用，其特征在于，所述的材料为金属、合金、塑料、橡胶、玻璃、复合材料、石材、金刚石、硅类非金属材料。

8.一种具有低表面能的产品，其特征在于，表面采用权利要求1～5任一项所述的低表面能组合物进行处理；

所述的低表面能组合物在产品的表面形成纳米尺度的膜。

9.根据权利要求8所述的具有低表面能的产品，其特征在于，处理步骤如下：

(1)将需要处理的底物表面均匀涂刷组合物，或将底物浸渍于组合物中，或将底物浸渍于加热的组合物中，或将底物浸渍于加热并用超声波震动的组合物中，处理15分钟～1小时；

(2)取出底物，沥干组合物后，在烘箱内加热至50～120℃，加热时间为1～15小时。