CN111057231B - 高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂及其制备方法,属于氟化工产品技术领域。技术方案为:再惰性气体保护下,以全氟聚醚醇为原料,在碱性催化剂的作用下,与溴代烷烃反应得到中间产物I溴代的全氟聚醚;将中间产物I与硅烷偶联剂在溶剂中反应,得到中间产物II双支全氟聚醚结构的硅氧烷;向中间产物II中滴加格氏试剂,得到中间产物III双支全氟聚醚结构的三烯丙基硅烷化合物;最后将中间产物III、全氟聚醚结构三烯丙基硅烷化合物、硅烷化合物、铂催化剂进行反应,得到高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂。本发明可以得到双PFPE结构的高硅含量抗指纹剂,具有优越的耐水耐油性及高耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及氟化工产品技术领域,具体涉及一种高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂及其制备方法。
背景技术
经常被触摸的玻璃表面容易被指纹、汗液、化妆品所污染,一旦被污染,不易被清除,需要特殊的清洁材料来清理。全氟聚醚型抗指纹涂料由于它独特化学稳定性、耐温性、低摩擦系数和低表面张力等,被广泛应用于触摸屏表面。目前使用的抗指纹剂大多被国外垄断,存在成本较高的问题。而国内含氟硅化合物防水防油剂主要是一些低端的含有C8全氟碳链的氟硅防水防油剂,C8全氟碳链段的化合物因对环境和人体健康存在潜在影响,加之这类产品存在降解难、增水耐磨性都不佳,因而受到了极大的限制。
CN106085227A公开了一种高性能抗指纹剂的制备方法,用端羟基全氟聚醚与烯丙基溴反应获得端烯丙基全氟聚醚;端烯丙基全氟聚醚与含氢硅油通过硅氢加成反应,获得全氟聚醚-含氢硅油;所获得产物与烯丙基硅氧烷继续硅氢加成,从而获得目标产物。该专利使用烯丙基溴为原料,最终得到梳状全氟聚醚-硅氧烷。该抗指纹剂的结构如下所示:
CN107698768A公开了一种高性能抗指纹剂的制备方法,其方法为:先通过端烯丙基全氟聚醚与含硅氢键的硅氧烷化合物反应,获得含有硅氢键的全氟聚醚硅烷化合物;将所得到产物与甲基乙烯基二氯硅烷反应获得端基为二氯硅烷改性的全氟聚醚硅烷化合物;将所得产物与烯丙基溴化镁反应获得多官能团端烯丙基改性全氟聚醚-硅烷;将所得的产物与甲基二氯硅烷反应获得二氯硅烷改性的全氟聚醚-硅烷;通过重复反应得到树枝状端烯丙基改性全氟聚醚-硅烷,获得树枝状多官能团全氟聚醚硅氧烷。操作复杂,不适合工业生产,最终制备的抗指纹剂的结构如下式所示:
CN106810684A公开了一种氟硅防水拒油剂及其合成方法和应用,其步骤为:第一步利用全氟聚醚羧酸与硼氢化钠反应,制备全氟聚醚甲醇;然后再与烯丙基溴进行反应,制备端烯丙基全氟聚醚;最后再用烷氧基硅烷进行硅氢加成反应,制备抗指纹剂,该方法制备的防水拒油剂的结构为PFPE-CH2OCH2CH2CH2Si(OR)3。该专利步骤简单可行,最终制备出低硅含量的抗指纹剂。
JP2017048375公开了一种高性能的抗指纹剂,该专利公开的方法为利用端烯丙基全氟聚醚进行硅氢加成反应,制备全氟聚醚三氯体;然后再与烯丙基溴进行反应,制备全氟聚醚三烯丙基硅烷化合物;再进行硅氢加成反应,制备全氟聚醚三氯硅烷化合物。其结构为: PFPECF2CH2O(CH2)3Si[CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)3]3。该专利使用强腐蚀性的三氯硅烷作为原料,对设备造成一定的损伤。
CN109851775公开了一种高全氟含量的抗指纹剂的制备方法,该专利公开的方法为利用全氟聚醚酰氟与丙烯酸提供剂反应,制备出端基为丙烯酸酯的PFPE,然后再加入带有仲胺的硅烷偶联剂,制备出一个分子上含有两个PFPE链的硅烷。该专利虽然具有高氟含量的支链,疏水疏油性性较好,但硅含量相对较低。
因此开发一种既具有高疏水疏油性,又具有高耐磨型的抗指纹剂,且能够在经济、绿色、易于生产的温和条件下进行,是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术的上述不足,本发明提供了一种结构新颖的、高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,能够在温和、经济绿色、简单易行的反应条件下,制备出含有双PFPE结构的高硅含量抗指纹剂应用到各种玻璃表面,使产品具备防水、防油、防指纹的性能。
本发明的技术方案为:
一方面,本发明提供了一种高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)在惰性气体吹扫条件下,将全氟聚醚醇与溶剂加入到反应器中,在碱性催化剂的作用下,用溴代烷烃作为反应物进行反应,反应完后进行后处理,得到中间产物I溴代的全氟聚醚;
(2)在惰性气体吹扫条件下,将步骤(1)制备的中间产物I与硅烷偶联剂混合,置于溶剂中,反应后蒸馏除去易挥发成分,得到中间产物II双支全氟聚醚结构的硅氧烷;
(3)在惰性气体吹扫条件下,向反应器中加入中间产物II与溶剂,缓慢滴加格氏试剂,搅拌反应后,得到中间产物III双支全氟聚醚结构的三烯丙基硅烷化合物;
(4)在惰性气体吹扫条件下,向反应器中加入中间产物III、溶剂、硅烷化合物、铂催化剂,反应得到高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂。
优选地,步骤(1)中,按重量计,所述全氟聚醚醇、碱性催化剂、溴代烷烃的摩尔比为1:1:1-1:2:1.5。
优选地,步骤(1)中,所述碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、三乙胺中的一种或几种。
优选地,步骤(1)中,所述溴代烷烃为1,2-二溴乙烷、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、 1,5-二溴戊烷中的一种或几种。
优选地,步骤(1)中,反应温度不超过80℃。
优选地,步骤(1)中,反应温度为40-60℃。
优选地,步骤(1)中,所述后处理方式为过滤不溶物后再蒸馏。
优选地,步骤(2)中,按重量计,所述中间产物I与硅烷偶联剂的摩尔比为2:1。
优选地,步骤(2)中,所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
优选地,步骤(2)中,所述溶剂为HFE、1,3-双(三氟甲基)苯中的一种或两种。
优选地,步骤(2)中,反应温度为25-50℃。
优选地,步骤(2)中,反应温度为室温。
优选地,步骤(3)中,按重量计,所述中间产物II与格氏试剂的摩尔比为1:3-1:6。
优选地,步骤(3)中,所述格氏试剂为烯丙基氯化镁、烯丙基溴化镁中的一种,浓度为 0.7mol/L-2mol/L。
优选地,步骤(3)中,反应温度为0-40℃。
优选地,步骤(3)中,反应温度为0℃。
优选地,步骤(4)中,按重量计,所述中间产物III、硅烷化合物与铂催化剂的摩尔比为1:9:0.0001-1:18:0.002。
优选地,步骤(4)中,所述硅烷化合物为三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷中的一种。
优选地,步骤(4)中,所述铂催化剂为氯铂酸的异丙醇溶液。
另一方面,本发明还提供了通过上述高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法制备的全氟聚醚型抗指纹剂。
本发明制备得到的高耐磨全氟聚醚抗指纹剂的结构为双PFPE的高硅含量的抗指纹剂,分子量在3000-10000,其具体结构为全氟聚醚(PFPE): CF3CF2CF2O-(CF(CF3)CF2O)n1-CF(CF3)-或CF3O-(C3F6O)p-(CF2O)q-或 CF3O(CF2CF2O)n2(CF2O)mCF2-。
本发明最终得到的产物的结构为:(CF3CF2CF2O-(CF(CF3)CF2O)n1-CF(CF3)- CO(CH2)3)2N(CH2)3-Si(CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)3)3或(CF3O-(C3F6O)p-(CF2O)q- CO(CH2)3)2N(CH2)3-Si(CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)3)3或(CF3O(CF2CF2O)n2(CF2O)mCF2- CO(CH2)3)2N(CH2)3-Si(CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)3)3。
本发明的制备工艺流程为:
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1.本发明可以得到双PFPE结构的高硅含量抗指纹剂,初始水滴接触角在110°以上,油滴接触角在70°以上,耐磨次数在5000次以上,相比于单PFPE结构的低硅含量抗指纹剂,具有更高的耐水耐油性和耐磨性。
2.本发明采用绿色环保的原料,避免使用三氯硅烷等易腐蚀的原料,采用HFE等环保型的溶剂,且整个反应过程不需高温高压,在温和的条件下即可发生。整个反应过程采用四步,简捷高效的制备出目标产物。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)制备中间产物I[PFPE-CH2O(CH2)3Br]
在氮气吹扫条件下,将100g的K型的全氟聚醚醇[CF3CF2CF2O-(CF(CF3)CF2O)20-CF(CF3)- CH2-OH]加入到三口烧瓶中,再加入100g溶剂HFE,开启搅拌,随后加入3.7g碳酸钾作为催化剂,在室温下滴加2.8ml的1,3-二溴丙烷,滴加完后升温至60℃下反应,反应8h后过滤不溶物,旋蒸得到中间产物I溴代的全氟聚醚。期间产生的副产物HBr,通过鼓吹氮气,尾气吸收。
(2)制备中间产物II[(PFPE-CH2O(CH2)3)2N(CH2)3-Si(OCH3)3]
在氮气吹扫条件下,向三口烧瓶中加入步骤(1)制备得到的中间产物I 80g,再加入100g 溶剂HFE,在室温条件下,滴加1.91g的3-氨丙基三甲氧硅烷,混合于三口烧瓶中,于室温下反应6小时,蒸馏除去易挥发成分,得到中间产物II双支全氟聚醚结构的硅氧烷。
(3)制备中间产物III[(PFPE-CH2O(CH2)3)2N(CH2)3-Si(CH2-CH=CH2)3]
在氮气吹扫条件下,向三口烧瓶中加入中间产物II 80g,再加入100gHFE作为溶剂,在 0℃下缓慢滴加33ml浓度为1mol/L的烯丙基氯化镁的四氢呋喃溶液,滴加完后升温至室温,搅拌10h后,滴加30ml甲醇,淬灭未反应的格氏试剂,过滤不溶物,蒸馏除去易挥发成分,最终得到中间产物III双支全氟聚醚结构的三烯丙基硅烷化合物。
(4)制备最终产物抗指纹剂[(PFPE-CH2O(CH2)3)2N(CH2)3-Si(CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)3)3]
在氮气吹扫条件下,向三口烧瓶中加入中间产物III 80g,加入100gHFE作为溶剂,加入 0.1g浓度为5%的氯铂酸-异丙醇配合物作为催化剂,搅拌0.5h小时后,再加入12g三甲氧基硅烷。逐步升温至60℃,搅拌反应6h后,蒸馏除去易挥发成分,最终得到目标产物双PFPE 结构的高硅含量抗指纹剂。
将实施例1制备出的抗指纹剂用3M公司HFE-7200进行稀释,稀释至浓度为0.5%,配成抗指纹剂溶液,待用。
将处理后的玻璃片,通过喷涂的形式,将配好的抗指纹剂溶液均匀的喷涂于玻璃表面,自然挥发溶剂后,将玻璃片放于150℃的烘箱中,烘烤30min后取出,测试其静态接触角为 118°,正十六烷接触角可达71°,表现出极好的疏水疏油性。用钢丝绒在水平涂层样品上擦拭 (负载1kg,擦拭速度1800mm/min),最终测试其接触角:摩擦5000次后,接触角仍能达到 108°。
实施例2
同实施例1,区别之处在于:本实施例采用Z型全氟聚醚醇 [CF3O(CF2CF2O)18(CF2O)30CF2-OH]作为原料。
将实施例2制备出的抗指纹剂用3M公司HFE-7200进行稀释,稀释至浓度为0.5%,配成抗指纹剂溶液,待用。
将处理后的玻璃片,通过喷涂的形式,将配好的抗指纹剂溶液均匀的喷涂于玻璃表面,自然挥发溶剂后,将玻璃片放于150℃的烘箱中,烘烤30min后取出,测试其静态接触角为 120°,正十六烷接触角可达81°,表现出极好的疏水疏油性。用钢丝绒在水平涂层样品上擦拭 (负载1kg,擦拭速度1800mm/min),最终测试其接触角。摩擦5000次后,接触角仍能达到 110°。
实施例3
同实施例1,区别之处在于:
(1)制备中间产物I[PFPE-CH2O(CH2)3Br]
在氮气吹扫条件下,将100g的Z型全氟聚醚醇[CF3O(CF2CF2O)18(CF2O)30CF2-OH]作为原料,加入到三口烧瓶中,再加入100g溶剂HFE,开启搅拌,随后加入2.6g三乙胺作为催化剂,在室温下滴加2.6ml的1,3-二溴丙烷,滴加完后升温至40℃下反应,反应8h后过滤不溶物,旋蒸得到中间产物I溴代的全氟聚醚[PFPE-CH2O(CH2)3Br]。期间产生的副产物HBr,通过鼓吹氮气,尾气吸收。
其余条件与实施例1相同,最终得到的最终产物与实施例1的结构一样。
将实施例3制备出的抗指纹剂用神舟HFE-102进行稀释,稀释至浓度为0.5%,配成抗指纹剂溶液,待用。
将处理后的玻璃片,通过喷涂的形式,将配好的抗指纹剂溶液均匀的喷涂于玻璃表面,自然挥发溶剂后,将玻璃片放于150℃的烘箱中,烘烤30min后,取出,测试其静态接触角为120°,正十六烷接触角可达80°,表现出极好的疏水疏油性。用钢丝绒在水平涂层样品上擦拭(负载1kg,擦拭速度1800mm/min),最终测试其接触角。摩擦5000次后,接触角仍能达到110°。
实施例4
(1)制备中间产物I[PFPE-CH2O(CH2)4Br]
在氮气吹扫条件下,将100g的K型全氟聚醚醇 [CF3CF2CF2O-(CF(CF3)CF2O)20-CF(CF3)-CH2-OH]作为原料,加入到三口烧瓶中,加入100g 溶剂1,3-双(三氟甲基)苯,开启搅拌,随后加入4.2g三乙胺作为催化剂,在室温下滴加3.9ml 的1,4-二溴丁烷,滴加完后升温至60℃下反应,反应8h后过滤不溶物,旋蒸得到中间产物 I溴代的全氟聚醚。期间产生的副产物HBr,通过鼓吹氮气,尾气吸收。
(2)制备中间产物II[(PFPE-CH2O(CH2)4)2N(CH2)3-Si(OCH3)3]
在氮气吹扫条件下,向三口烧瓶中加入步骤(1)制备得到的中间产物I 80g,加入100g 溶剂1,3-双(三氟甲基)苯,在室温条件下,滴加2.37g的3-氨丙基三乙氧硅烷,混合于三口烧瓶中,于50℃下反应6小时,蒸馏除去易挥发成分,得到中间产物II双支全氟聚醚结构的硅氧烷。
(3)制备中间产物III[(PFPE-CH2O(CH2)4)2N(CH2)3-Si(CH2-CH=CH2)3]
在氮气吹扫条件下,向三口烧瓶中加入中间产物II 80g,再加入100g1,3-双(三氟甲基) 苯作为溶剂,在40℃下缓慢滴加25ml浓度为2mol/L的烯丙基溴化镁的四氢呋喃溶液,滴加完后升温至室温,搅拌10h后,滴加30ml甲醇,淬灭未反应的格氏试剂,过滤不溶物,蒸馏除去易挥发成分,最终得到中间产物III双支全氟聚醚结构的三烯丙基硅烷化合物。
(4)制备最终产物抗指纹剂[(PFPE-CH2O(CH2)4)2N(CH2)3-Si(CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)3)3]
在氮气吹扫条件下,在三口烧瓶中加入中间产物III 80g,加入100g1,3-双(三氟甲基)苯作为溶剂,加入0.1g浓度为5%的氯铂酸-异丙醇配合物作为催化剂,搅拌0.5h小时后,再加入21g三乙氧基硅烷。逐步升温至60℃,搅拌反应6h后,蒸馏除去易挥发成分,最终得到目标产物双PFPE结构的高硅含量抗指纹剂。
将实施例4制备出的抗指纹剂用神舟HFE-102进行稀释,稀释至浓度为0.5%,配成抗指纹剂溶液,待用。
将处理后的玻璃片,通过喷涂的形式,将配好的抗指纹剂溶液均匀的喷涂于玻璃表面,自然挥发溶剂后,将玻璃片放于150℃的烘箱中,烘烤30min后取出,测试其静态接触角为 120°,正十六烷接触角可达82°,表现出极好的疏水疏油性。用钢丝绒在水平涂层样品上擦拭 (负载1kg,擦拭速度1800mm/min),最终测试其接触角。摩擦5000次后,接触角仍能达到 109°。
对比例1
对照化合物1抗指纹剂为专利CN106810684A报道的抗指纹剂
PFPE-CH2-O-CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)3
将对照化合物1抗指纹剂用神舟HFE-102进行稀释,稀释至浓度为0.5%,配成抗指纹剂溶液,待用。
将处理后的玻璃片,通过喷涂的形式,将配好的抗指纹剂溶液均匀的喷涂于玻璃表面,自然挥发溶剂后,将玻璃片放于150℃的烘箱中,烘烤30min后取出,测试其静态接触角为 112°,正十六烷接触角可达65°,表现出极好的疏水疏油性。用钢丝绒在水平涂层样品上擦拭 (负载1kg,擦拭速度1800mm/min),最终测试其接触角。摩擦3000次后,接触角在108°,摩擦5000次后,已经降为100°以下。
由实施例1-4及对比例1的测试结果可以看出,将本发明制备的抗指纹剂喷涂与玻璃片上后,其静态接触角及正十六烷接触角均大于对对照化合物1抗指纹剂的接触角,这充分说明了本发明制备的抗指纹剂的疏水疏油性要优于对照化合物1抗指纹剂的疏水疏油性。同时,用钢丝绒在水平涂层样品上擦拭后测得的接触角试验结果表明,本发明制备的抗指纹剂喷涂于玻璃片上后,摩擦到接触角为108°时,对照化合物1的玻璃片摩擦次数为3000次,而本发明的摩擦次数为5000次,说明本发明制备的抗指纹剂具有高耐磨性能。
Claims (18)
1.高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
( 1 ) 在惰性气体吹扫条件下,将全氟聚醚醇与溶剂加入到反应器中,在碱性催化剂的作用下,用溴代烷烃作为反应物进行反应,反应完后进行后处理,得到中间产物I溴代的全氟聚醚;
( 2 ) 在惰性气体吹扫条件下,将步骤(1)制备的中间产物I与硅烷偶联剂混合,置于溶剂中,反应后蒸馏除去易挥发成分,得到中间产物II双支全氟聚醚结构的硅氧烷;
( 3 ) 在惰性气体吹扫条件下,向反应器中加入中间产物II与溶剂,缓慢滴加格氏试剂,得到中间产物III双支全氟聚醚结构的三烯丙基硅烷化合物;
( 4 ) 在惰性气体吹扫条件下,向反应器中加入中间产物III、溶剂、硅烷化合物、铂催化剂,反应得到高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂;
步骤(1)中,所述全氟聚醚醇、碱性催化剂、溴代烷烃的摩尔比为(1:1:1)-(1:2:1.5);
步骤(1)中,所述溴代烷烃为1,2-二溴乙烷、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、1,5-二溴戊烷中的一种或几种;
步骤(2)中,所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种;
步骤(4)中,所述硅烷化合物为三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷中的一种。
2.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、三乙胺中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述溶剂为HFE、1,3-双(三氟甲基)苯中的一种或两种。
4.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,反应温度不超过80℃。
5.如权利要求4所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,反应温度为40-60℃。
6.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述后处理方式为过滤不溶物后再蒸馏。
7.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述中间产物I与硅烷偶联剂的摩尔比为2:1。
8.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,反应温度为25-50℃。
9.如权利要求8所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,反应温度为室温。
10.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述中间产物II与格氏试剂的摩尔比为1:3-1:6。
11.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述格氏试剂为烯丙基氯化镁、烯丙基溴化镁中的一种,浓度为0.7mol/L-2 mol/L。
12.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,反应温度为0-40℃。
13.如权利要求12所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,反应温度为0℃。
14.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述中间产物III、硅烷化合物与铂催化剂的摩尔比为1:9:0.0001-1:18:0.002。
15.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述铂催化剂为氯铂酸的异丙醇溶液。
16.如权利要求1所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)的反应温度不超过100℃。
17.如权利要求16所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)的反应温度为60℃。
18.如权利要求1-17任一项所述的高耐磨全氟聚醚型抗指纹剂的制备方法制备的全氟聚醚型抗指纹剂。
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