含氟防指纹油聚合物及制备与在超双疏材料领域中的应用
技术领域
本发明属于超双疏材料领域,具体涉及一种含氟防指纹油聚合物及制备与在超双疏材料领域中的应用。
背景技术
随着电子工业的发展,触摸屏的应用越来越广泛,从手机、iPad,到ATM、工业控制设备及显示屏和电视。由于触摸屏的方便和快捷,我们平时在使用中经常会在触摸屏表面留下指纹印和油污,同时由于不易清洗,会影响屏幕的正常使用。因此,研究制备一种防水防油、耐磨的超双疏防指纹油成为了许多研究人员的方向。
有机氟材料中所含C-F键的键能大、键长短,使得氟原子能够牢固的结合碳原子,并且在碳骨架外层排列十分紧密,进而能够有效地防止碳原子和碳链的暴露。有机含氟材料由于具有较低的表面自由能、良好的化学稳定性和热稳定性被广泛应用于超双疏表面的制备。
专利CN201110292178.4提出了利用磁控溅射在基材表面喷涂CF4和N2的混合气体形成防指纹薄膜的方法,可赋予基材较好的透光率和疏水性,但是所形成的含氟化合物的耐摩擦性还到达不到市场的使用要求。因为含氟化合物在基底表面可形成含氟薄层,甚至可通过化学键合方式结合在基底表面,从而赋予表面超双疏特性,但此薄层由于是单分子层易于受到污染或者损毁。
而含氟聚合物应用于超双疏表面,则可提供表面一层较厚的含氟薄层,在实际使用中不易受到溶剂等腐蚀,同时,较难损毁。全氟聚醚分子中仅由C、F、O三种元素组成,由于氟原子具有很强的电负性(键能高达418.4~502.08kJ/mo1),碳链大部分被氟原子屏蔽。与烃类聚醚相比,全氟聚醚具有很多优异性能,例如化学惰性、热氧化稳定性、相容性、抗燃性、抗辐射性等。全氟聚醚有着极低的挥发性,而且不与水以及大部分烃类互溶,因此能与各种极性或者非极性液体形成稳定的界面。特别是分子量在2000~12000的全氟聚醚在室温下是液体,因此涂覆在基材表面的全氟聚醚链具有极高流动性。因为形成了液液界面,所以全氟聚醚修饰的基材表面与Teflon、FAS17相比有更低的接触滞后角与滚动角,从而赋予基材表面更好的超双疏性能,达到防指纹、自清洁的目的。自从上个世纪六十年代发明以来,由于其独特性能,引起了人们巨大的兴趣,特别是作为氟碳表面活性剂对产品改性。
专利CN201310686998.0提供一种通过全氟烷基醚酰氟、烯丙基胺与三甲氧基硅烷反应得到一种新型应用于抗指纹涂料的全氟聚醚的烷氧基硅烷的合成方法。该方法也能使基材表面具有良好的疏水性,但是这种方法存在以下问题:1.实验了氯铂酸作为催化剂价格昂贵,增加了生产成本;2.反应条件较为苛刻。
虽然现在已经有很多关于防指纹耐磨涂层的研究和报道,但是,目前文献报道的大部分还存在含氟聚合物与基材表面之间的粘结力不强、反应条件苛刻等问题。
发明内容
为了克服现有技术中含氟聚合物制备防指纹油工艺上的复杂性,以及得到的超双疏表面与基底键合不牢所带来的粘结力不强,耐摩擦和耐洗涤性很差等缺点与不足,本发明的首要目的在于提供一种含氟防指纹油聚合物的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的含氟防指纹油聚合物。
本发明的再一目的在于提供上述含氟防指纹油聚合物在超双疏材料领域中的应用。
本发明的第四个目的在于提供一种含氟耐磨防指纹油。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种含氟防指纹油聚合物的制备方法,包含如下步骤:
(1)带双键的全氟聚醚的制备
全氟聚醚酰氟、溶剂和反应物A混合后,在缚酸剂的催化作用下搅拌反应;反应完成后除杂,得到带双键的全氟聚醚;
(2)带双键的全氟聚醚与硅烷类单体的自由基共聚
将步骤(1)制得的带双键的全氟聚醚、硅烷类单体、引发剂和含氟溶剂混合,在密封条件下除氧;然后在油浴条件下搅拌反应,反应完成后除杂,干燥,得到含氟防指纹油聚合物;
步骤(1)中所述的缚酸剂优选为三乙胺、吡啶、乙二胺、碳酸钾、4-二甲氨基吡啶、三乙醇胺、N,N-二异丙基乙胺和四甲基乙二胺中的一种;
步骤(1)中所述的全氟聚醚酰氟的结构式如式I所示:
其中,n为10~30;
步骤(1)中所述的缚酸剂与全氟聚醚酰氟的摩尔比为(1~5):1;
步骤(1)中所述的反应物A优选为烯丙醇、2-丁烯醇、2-甲基烯丙醇、3-甲基-2-丁烯-1-醇、2-甲基-3-丁烯-2-醇、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯中的一种;
步骤(1)中所述的全氟聚醚酰氟与反应物A的摩尔比优选为1:(1~10);
步骤(1)中所述的溶剂优选为三氯三氟乙烷(CFC)和1,1,1,3,3-五氟丁烷中的至少一种;
步骤(1)中所述的搅拌反应的温度优选为20~40℃;
步骤(1)中所述的搅拌反应的时间优选为5~15h;
步骤(1)中所述的除杂优选为:搅拌反应完成后,产物过滤,旋转蒸发除去溶剂,用有机溶剂萃取未反应完的物质,再用水洗,最后用无水硫酸钠干燥过夜除去水,得到带双键的全氟聚醚;所述的有机溶剂为丙酮、乙醚和甲醇中的一种;
步骤(2)中所述的硅烷类单体的结构式如式II所示:
其中,R1为H或CH3;x为1~10之间的整数;R为碳原子数大于等于1的饱和烷基;
步骤(2)中所述的硅烷类单体优选为3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种;
步骤(2)中所述的带双键的全氟聚醚与硅烷类单体的摩尔比为1:(1~10);
步骤(2)中所述的引发剂用量为带双键的全氟聚醚和硅烷类单体的物质的量之和的0.5%~5%;
步骤(2)中所述的引发剂优选为偶氮二异丁腈(AIBN)和偶氮二异庚腈(ABVN)中的一种;
步骤(2)中所述的带双键的全氟聚醚优选用含氟溶剂溶解后再与硅烷类单体、引发剂和含氟溶剂混合;
步骤(2)中所述含氟溶剂为九氟丁基乙醚(HFE-7200)、九氟丁基甲醚(HFE-7100)、三氯三氟乙烷(CFC)和全氟辛烷中的至少一种;
步骤(2)中所述的搅拌反应的温度优选为60~70℃;
步骤(2)中所述的搅拌反应的时间优选为8~15h;
步骤(2)中所述的除氧优选为通氩气鼓泡;
步骤(2)中所述的除杂优选为:搅拌反应完成后,旋转蒸发除去含氟溶剂,用己烷萃取未反应完的物质;
步骤(2)中所述的干燥优选为真空干燥;所述的真空干燥的时间优选为8~15h;
一种含氟防指纹油聚合物,通过上述制备方法制备得到;
所述的含氟防指纹油聚合物为嵌段共聚物或无规共聚物,分子量优选为1000~10000;
所述的含氟防指纹油聚合物在超双疏材料领域中的应用;
一种含氟耐磨防指纹油,包含上述含氟防指纹油聚合物和含氟溶剂;
所述的含氟防指纹油聚合物和含氟溶剂的质量比优选为1:(200~500);
一种超双疏表面,由上述含氟防指纹油聚合物与基材交联后得到;
所述的超双疏表面的制备方法,包含如下步骤:
将上述含氟防指纹油聚合物与含氟溶剂混匀,得到含氟耐磨防指纹油;将含氟耐磨防指纹油附着于经过预处理的基材表面,进行交联反应,得到超双疏的耐磨表面;
所述的基材优选为玻璃;
所述的预处理的方式优选为:采用食人鱼洗液浸泡基材,再依次用乙醇、水洗涤基材,然后干燥;
所述的含氟溶剂优选为三氯三氟乙烷(CFC)、九氟丁基乙醚、九氟丁基甲醚和全氟辛烷中的至少一种;
所述的附着的方式优选为:将基材浸泡在含氟耐磨防指纹油中或将含氟耐磨防指纹油涂到基材表面;
所述的浸泡的方式优选为:将基材在含氟耐磨防指纹油中浸泡1~2min,然后干燥;
所述的交联反应优选为加热交联;
所述的加热交联的条件优选为:在80~300℃下加热交联;
上述的制备超双疏表面的方法可用在手机屏幕、电脑、ATM、工业控制设备、制备汽车挡风玻璃的疏水疏油涂层;
本发明的原理:从分子结构和原子排列的角度分析,氟碳键能最高,极化率最低。由于氟原子的电负性最大,-CF3比-CF2又多一个C-F键,必将增大与其相连的碳原子的斥力,使得碳碳主轴作螺旋排列且被氟原子完全包裹,-CF3的空间排布比-CF2更紧密,单位体积中的氟元素含量增高,氟原子间的作用力又较小,促使氟元素易于外迁,表层氟元素富集,从而导致表面能迅速降低,所有暴露在外的基团(主要是与空气接触的基团)的可润湿性以-CF3最低。因此,含氟聚合物,尤其是全氟物质具有极强的向表面迁移能力。所以含氟聚合物作为聚合物中表面能最低的一类聚合物之一,常被用来制备各种低表面能界面。为了使含氟聚合物与基材表面粘结更牢固,本发明引入硅氧烷基团:硅烷偶联剂与玻璃表面的偶联机理主要由下面四个步骤组成:(1)与硅相连的3个Si-X基水解成Si—OH;(2)Si—OH之间脱水缩合成含Si—OH的低聚硅氧烷;(3)低聚物中的Si—OH与基材表面上的OH形成氢键;(4)加热固化过程中伴随脱水反应而与基材形成共价键连接。自由基聚合反应在高分子合成工业中是应用最广泛的化学反应,大多烯类单体的聚合或共聚都采用自由基聚合,所得聚合物都是线型高分子化合物。自由基聚合机理,即由单体分子转变成大分子的微观历程,由链引发、链增长、链终止、链转移等基元反应串、并联而成。本发明以全氟聚醚为疏水单元,带双键硅氧烷为键合单元通过自由基聚合制备得到含氟防指纹油聚合物(耐磨防指纹油的原料);在此制备过程中聚合粘度低,混合和散热比较容易,生产操作和温度都易于控制,还可利用溶剂的蒸发以排除聚合热。而且单体浓度低时可不出现自动加速效应,从而避免爆聚并使聚合反应器设计简化。从而解决了反应条件苛刻的问题,使得更加适合工业生产。同时制备得到的含氟防指纹油聚合物可与基材形成牢靠的化学键合,其偶联固化的方式简单易行。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本发明提供的含氟防指纹油聚合物可在玻璃表面构筑透明的超双疏涂层。
(2)本发明提供的含氟防指纹油聚合物的化学惰性、抗热性等,使得构筑的超双疏表面耐摩擦。
(3)本发明中利用硅氧键作为与玻璃偶联的基团,能提高材料的耐久性。
(4)本发明提供的含氟防指纹油聚合物合成方法简单,后处理工艺也简便。
(5)本发明提供的含氟防指纹油聚合物可以被溶剂稀释到很低的浓度,从而降低了生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)全氟聚醚烯丙醇的制备
在50mL的圆底烧瓶中加入10g的全氟聚醚酰氟(简称:PFPE-COF,分子量为2041,结构式如式I,n=10),然后用15mL CFC将PFPE-COF溶解,再加入2.8457g的烯丙醇以及0.9916g的三乙胺,将反应体系搅拌溶解,然后在室温40℃搅拌条件下进行聚合反应5h;搅拌反应完成后,产物过滤,旋转蒸发除去溶剂,用丙酮萃取未反应完的物质,产物沉在丙酮中,再用水洗,最后用无水硫酸钠干燥过夜除去水,得到产物全氟聚醚烯丙醇;
(2)全氟聚醚烯丙醇与3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷自由基共聚
在50mL的圆底烧瓶中加入2g步骤(1)制得的全氟聚醚烯丙醇,用5mL的HFE-7200溶解,再依次加入2.296g单体3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(简称:APTMS)(APTMS与全氟聚醚烯丙醇的摩尔比是10:1)、0.0177g引发剂AIBN(摩尔量为全氟聚醚烯丙醇和APTMS总摩尔量的1%)以及3mLHFE-7200,将反应体系搅拌溶解,在密封条件下通氩气鼓泡30min除氧;然后在70℃油浴搅拌条件下进行聚合反应10h,反应产物的溶剂先用旋转蒸发仪除去大部分,然后再用己烷洗,反复3次,最后在室温40℃下真空干燥12h至恒重,得到含氟防指纹油聚合物PFPE-co-PAPTMS。
实施例2
(1)全氟聚醚烯丙醇的制备
在50mL的圆底烧瓶中加入10g的全氟聚醚酰氟(简称:PFPE-COF,分子量为3347,结构式如式I,n=18),然后用15mL CFC将PFPE-COF溶解,再加入0.8676g的烯丙醇以及0.3023g的三乙胺,将反应体系搅拌溶解,然后在室温20℃搅拌条件下进行聚合反应15h;搅拌反应完成后,产物过滤,旋转蒸发除去溶剂,用丙酮萃取未反应完的物质,产物沉在丙酮中,再用水洗,最后用无水硫酸钠干燥过夜除去水,得到产物全氟聚醚烯丙醇;
(2)全氟聚醚烯丙醇与3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷自由基共聚
在50mL的圆底烧瓶中加入3g步骤(1)制得的全氟聚醚烯丙醇,用6mL的HFE-7200溶解,再依次加入1.038g单体3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(简称:APTMS)(APTMS与全氟聚醚烯丙醇的摩尔比是5:1)、0.009g引发剂AIBN(摩尔量为全氟聚醚烯丙醇和APTMS总摩尔量的1%)以及4mLHFE-7200,将反应体系搅拌溶解,在密封条件下通氩气鼓泡30min除氧;然后在60℃油浴搅拌条件下进行聚合反应15h,反应产物的溶剂先用旋转蒸发仪除去大部分,然后再用己烷洗,反复3次,最后在室温20℃下真空干燥12h至恒重,得到含氟防指纹油聚合物PFPE-co-PAPTMS。
实施例3
(1)全氟聚醚烯丙醇的制备
在50mL的圆底烧瓶中加入10g的全氟聚醚酰氟(简称:PFPE-COF,分子量为4595,结构式如式I,n=25),然后用20mL CFC将PFPE-COF溶解,再加入0.126g的烯丙醇以及1.101g的三乙胺,将反应体系搅拌溶解,然后在室温30℃搅拌条件下进行聚合反应14h;搅拌反应完成后,产物过滤,旋转蒸发除去溶剂,用丙酮萃取未反应完的物质,产物沉在丙酮中,再用水洗,最后用无水硫酸钠干燥过夜除去水,得到产物全氟聚醚烯丙醇;
(2)全氟聚醚烯丙醇与3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷自由基共聚
在50mL的圆底烧瓶中加入4g步骤(1)制得的全氟聚醚烯丙醇,用6mL的CFC溶解,再依次加入0.506g单体3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(简称:APTMS)(APTMS与全氟聚醚烯丙醇的摩尔比是1:1)、0.007g引发剂AIBN(摩尔量为全氟聚醚烯丙醇和APTMS总摩尔量的1%)以及5mL CFC,将反应体系搅拌溶解,在密封条件下通氩气鼓泡30min除氧;然后在65℃油浴搅拌条件下进行聚合反应8h,反应产物的溶剂先用旋转蒸发仪除去大部分,然后再用己烷洗,反复3次,最后在室温30℃下真空干燥12h至恒重,得到含氟防指纹油聚合物PFPE-co-PAPTMS。
实施例4
将实施例1制得的含氟防指纹油聚合物制备含氟耐磨防指纹油,在玻璃上制备超双疏表面,包括以下步骤:
(1)将玻璃依次用食人鱼洗液、蒸馏水洗涤,然后干燥;
(2)将实施例1制得的含氟防指纹油聚合物溶解在HFE-7200中,得到含氟耐磨防指纹油,其中聚合物与溶剂的质量比为1:200;再将含氟耐磨防指纹油喷涂到玻璃表面,晾干;
(3)将步骤(2)的玻璃置于150℃下加热交联30min,即在玻璃表面得到超双疏表面。
实施例5
将实施例2制得的含氟防指纹油聚合物制备含氟耐磨防指纹油,在玻璃上制备超双疏表面,包括以下步骤:
(1)将玻璃依次用食人鱼洗液、蒸馏水洗涤,然后干燥;
(2)将实施例2制得的含氟防指纹油聚合物溶解在HFE-7200中,得到含氟耐磨防指纹油,其中聚合物与溶剂的质量比为1:200;再将含氟耐磨防指纹油喷涂到玻璃表面,晾干;
(3)将步骤(2)的玻璃置于150℃下加热交联30min,即在玻璃表面得到超双疏表面。
实施例6
将实施例3制得的含氟防指纹油聚合物制备含氟耐磨防指纹油,在玻璃上制备超双疏表面,包括以下步骤:
(1)将玻璃依次用食人鱼洗液、蒸馏水洗涤,然后干燥;
(2)将实施施3制得的含氟防指纹油聚合物溶解在HFE-7200中,得到含氟耐磨防指纹油,其中聚合物与溶剂的质量比为1:200;再将含氟耐磨防指纹油喷涂到玻璃表面,晾干;
(3)将步骤(2)的玻璃置于150℃下加热交联30min,即在玻璃表面得到超双疏表面。
实施例7
将实施例3制得的含氟防指纹油聚合物制备含氟耐磨防指纹油,在玻璃上制备超双疏表面,包括以下步骤:
(1)将玻璃依次用食人鱼洗液、蒸馏水洗涤,然后干燥;
(2)将实施例3制得的含氟防指纹油聚合物溶解在HFE-7200中,得到含氟耐磨防指纹油,其中聚合物与溶剂的质量比为1:200;再将玻璃浸泡在含氟耐磨防指纹油中,3min后取出,晾干;
(3)将步骤(2)的玻璃置于150℃下加热交联30min,即在玻璃表面得到超双疏表面。
实施例8
将实施例3制得的含氟防指纹油聚合物制备含氟耐磨防指纹油,在玻璃上制备超双疏表面,包括以下步骤:
(1)将玻璃依次用食人鱼洗液、蒸馏水洗涤,然后干燥;
(2)将实施例3制得的含氟防指纹油聚合物溶解在HFE-7200中,得到含氟耐磨防指纹油,其中聚合物与溶剂的质量比为1:500;再将含氟耐磨防指纹油喷涂到玻璃表面,晾干;
(3)将步骤(2)的玻璃置于150℃下加热交联30min,即在玻璃表面得到超双疏表面。
效果实施例
水接触角(WCA)、水滚动角度(SA)、油接触角(OCA)的测定参照文献(Dean Xiongand Guojun Liu.Diblock-copolymer-coated Water-and-Oil-Repellent CottonFabrics.Langmuir 2012,28,6911-6918)中提到的方法测试实施例4~8制得的超双疏表面;
指纹除去性实验:具体方法参照专利CN1284105A,即使人工指纹液制备指纹膜。将该指纹膜再放在处理后的玻璃表面,用1kg的荷重按压10秒。用浊度计测定附着有指纹的部位的雾度。接着再用500g的荷重对表面进行擦拭。每往返擦拭依次测定一次浊度值,在10次内,将目视没有确认到浊度的情况记为良好(A),将目视轻微确认到浊度的情况极为合格(B),将目视可明显确认到浊度的情况记做不良(C)。
耐磨性能测试方法:具体方法参照专利201510329872.7,即:超疏水表面用#0000号钢丝绒负载为1kg进行反复擦拭,摩擦距离为5~6cm,来回摩擦500~1000次后,测定玻璃表面的水接触角和滚动角的大小进行评价。
表1实施例4~8所得到的防指纹油表面的性能参数
实施例 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
WCA |
152° |
155° |
156° |
154° |
153° |
OCA |
130° |
144° |
150° |
149° |
147° |
SA |
7° |
7° |
6° |
5° |
6° |
表2实施例4~8所得到的防指纹油表面的防指纹耐磨性能参数
实施例 |
指纹除去性实验 |
WCA |
SA |
|
|
摩擦1000次后 |
摩擦1000次后 |
4 |
B |
118° |
11° |
5 |
A |
122° |
10° |
6 |
A |
130° |
8° |
7 |
A |
129° |
9° |
8 |
A |
129° |
9° |
通过测定水接触角、水滚动角度和油接触角,表1说明该含氟涂层确实达到了超双疏的效果(表1),表2中通过对基材表面指纹除去性、耐摩擦性能测试来表征表面的防指纹性以及其在基材上的粘结性。由表1、2可以看出:实施例4~8的含氟防指纹表面与基材键合牢靠、粘结力强,耐摩擦。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。