CN110357884A - 一种多官能团嘌呤类化合物、其制备方法及其在制备超疏水材料中的应用 - Google Patents

一种多官能团嘌呤类化合物、其制备方法及其在制备超疏水材料中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超疏水材料领域，具体涉及一种多官能团嘌呤类化合物、其制备方法及其在制备超疏水材料中的应用；本发明的多官能团嘌呤类化合物修饰基底材料，能够大大提升超疏水材料应用时的附着力，同时本化合物上还带有嘌呤基团，能够提升超疏水材料的耐久性，利用上述性质和该超分子的制备方法可用本化合物修饰纳米氧化物材料得到超疏水材料，提升超疏水材料的附着力和耐久性；另外，本化合物还带有多种其他基团，经过本化合物修饰得到的超疏水材料的应用范围变得更为广泛。

Description

一种多官能团嘌呤类化合物、其制备方法及其在制备超疏水 材料中的应用
技术领域
本发明涉及超疏水材料领域，特别是涉及一种多官能团嘌呤类化合物、其制备方法及其在制备超疏水材料中的应用。
背景技术
超疏水是指材料的表面与水之间的接触角＞150°，这种材料具有良好的疏水能力，可以实现防污自洁、防水等多种功能，是近十几年来学术研究和产业化应用的热点之一。通过对荷叶、蝴蝶、壁虎等具有超疏水本领的植物和动物的超疏水部位进行研究，逐渐归纳出具有超疏水特性的表面所应该具备的两个重要条件：一是表面必须具备有粗糙的微纳结构；二是表面必须要有低表面能物质的修饰。
就人工合成的超疏水材料而言，一般用纳米或微米的材料构建粗糙的微纳结构，而表面能修饰材料多选用低表面能的蜡、硅油或氟化物等。目前超疏水材料虽然在理论研究上取得了重大进展，但是在实际应用方面仍然面临着附着力差和耐久性不好的问题。附着力差主要是因为微纳米材料与基底的结合力弱导致的，而耐久性不好主要是在户外使用紫外线照射导致的有机修饰材料分解所致。
发明内容
为解决上述问题本发明提供一种多官能团嘌呤类化合物，该化合物具有多个羟基，可通过羟基与纳米氧化物的羟基缩合，修饰纳米氧化物得到超疏水材料，同时该化合物中的嘌呤基团可吸收90％以上的紫外线，可吸收紫外线的波长为250-385nm，被吸收的紫外光以热的形式辐射掉，进而保护修饰剂的其他有机基团不受紫外光破坏，有助于提高超疏水材料的耐久性。
一种多官能团嘌呤类化合物，其结构式如式VI所示，
其中，R1、R2和R3均选自-H和C1-C6的烷基，R4选自-H和-F，n＝0-100。
该化合物含有多种基团，包括羟基、氨基、羧基和酯基，其中的羟基可用于与纳米氧化物的羟基结合，进而修饰纳米氧化物得到超疏水材料，同时，余下的基团可拓宽超疏水材料的应用范围；不同的基底材料含有不同的活性基团，如玻璃基底富含羟基，漆面富含酯基、氨基、羧基，一些织物表面也含有丰富的羟基等，该化合物的羟基可以和玻璃及织物的羟基缩合，其羧基、氨基和酯基可以和玻璃的羟基、织物的羟基、漆面的酯基、氨基、羧基形成氢键，这些化学键的结合均能明显提升超疏水材料在基底材料上的附着力；该化合物的结构中，R1、R2、R3为碳原子数小于6的烷烃或氢原子，此时均可以取得良好的疏水效果和附着力，R4为F原子或H原子，其中为F原子时，疏水性会好于H原子。
更为优选的，R1为甲基，R2为丙基，R3为己基，R4为F原子，n＝0。
更为优选的，R1为丙基，R2为甲基，R3为丁基，R4为F原子，n＝30。
更为优选的，R1为己基，R2为己基，R3为甲基，R4为H原子，n＝100。
本发明还提供一种上述多官能团嘌呤类化合物的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取如式I所示化合物，使其与镁粉在乙醚中反应，并回流24小时，得到如式II所示化合物；
步骤二：取式II所示化合物与式III所示化合物，采用甲苯或乙醚作为溶剂，使其发生取代反应；并回流24小时，得到式IV所示化合物；
步骤三：取式IV所示化合物与式V所示化合物，使其氢氧化钠溶液中发生反应；得到式IV所示化合物；
其中，所述R1、R2和R3均选自-H和C1-C6的烷基，R4选自-H和-F，n＝0-100。
上述多官能团嘌呤类化合物可通过羟基与纳米氧化物的羟基缩合，修饰纳米氧化物得到超疏水材料，提高基底材料的疏水性、耐久性以及附着力。
因此，上述多官能团嘌呤类化合物在制备超疏水材料中的应用也属于本发明的保护范围。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的多官能团的嘌呤类化合物通过六元环的羟基与纳米氧化物的羟基缩合，用于修饰纳米材料形成超疏水纳米材料，提高纳米材料的超疏水性；
2.本发明的多官能团嘌呤类化合物还包括氨基、羧基和酯基，这些基团和未参与缩合的羟基将与基底材料的活性基团(如玻璃表面的羟基，漆面的酯基、氨基和羟基以及织物羟基等)结合形成氢键，进而提高纳米疏水材料的在基底材料上的附着力；
3.本发明的多官能团嘌呤类化合物中的嘌呤基团时可吸收90％以上的紫外线，吸收紫外线的波长为250-385nm，被吸收的紫外光以热的形式辐射掉，进而保护修饰剂的其他有机基团不受紫外光破坏，显著提高了超疏水材料的户外耐久性。
附图说明
图1是本发明实施例一中化合物的化学结构通式。
图2是本发明实施例一中化合物修饰基底材料的化学反应式。
图3是本发明实施例二中化合物合成过程中的化学反应式。
图4是经本发明修饰后的二氧化硅的扫描电镜图。
图5是经本发明修饰后的二氧化硅超疏水材料的接触角图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明内容做进一步详细说明，但本发明保护范围不仅限于以下实施例，凡是属于本发明内容等同的技术方案，均属于本专利的保护范围。
实施例1本发明配合物的制备
如图2所示，多官能团嘌呤类化合物的制备方法包括如下步骤：
其中，化合物(1)采购自百灵威试剂公司；化合物(3)采购自珠海允能科技有限公司；化合物(5)采购自珠海允能科技有限公司。
步骤一：取化合物(1)，其结构式如式I所示，使其与镁粉在乙醚中反应，并回流24小时，得到化合物(2)，其结构式如式II所示；
步骤二：取所述化合物(2)与化合物(3)，化合物(3)结构式如式III所示，采用甲苯或乙醚作为溶剂，使其发生取代反应；并回流24小时，得到化合物(4)，其结构式如式IV所示；
步骤三：取化合物(4)与化合物(5)，化合物(5)结构式如式V所示，使其氢氧化钠溶液中发生反应，得到多官能团嘌呤类化合物；
通过上述步骤制得的多官能团嘌呤类化合物；该化合物可通过中间六元环上的羟基与纳米氧化物(如氧化硅、氧化钛、氧化铁、氧化锌等)的羟基进行缩合(具体缩合反应式，如反应式一)，对纳米氧化物进行稳定修饰，实现超疏水；同时，该化合物上的嘌呤基团可吸收90％以上的紫外线，吸收紫外线的波长为250-385nm，被吸收的紫外光以热的形式辐射掉，进而保护其他有机基团不受紫外光破坏，提高了超疏水材料的耐久性。
另外，上述化合物上还含有多种基团，包括羟基、氨基、羧基和酯基，前述基团能够拓宽超疏水材料的应用范围。因为不同的基底材料含有不同的活性基团，例如：玻璃材料富含羟基，漆面材料富含酯基、氨基、羧基，一些织物表面也含有丰富的羟基等。引入了羟基、氨基、羧基和酯基，可以使经过本化合物修饰制得的超疏水材料应用在上述领域，如本化合物上的羟基可与玻璃及织物上的羟基进行缩合；本化合物上的羧基、氨基和酯基可以和玻璃的羟基、织物的羟基、漆面的酯基、氨基、羧基形成氢键；这些化学键的结合均能够提升经过本化合物修饰制得的超疏水材料在基底材料上的附着力。
实施例2
当R1为-CH3，R2为-CH2-CH2-CH3，R3为-CH2(CH2)4CH3，R4为-F，n＝0时，按照实施例1的方法制得化合物结构式如下：
实施例3
当R1为-CH2-CH2-CH3，R2为-CH3，R3为-CH2(CH2)2CH3，R4为-F，n＝30时，按照实施例1的方法制得化合物结构式如下：
实施例4
当R1为-CH2(CH2)4CH3，R2为-CH2(CH2)4CH3，R3为-CH3，R4为-H，n＝100时，按照实施例1的方法制得化合物结构式如下：
分别用实施例2、3和4得到的多官能团嘌呤类化合物，按照反应式一的原理对二氧化硅进行修饰，得到超疏水材料，通过电子显微镜(市面上购买的普通电子显微镜)扫描得到如图1所示的二氧化硅超疏水材料扫描电镜图；并用接触角测试仪(市面上购买的普通电子显微镜)对其进行接触角测试，得到如图4所示的二氧化硅超疏水材料的接触角图，其中接触角为158°。
将上述实施例2、3和4得到的多官能团嘌呤类化合物分别修饰二氧化硅得到超疏水材料，将超疏水材料分别均匀的涂在玻璃上，厚度为10mm，然后用同一型号的砂纸，在砂纸负重1000g的情况下，对其进行打磨，同时取一未经过化合物修饰的二氧化硅，按照前述同样的方法涂在漆面上，并进行砂纸打磨，分别在打磨了10次、100次、200次后，对其进行一次接触角测试，得到下表的实验数据。
表1砂纸打磨法实验数据
根据上述表格，可以看出，用添加了化合物作为修饰剂得到的超疏水材料，用砂纸打磨法打磨了100次后仍具有超疏水性，而相比之下，未用化合物作为修饰剂得到的超疏水材料，仅在10次后就是去了超疏水特性，因此用本发明的化合物作为修饰剂可以有效提高超级疏水材料的附着力。
采用百格实验法进一步验证。实验步骤：1)将上述实施例2、3和4得到的多官能团嘌呤类化合物分别修饰二氧化硅得到超疏水材料，将超疏水材料分别均匀的涂在玻璃上，厚度为10mm；同时，取一未经过化合物修饰的二氧化硅超疏水材料，按照前述同样的均匀的涂在玻璃上，厚度为10mm；
2)用百格刀在测试步骤1)喷涂的样本表面划10*10个(100个)1mm*1mm的小网格；每一条划线应深及涂料的底层；并用毛刷将测试区域的碎片刷干净；用3M600号胶纸粘住被测试小网格，并用橡皮檫用力擦拭胶带；用手抓住胶带一端，在垂直方向(90°)扯下胶纸；
3)测试涂料脱落数量，具体结果如下表2
表2百格法实验数据
ASTM等级:5B表示切口的边缘完全光滑，格子边缘没有任何脱落；
ASTM等级:4B表示在切口的相交处有小片剥落，划个区内实际破损≤5％；
ASTM等级:3B表示在切口的相交或边缘处有剥落，面积大约为5％-15％；
ASTM等级:0B表示在划线的边缘及交叉点处有成片的油漆脱落，面积大于65％；
经过百格法检测，进一步验证了本发明的化合物作为修饰剂可以有效提高超级疏水材料的附着力。

Claims (6)

1.一种多官能团嘌呤类化合物，其结构式如式VI所示：
其中，R1、R2和R3均选自-H和C1-C6的烷基，R4选自-H和-F，n＝0-100。
2.如权利要求1所述的多官能团超疏水修饰剂，其特征在于：所述R1为甲基，R2为丙基，R3为己基，R4为F原子，n＝0。
3.如权利要求1所述的多官能团超疏水修饰剂，其特征在于：所述R1为丙基，R2为甲基，R3为丁基，R4为F原子，n＝30。
4.如权利要求1所述的多官能团超疏水修饰剂，其特征在于：所述R1为己基，R2为己基，R3为甲基，R4为H原子，n＝100。
5.权利要求1至4任一所述的多官能团嘌呤类化合物的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：取如式I所示化合物，使其与镁粉在乙醚中反应，并回流24小时，得到如式II所示化合物；
步骤二：取式II所示化合物与式III所示化合物，以甲苯或乙醚作为溶剂，使其发生取代反应，并回流24小时，得到式IV所示化合物；
步骤三：取式IV所示化合物与式V所示化合物，使其在氢氧化钠溶液中发生反应；得到式IV所示的多官能团嘌呤类化合物；
其中，R1、R2和R3均选自-H和C1-C6的烷基，R4选自-H或-F，n＝0-100。
6.权利要求1-4任一项所述的多官能团超疏水修饰剂在制备超疏水材料中的应用。
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