CN111484623A - 一种有机氟硅预聚物及其合成、应用方法 - Google Patents

一种有机氟硅预聚物及其合成、应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种有机氟硅预聚物及其合成、应用方法，它是由有机氟硅共聚体(F‑Si)与四氟乙烯基树脂(F4)按照质量比为20～50∶50～80共混预聚而得，所形成的F‑Si/F4预聚物，既可以单独做为涂料的基体成膜树脂使用，亦可做为合成中间体再与其它聚合物合成制备新型高聚物材料。

Description

一种有机氟硅预聚物及其合成、应用方法
技术领域
本发明涉及的是一种新型氟硅聚合物材料，属于精细化工及其应用技术领域，产品主要用作低表面能涂层的超疏水材料，作为合成中间体或直接添加至涂料组分中，可有效地降低涂层表面能，起到不浸润、抗结垢和防腐蚀作用。
背景技术
传统的石油与天然气输送管道内涂层防护，采用的是环氧树脂粉末涂料。此类涂料欠缺之处就是涂层需要高温烧结，能源消耗较大；表面光滑度差，易滞留污垢，增大油气输送阻力，防腐蚀性能也欠佳，经济寿命相对偏短。此类涂层材料的缺陷与基体材料性能相关的，因此用传统的防腐涂层技术是难以克服的。
本发明为了克服传统防腐涂层的欠缺，力图通过化学合成制备一种超疏水表面活性添加剂，来减小涂料的表面张力，降低涂层的表面能，以起到内减阻、抗结垢、防腐蚀的多重目的。
发明内容
本发明提供了一种有机氟硅预聚物的合成及其应用方法，以至少解决现有技术中的涂层减阻不结垢问题。
本发明所述的有机氟硅预聚物，由有机氟硅共聚体与乙烯基树脂按照质量比为20～50∶50～80共混预聚而得，所述有机氟硅共聚体由氟代烷基丙烯酸酯与端羟基硅烷聚合而得。
进一步地，所述有机氟硅共聚体由下列重量份的原料组成：5～30份氟代烷基丙烯酸酯、1～5份端羟基硅烷、0.2～1份引发剂、30～100份溶剂。
更进一步地，所述氟代烷基丙烯酸酯结构式如下：
Figure BDA0002495502100000011
X为(C1～C8)烷基、(C1～C8)烯基或(C4-C8)环烷基；
R1为-(CF2)nCF3，其中n≤6。
更进一步地，，所述乙烯基树脂为四氟乙烯/乙烯基共聚树脂。
进一步地，所述端羟基硅烷为端羟基聚硅氧烷。
更进一步地，，所述溶剂选自甲苯、二甲苯、乙酸丁酯中的一种或多种。
更进一步地，，所述引发剂选自酰类过氧化物、氢过氧化物、二烷基过氧化物、酯类过氧化物、酮类过氧化物中的一种或多种。
本发明还公开一种上述有机氟硅预聚物的制备方法，包括步骤如下：将有机氟硅共聚体与乙烯基树脂共混，并在60～80℃条件下加热30～60min，升温至100～120℃反应1～4h出料。
进一步地，所述有机氟硅共聚体的制备方法包括步骤如下：
步骤1：取溶剂在N2保护下加热至80～100℃，并加入1/2的氟代烷基丙烯酸酯、1/2的引发剂，在100～120℃下搅拌反应1～4h；
步骤2：在恒温条件下向步骤1所得溶液滴加端羟基硅烷、剩余氟代烷基丙烯酸酯、引发剂，并在120～150℃反应3～5h。
更进一步地，所述步骤2具体为：在恒温条件下向步骤1所得溶液滴加端羟基硅烷、剩余氟代烷基丙烯酸酯，并在120～130℃反应3～5h后，加入引发剂，并在120～130℃反应3～5h。
本发明所述的有机氟硅预聚物，其制备方法包括步骤如下：
将F-Si共聚体与四氟乙烯/乙烯基共聚树脂进行共混，质量比为20～50∶50～80(wt)，然后在反应釜中搅拌加热60～80℃/30～60min→升温至100～120℃/1～4h出料，即制成有机氟硅预聚物(以下简称F-Si/F4)。该预聚物形成较多的接枝或嵌段结构，使得预聚物的疏水性增强，水接触角增大。F-Si/F4的红外特征光谱见图1。
在实际应用中，可采用有机钛聚合物(Titanium polymer precursor,TPP)与F-Si/F4合成共聚改性，制备一种高性能钛基氟硅高分子合金(Titanium-basedfluorosilicon high molecule alloy,TFSMA)，预混质量比为TPP∶F-Si＝70～90∶10～30(wt)，在反应釜中搅拌加热60～80℃/30～60min→升温至100～120℃/1～4h出料得到TFSMA。它是制造地表面能减阻防腐涂料的关键高分子合金成膜基体材料。
F-Si/F4预聚物，既可单独作为涂层低表面活性聚合物直接添加到涂料中使用，亦可作为改性材料与其它种树脂共混，用来制造低表面能减阻防腐涂料。例如，用来制备双组分低表面能减阻防腐涂料的配方组成，其质量份为：A组)取TPP-II聚合物10～30份、F-Si/F4预聚物5～10份、聚酚氧树脂溶液5～15份、酚醛树脂溶液1～8份、弹性体聚酯树脂2～8份、端羟基液体丁腈橡胶1～6份、涂料助剂(含润湿分散剂、消泡剂、流变剂、增稠剂、防沉剂等)2～5份、超细云母粉5～10份、石墨烯分散浆料5～10份、炭黑色浆10～15份、含羟基或脲基活性稀释剂5～10份。B组)无溶剂HDI三聚体聚异氰酸酯固化剂5～10份；应用配比为A∶B＝4～5∶1(wt)。干燥条件：25℃/2～4h表干，25℃/24h实干，25℃/7d完全固化。测定其水接触角，观察涂层疏水效果，见图2所示。
附图说明
图1为本发明F-Si/F4预聚物的特征IR图谱；
图2为本发明不同F-Si/F4添加量制备的疏水涂层效果。
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方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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
本发明实施例1中氟代烷基丙烯酸酯为全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯(即X为乙基、R1为-CF3)；端羟基硅烷为WS62M有机硅；引发剂为酰类过氧化物，具体为过氧化苯甲酰；溶剂为二甲苯、醋酸丁酯的混合溶液，具体见表-1所示。采用不同工艺进行本发明实施例1方案的优化。
表-1合成F-Si共聚体配方
Figure BDA0002495502100000031
按表-1配方量先称取溶剂物于带有搅拌桨的烧瓶中，搅拌加热升温至60～80℃→加入氟烷基丙烯酸酯50～100g、过氧化苯甲酰1～3g→升温100～120℃反应1～5h→滴加剩余的氟烷基丙烯酸酯50～100g、WS62M有机硅50～100g→反应2～5h→滴加剩余的过氧化苯甲酰1～3g→升温至120～150℃反应2～5h，出料，得到F-Si共聚体溶液。
实施例2
工艺优化试验：取溶剂750g→搅拌加热升温至80℃→加入全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、过氧化苯甲酰3g→升温100℃反应2h→滴加剩余的全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、WS62M有机硅45g→反应4h→滴加剩余的过氧化苯甲酰2g→升温至120℃反应2.5h，出料，得到F-Si共聚体溶液。
实施例3
进一步工艺优化试验：取溶剂750g→搅拌加热升温至100℃→加入全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、过氧化苯甲酰3g→升温110℃反应2h→滴加剩余的全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、WS62M有机硅45g→反应4h→滴加剩余的过氧化苯甲酰2g→升温至120℃反应2.5h，出料，得到F-Si共聚体溶液。
实施例4
进一步工艺优化试验：取溶剂750g→搅拌加热升温至110℃→加入全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、过氧化苯甲酰3g→升温120℃反应2h→滴加剩余的全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、WS62M有机硅45g→反应4h→滴加剩余的过氧化苯甲酰2g→升温至130℃反应2.5h，出料，得到F-Si共聚体溶液。
实施例5
进一步工艺优化试验：取溶剂750g→搅拌加热升温至120℃→加入全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、过氧化苯甲酰3g→升温130℃反应2h→滴加剩余的全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯100g、WS62M有机硅45g→反应4h→滴加剩余的过氧化苯甲酰2g→升温至140℃反应2.5h，出现凝胶化。
经过以上合成实施例1～5优化试验比较确定，合成温度的升高不仅能提高了引发剂的分解速率，加快聚合反应速率，而且随着温度的升高，溶剂的链转移速率也相应的提高。因此升高温度可降低聚合物的分子量，而降低温度并延长反应时间可增加分子量，但树脂合成温度应该和引发剂的半衰期相匹配，过氧化苯甲酰在较高温度130℃很快离解为高反应活性的苯自由基和CO2，活性高反应快的苯自由基在高于130℃的温度时是有效的氢夺取剂，导致相当大的支链化，使聚合物的C-F-Si支链增加，使其具有更低的表面自由能。实验结果表明，随着合成工艺温度的升高，聚合物支链化增加，接触角增大。但是当温度≥140℃时，合成实验失败。这是因为温度过高，引发剂过氧化苯甲酰失去其效用。
实施例6
本发明将实施例1中F-Si共聚体与GK-570四氟乙烯树脂按质量比3∶7进行共混，加入反应釜中，搅拌加热60～80℃/30～60min→升温至100～130℃/1～4h出料，即得到F-Si/F4预聚物。具体为：将F-Si共聚体与四氟乙烯/乙烯基共聚树脂以质量比为20～50∶50～80(wt)进行共混，然后在反应釜中搅拌加热80℃/1h→升温至120℃/2h出料，即制成F-Si/F4预聚物。所述F-Si/F4预聚物的IR图谱在1700～1750cm-1、1100～1300cm-1均具有明显的O-Ti-C和F-Si-O特征峰，如图1所示。表明该预聚物形成较多的接枝或嵌段结构，使得预聚物的疏水性增强，水接触角增大。
实施例7
F-Si/F4预聚物，可作为低表面能活性聚合物直接添加到涂料组合物中，制备双组分输油气管道减阻防腐涂料。例如：A组)按质量份，取F-Si/F43～10份、TPP-II聚合物5～15份、聚酚氧树脂溶液5～15份、酚醛树脂溶液1～8份、无溶剂弹性饱和聚酯1～6份、端羟基液体丁腈橡胶1～8份、涂料助剂(包括润湿分散剂、消泡剂、流变剂、增稠剂、防沉剂等)2～5份、磷酸锌/或三聚磷酸铝防锈颜料10～20份、超细云母粉5～10份、含羟基/或脲基活性稀释剂(如3-氨丙基三羟基硅烷、噁唑烷活性稀释剂)5～10份。B组)无溶剂HDI三聚体异氰酸酯固化剂10～15份；应用配比为A∶B＝10∶1(wt)。干燥条件：25℃/2～4h表干，25℃/24h实干，25℃/7d完全固化。含羟基或脲基活性稀释剂可选为羟基硅烷/亦或噁唑烷及其衍生物。
双组分漆的应用配比分别为A∶B＝3∶1(a)、6∶1(b)、9∶1(c)。干燥条件：25℃/2～4h表干，25℃/24h实干。将测试(a)、(b)、(c)的涂膜，并进行接触角测试，测试结果如图2所示：当F-Si共聚体加入涂料中的质量份≥10％时，接触角达到最大值(θ＞150°)，可有效地提高漆膜的疏水性能。
实施例8
本发明F-Si/F4预聚物在实际应用中，还可与有机钛聚合物(TPP)共聚改性，制备一种高性能钛基氟硅高分子合金(TFSMA)共聚物新材料，其预混质量比为TPP∶F-Si＝70～90∶10～30(wt)，在反应釜中搅拌加热60～80℃/30～60min→升温至100～120℃/1～4h出料得到TFSMA。它是制造地表面能减阻防腐涂料的高性能基体成膜材料。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (13)

1.一种有机氟硅预聚物，其特征在于，所述有机氟硅预聚物是由有机氟硅共聚体与四氟乙烯基树脂按照质量比为20～50∶50～80共混预聚而得，所述有机氟硅共聚体是由氟代烷基丙烯酸酯与端羟基硅烷聚合而得。
2.根据权利要求1所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述有机氟硅共聚体是由下列质量份的原料组成：5～30份氟代烷基丙烯酸酯、1～5份端羟基硅烷、0.2～1份引发剂、30～100份溶剂。
3.根据权利要求2所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述氟代烷基丙烯酸酯全氟代烷基丙烯酸酯，其化学结构式为：
Figure FDA0002495502090000011
4.根据权利要求2所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述端羟基硅烷为端羟基聚硅氧烷，其结构式为：
Figure FDA0002495502090000012
5.根据权利要求2所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述引发剂选自酰类过氧化物、氢过氧化物、二烷基过氧化物、酯类过氧化物、酮类过氧化物中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5所述有机氟硅预聚物，其特征在于，由以下合成路线制备而成的，即：
Figure FDA0002495502090000013
Figure FDA0002495502090000021
7.根据权利要求6所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述有机氟硅共聚体的制备方法包括步骤如下：
步骤1：取溶剂在N2保护下加热至80～100℃，并加入1/2的氟代烷基丙烯酸酯、1/2的引发剂，在100～120℃下搅拌反应1～4h；
步骤2：在恒温条件下向步骤1所得溶液滴加端羟基硅烷、剩余氟代烷基丙烯酸酯、引发剂，并在120～150℃反应3～5h。
8.根据权利要求7所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述步骤2具体为：在恒温条件下向步骤1所得溶液滴加端羟基硅烷、剩余氟代烷基丙烯酸酯，并在120～130℃反应3～5h后，加入引发剂，并在120～130℃反应3～5h。
9.根据权利要求1所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述的四氟乙烯基树脂为四氟乙烯/乙烯基共聚树脂。
10.根据权利要求2所述有机氟硅预聚物，其特征在于，所述溶剂选自甲苯、二甲苯、乙酸丁酯中的一种或多种。
11.一种权利要求1-10任一所述有机氟硅预聚物的制备方法，其特征在于，包括如下合成步骤：将有机氟硅共聚体与四氟乙烯基树脂共混，并在60～80℃条件下加热30～60min，升温至100～120℃反应1～4h出料，即得有机氟硅预聚物。
12.一种钛基氟硅高分子合金，其特征在于，所述钛基氟硅高分子合金由权利要求11所述制备方法制备的有机氟硅预聚物与有机钛聚合物共混共聚而成，是制造钛基氟硅高分子合金涂料的高性能成膜基体材料。
13.一种权利要求11所述制备方法制备的有机氟硅预聚物应用，其特征在于，所述有机氟硅预聚物可以单独作为涂层表面活性剂直接添加到涂料中使用，制造低表面能减阻涂料。
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