一种具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法与流程

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法。

背景技术：

陶瓷、玻璃和金属等材料表面含有大量的极性官能团羟基(-oh)，因此非常容易粘附水滴、油污、指纹、油脂和化妆品等污染物，导致其外观和透明度严重降低。尤其是当这些材料应用于手机、相机和电脑等电子产品的触控屏、显示器和摄像头，近视、远视和劳动防护等眼镜的光学镜片，汽车前挡风玻璃和后视镜，高层建筑玻璃和展示橱窗，楼梯不锈钢扶手，以及卫生陶瓷和淋浴房等表面时，随着人类生活水平的不断提高，迫切需要这些表面能够时时保持清洁。可想而知，如果不采用有效的方法来提高这些表面的防水、防油和防污等性能，势必将严重影响终端产品的质量和人们的生活水平。

目前，提高上述材料表面的防水、防油和防污等性能通常是通过在材料的表面涂覆低表面能的涂料。从技术角度讲，实现材料表面的疏水疏油功能，主要有两种途径，一是在材料表面添加低表面能物质；二是在材料表面构建粗糙结构。更加快捷和高效的方法是在涂料中添加低表面能的物质。

与氟碳化合物相比，全氟聚醚(pfpe)具有较好的可降解性，具有极低的表面能，可以抵抗水和油污的粘附；将pfpe嫁接于烷氧基硅烷端基上，就可以制备出全氟聚醚基氟硅烷，它含有水解活性的末端官能团烷氧基硅烷，可以同羟基(-oh)发生缩合反应，因此可以嫁接于陶瓷、玻璃和金属等材料表面，提高这些表面的防水防油防污性能，这些技术已经在cn201610182551.3、cn201610031538.8、cn201510679557.7、cn201310686998.0和cn102686685等专利中有所公布。然而，在实际使用时，不仅要求全氟聚醚基氟硅烷具有较好的防水防油防污性能，而且要具有极佳的耐磨性能，这样才能使所处理表面具有持久的防水防油防污性能。

针对于此类实际需要，专利cn201510993283.9和cn201510679557.7和cn201610031538.8公布了在全氟聚醚分子链末端同时嫁接2到3个烷氧基硅烷官能的方法，这样在一定程度上提高了涂料的耐磨性能。专利cn104769009公布一种在全氟聚醚分子链末端同时嫁接4个烷氧基硅烷官能的方法，所处理的表面兼具极低的表面张力和极佳的耐磨性能，然而，制备该化合物所采用的原料不易获得且易燃易爆；因此，非常有必要寻找一种原料成熟、安全、易得，而且工艺条件温和、安全的新方法，来制备具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法，该方法原料易得，且工艺条件温和、安全。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)使端乙烯基全氟聚醚和二烷氧基含氢硅烷在含氟溶剂和催化剂存在下进行加成反应制得全氟聚醚基氟硅烷；

(2)使步骤(1)制得的全氟聚醚基氟硅烷进行水解反应制得全氟聚醚基氟硅烷水解物；

(3)使步骤(2)制得的全氟聚醚基氟硅烷水解物与多乙烯基硅油在碱性催化剂存在下反应制得乙烯基全氟聚醚基氟硅油；

(4)使步骤(3)制得的乙烯基全氟聚醚基氟硅油与三烷氧基含氢硅烷在含氟溶剂和催化剂存在下进行加成反应制得所述全氟聚氟醚基氟硅烷。

根据本发明，所述端乙烯基全氟聚醚的结构式如i所示，

rfcf2cf2cf2ch2ocj-2h2j-4ch＝ch2

i，

所述式i所示结构式中的rf为一价全氟聚醚基团，j为自然数，且10≧j≧3，

或所述端乙烯基全氟聚醚的结构式如式ⅱ所示，

rfcf2cf2ch2ocj-2h2j-4ch＝ch2

ⅱ，

所述式ⅱ所示结构式中的rf为一价全氟聚醚基团，j为自然数，且10≧j≧3，

或所述端乙烯基全氟聚醚的结构式如式ⅲ所示，

rfcf(cf3)ch2ocj-2h2j-4ch＝ch2

ⅲ，

所述式ⅲ所示结构式中的rf为一价全氟聚醚基团，j为自然数，且10≧j≧3。

优选地，所述式i所示结构式中的rf为f-(cf2cf2cf2cf2o)e-，其中，e为自然数，且50≧e≧3；所述式ⅱ所示结构式中的rf为f-(cf2cf2cf2o)e-，其中，e为自然数，且50≧e≧3；所述式ⅲ所示结构式中的rf为f-(cfcf3cf2o)e-，其中，e为自然数，且50≧e≧3。

本发明的所述端乙烯基全氟聚醚可以由全氟聚醚还原醇(rfch2oh)和烯丙基溴在碱性条件下发生醚化反应而制备，具体合成方法参照专利us6958191，所采用原料全氟聚醚还原醇由太仓中化环保化工有限公司提供。

优选地，步骤(1)中，所述含氟溶剂选自甲基九氟丁醚、乙基九氟丁醚、1,1,1,3,3-五氟丁烷、全氟己烷、全氟庚烷、全氟辛烷、三氟甲苯、间二三氟甲苯、六氟化对二甲苯、六氟化间二甲苯等溶剂中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤(1)中，所述催化剂为karstedt型铂催化剂或speir型铂催化剂。更优选地，铂元素在实际反应体系中的质量含量为5～20ppm。具体如选用karstedt型铂催化剂(vm-23，浙江衢州建橙有机硅材料有限公司)。

优选地，步骤(1)中，所述二烷氧基含氢硅烷选自甲基二甲氧基硅烷、甲基二乙氧基硅烷、甲基二丙氧基硅烷、乙基二甲氧基硅烷、乙基二乙氧基硅烷、乙基二丙氧基硅烷、丙基二甲氧基硅烷、丙基二乙氧基硅烷、丙基二丙氧基硅烷等化合物中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤(1)中，所述端乙烯基全氟聚醚与二烷氧基含氢硅烷为等摩尔比，所述含氟溶剂的添加量占总反应体系的20％～80％。

优选地，步骤(1)中所述加成反应在氮气保护、30～150℃条件下进行。

根据本发明的一个具体且优选的方面，步骤(1)的具体实施方式如下：将端乙烯基全氟聚醚、二烷氧基含氢硅烷、含氟溶剂和催化剂在30～150℃和氮气保护下反应10～14小时，然后抽真空，在0.1～5kpa的压力下脱低沸0.5～1.5小时，制备得到全氟聚醚基氟硅烷。

优选地，步骤(2)中所述水解反应在70～90℃条件下进行。

根据本发明的一个具体且优选的方面，步骤(2)的具体实施方式如下：将步骤(1)制得的全氟聚醚基氟硅烷用水洗，然后升温至70～90℃反应3～5小时，冷却、静置、分层并收取下层粘稠液体，体重复水洗、升温反应2～4次，然后在0.1～5kpa的压力下脱低沸0.5～1.5小时，制备得到全氟聚醚基氟硅烷水解物。

更具体地，步骤(2)中，每次水洗加入的水的体积与粘稠液体的体积大致相同。

优选地，步骤(3)中，所述碱性催化剂为氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤(3)中，所述多乙烯基硅油的结构式ⅳ所示，

其中，b、c为自然数，且50≧c≧b，c≧4。

本发明的多乙烯基硅油可由八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷和六甲基二硅氧烷在氢氧化钾催化下发生开环聚合反应而制备，也可商购。粘度为50～50000mpas，乙烯基摩尔含量范围为2～10mmol/g。

优选地，步骤(3)中的所述反应在氮气保护、50～150℃条件下进行。

根据本发明的一个具体且优选的方面，步骤(3)的具体实施方式如下：将步骤(2)制备得到的全氟聚醚基氟硅烷水解物、多乙烯基硅油、碱性催化剂混合均匀，在50～150℃和氮气保护下反应3～5小时，抽真空，在0.1～5kpa的压力下脱低沸0.5～1.5小时，制备得到乙烯基全氟聚醚基氟硅油。

优选地，步骤(4)中，所述含氟溶剂选自甲基九氟丁醚、乙基九氟丁醚、1,1,1,3,3-五氟丁烷、全氟己烷、全氟庚烷、全氟辛烷、三氟甲苯、间二三氟甲苯、六氟化对二甲苯、六氟化间二甲苯等溶剂中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤(4)中，所述催化剂为karstedt型铂催化剂或speir型铂催化剂。更优选地，铂元素在实际反应体系中的质量含量为5～20ppm。具体如选用karstedt型铂催化剂(vm-23，浙江衢州建橙有机硅材料有限公司)。

优选地，步骤(4)中，所述三烷氧基含氢硅烷选取自三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷和三丙氧基硅烷等化合物中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤(4)中，所述乙烯基全氟聚醚基氟硅油中的乙烯基(si-ch＝ch2)和三烷氧基含氢硅烷中的硅氢基(si-h)为等摩尔比，所述含氟溶剂占总反应体系的20～80％。

优选地，步骤(4)中的所述加成反应在氮气保护、30～150℃条件下进行。

根据本发明的一个具体且优选的方面，步骤(4)的具体实施方式如下：将步骤(3)制备得到的乙烯基全氟聚醚基氟硅油、含氟溶剂、三烷氧基含氢硅烷和催化剂在50～150℃和氮气保护下反应3～5小时，抽真空，在在0.1～5kpa的压力下脱低沸0.5～1.5小时，制备得到所述全氟聚氟醚基氟硅烷。

本发明的具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法制备得到的具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷具有如式ⅴ所示的结构通式，

其中，

a、b、c为自然数，且50≧c≧b>a和c≧4，带有a、b、c并用括弧括起的各重复单元的存在顺序在式中是任意的；

g为自然数且3≧g>0；

x为碳数为2～10的二价有机基团且不含有氮原子；

y为二价烷基团；

r¹为硅原子上的烷氧基取代基；

r²为硅原子上的烷基取代基；

rf为一价全氟聚醚基团。

根据本发明，式ⅴ中rf为f(cdf2do)e-，其中，d、e为自然数。

优选地，式ⅴ中rf为f(c3f6o)e-或f(c4f8o)e-，其中，50≧e≧3。

更优选地，式ⅴ中rf为f(cf2cf2cf2o)e-、f(cfcf3cf2o)e-或f(cf2cf2cf2cf2o)e-，其中，50≧e≧3。

根据本发明，所述x为cmhnf2m-noi，其中，m、n、i为自然数，且20≧m≧2，40≧n≧1和10≧i≧1。

优选地，所述x为-cf2cf2ch2ocjh2j-，-cf2cf2cf2ch2ocjh2j-或-cf(cf3)ch2ocjh2j-，其中，j为自然数，且10≧j≧3。

根据本发明，所述y为-cqh2q-，其中，q为自然数且10≧q≧2。

根据本发明，所述r¹为甲氧基、乙氧基或丙氧基。

根据本发明，所述r²为甲基、乙基、丙基或丁基。

本发明中，全部所述的原料均可通过商购和/或采取已知的手段来制备得到，没有加以特别说明时，均满足标准化工产品要求。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的制备方法原料易得，且工艺条件温和、安全，克服了现有技术中的原料不易获得且易燃易爆等缺点。

采用本发明制备方法制备得到的全氟聚氟醚基氟硅烷的分子链末端具有至少4个水解活性官能团，极大地提高了pfpe链与基材的粘附力，将其应用于涂料领域，可以显著提高涂料漆膜的水接触角和油接触角，同时也提高了漆膜的抗涂鸦性。另一方面，采用本发明制备方法制备得到的全氟聚氟醚基氟硅烷分子链尾端多水解活性端基的引入，可以显著提高全氟聚氟醚基氟硅烷分子链于漆膜的粘附力，最终提高漆膜的抗污耐久性。陶瓷、玻璃和金属等表面经该涂料处理后，具有超强的防水防油防污性能。

附图说明

图1为实施例1制备的全氟聚氟醚基氟硅烷的h¹nmr分析谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中使用的原料可通过商购获得。

实施例1

本实施例提供一种具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法，包括以下步骤：

(1)在装备有回流冷凝管、氮气吹扫、强力搅拌和控温装置的四口烧瓶中，加入100.0g端乙烯基全氟聚醚(分子量为1684g/mol，太仓中化环保化工有限公司提供，结构通式为：f(cfcf3cf2o)9cfcf3ch2och2ch＝ch2)、6.3g甲基二甲氧基氢硅烷和110.0g间二三氟甲苯，在室温下搅拌均匀，加入1gkarstedt型铂催化剂vm-23(pt含量为3000ppm，浙江衢州建橙有机硅材料有限公司提供)，逐渐升温至80℃，然后保温反应8小时，最后在0.2kpa的真空度下脱低沸2小时，得到产物全氟聚醚基氟硅烷；

(2)将步骤(1)制备得到的全氟聚醚基氟硅烷冷却至室温，在搅拌条件下逐渐加入等体积的纯水并水洗，然后缓慢升温至80℃并保温反应约4小时，冷却、静置、分层并收取下层粘稠液体，下层粘稠液体重复上述水洗、升温、反应操作3次，最后在0.2kpa的真空度下脱低沸约1小时，制备出全氟聚醚基氟硅烷水解物；

(3)将步骤(2)制备得到的全氟聚醚基氟硅烷水解物、47.7g多乙烯基硅油(结构式符合式ⅴ所示通式，且式中b＝4，c＝4；由等摩尔比的八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷和六甲基二硅氧烷，在氢氧化钾催化下经130℃反应4小时开环聚合，最后在100kpa脱水0.5小时精制而成)和0.1g氢氧化钾混合，在140℃的温度范围内和氮气保护下反应4小时，然后缓慢抽真空，在0.2kpa的压力下脱低沸约1小时，制备出乙烯基全氟聚醚基氟硅油；

(4)将步骤(3)制备得到的上述乙烯基全氟聚醚基氟硅油、200g间二三氟甲苯、39.0g三烷氧基含氢硅烷和2gkarstedt型铂催化剂vm-23在80℃和氮气保护下反应12小时，然后缓慢抽真空，最终在0.2kpa的压力下脱低沸约1小时，制备出目的产物全氟聚氟醚基氟硅烷(记为pfpe-fs-1)。

本实施例制备得到的全氟聚氟醚基氟硅烷(记为pfpe-fs-1)，其结构式符合式ⅴ所示，式ⅴ中：a＝1，b＝4，c＝4，d＝3，e＝9，g＝3，x＝cfcf3ch2och2ch2ch2，y＝ch2ch2ch2，r¹＝oc2h5，具有如下结构式：

对产物pfpe-fs-1化合物进行核磁h¹nmr分析，pfpe-fs-1的h¹nmr分析结果如图1所示，由图1可知：

0ppm附近的化学位移峰归属于有机硅链的侧基si-ch3中的质子；

0.5ppm附近的化学位移峰属于与三乙氧基硅相连的ch2si(oc2h5)3中α位的质子；

1.2ppm附近的化学位移峰属于三乙氧基硅si-o-ch2-ch3上的质子；

1.3～1.4ppm范围内的杂乱化学位移峰归属于聚硅氧烷主链侧基sich2ch2上的质子；

3.3～3.9ppm范围内的杂乱化学位移峰归属于三乙氧基硅si-o-ch2-ch3的亚甲基上的质子，以及与全氟聚醚分子链相近的两个亚甲基rf-ch2-o-ch2上的质子。

实施例2

本实施例提供一种具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法，参照实施例1的方法和步骤，不同之处在于：配方中的端乙烯基全氟聚醚的规格更换为：分子量为3510g/mol，太仓中化环保化工有限公司提供，结构通式为：f(cfcf3cf2o)20cfcf3ch2och2ch＝ch2，相应质量更换为209g。

本实施例制备得到的全氟聚氟醚基氟硅烷记为pfpe-fs-2，其结构式符合式ⅴ所示，式ⅴ中：a＝1，b＝4，c＝4，d＝3，e＝20，g＝3，x＝cfcf3ch2och2ch2ch2，y＝ch2ch2ch2，r¹＝oc2h5。

实施例3

本实施例提供一种具有多水解活性端基的全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法，参照实施例1的方法和步骤，不同之处在于：配方中的端乙烯基全氟聚醚的规格更换为：分子量为5170g/mol，太仓中化环保化工有限公司提供，结构通式为：f(cfcf3cf2o)30cfcf3ch2och2ch＝ch2，相应质量更换为307g。

本实施例制备得到的全氟聚氟醚基氟硅烷记为pfpe-fs-3，其结构式符合式ⅴ所示，式ⅴ中：a＝1，b＝4，c＝4，d＝3，e＝30，g＝3，x＝cfcf3ch2och2ch2ch2，y＝ch2ch2ch2，r¹＝oc2h5。

对比例

本对比例提供一种全氟聚氟醚基氟硅烷的制备方法，其包括：在装备有回流冷凝管、氮气吹扫、强力搅拌和控温装置的四口烧瓶中，加入100.0g甲酯基全氟聚醚(分子量为3332g/mol，太仓中化环保化工有限公司提供，结构通式为：f(cfcf3cf2o)19cfcf3cooch3)，再在室温下缓慢滴加13.1g氨丙基三乙氧基硅烷，1小时滴加完毕；逐渐升温至80℃，然后保温反应8小时，最后在0.2kpa的真空度下脱低沸2小时，得到产物全氟聚氟醚基氟硅烷(记为pfpe-fs-4)。该全氟聚氟醚基氟硅烷(pfpe-fs-4)的结构式如下所示，

涂料的制备

将采用本发明制备方法得到的全氟聚氟醚基氟硅烷应用于制备涂料，涂料可以选自包括下列组分的配方：有机硅树脂100份；全氟聚氟醚基氟硅烷0.01～10份；稀释溶剂10～10000份；固化催化剂0.01～5份，按重量份计。

有机硅树脂可以通过si(r³o)qr⁴(4-q)中的一种或几种进行缩合反应制得，其中，r³为h、ch3、c2h5、c3h7或c4h9，r⁴为ch3、c2h5、c3h7或c4h9，q为1、2、3或4。

优选地，有机硅树脂的结构式如ⅱ所示，

其中，

r³为h、ch3、c2h5、c3h7或c4h9；

r⁴为ch3、c2h5、c3h7或c4h9；

w¹、w²可以独立选取r⁴3sio或r³；

k1、k2、k3为自然数，且k1>k2>k3，100>k1+k2+k3>10。

稀释溶剂可以为醇类溶剂。具体如甲醇、乙醇和异丙醇。

固化催化剂可以为有机酸、无机酸中的一种或几种的组合，具体固化催化剂为乙酸、盐酸、磷酸、硝酸中的一种或几种的组合。

具体将实施例1～3和对比例制得到的全氟聚氟醚基氟硅烷用于制备涂料。

涂料的制备包括以下步骤：将500质量份的有机硅玻璃树脂(si-101，固含量为30％，稀释溶剂为乙醇，莱阳圣邦化工有限公司提供)、0.5质量份全氟聚醚基氟硅烷(pfpe-fs-1)和4500质量份的乙醇，在室温下搅拌混合均匀，逐渐加入2质量份的浓盐酸(质量浓度为36％)并搅拌混合均匀，即得所述涂料试样fsc-1。

按照涂料试样fsc-1所示的方法和步骤，fsc-1配方中pfpe-fs-1的质量份更换为0.1份、0.2份、1.0份和10份分别制备出涂料试样fsc-2、fsc-3、fsc-4和fsc-5，其他同fsc-1的制备方法。

按照涂料试样fsc-1所示的方法和步骤，fsc-1配方中的全氟聚醚基氟硅烷更换为pfpe-fs-2、pfpe-fs-3和pfpe-fs-4，分别制备出试片fsc-6、fsc-7和fsc-8，其他同fsc-1的制备方法。

按照涂料试样fsc-1所示的方法和步骤，不使用fsc-1配方中的全氟聚醚基氟硅烷(pfpe-fs-1)，制备涂料试样fsc-0，其他同fsc-1的制备方法。

涂料漆膜的制备

用乙醇将载玻片(76.2×25.4×1.2mm)表面清洗干净，然后用w71型喷枪将涂料试样fsc-0均匀喷涂于载玻片上，喷涂量为1.5kg/m²。漆膜在室温下静置24小时后，再放入100℃烘箱中高温固化1小时，最终制备出试片fss-0。

按照上述试片fss-0所示的方法和步骤，fsc-0更换为fsc-1、fsc-2、fsc-3、fsc-4、fsc-5、fsc-6、fsc-7和fsc-8，分别制备出试片fss-1、fss-2、fss-3、fss-4、fss-5、fss-6、fss-7和fss-8，其他同fss-0的制备方法。

漆膜的性能测试

抗涂鸦性评价：采用得力油性黑色记号笔(红色、蓝色和黑色)在漆膜fss-0、fss-1、fss-2、fss-3和fsf-4表面涂鸦并在室温下干燥4小时后，用干纸巾擦试漆膜表面的污渍，观察漆膜表面是否留有污渍。按照如下标准进行分级标示：

1级：表示可以容易擦去污渍，并且漆膜内部无任何残留；

2级：表示可以擦去污渍，但是比较费力，并且漆膜内部无任何残留；

3级：表示可以擦去污渍，但是漆膜内部有渗入的墨迹；

4级：表示不能擦去污渍。

接触角测试方法：将未经任何磨损的试片fss-0、fss-1、fss-2、fss-3和fsf-4置于接触角仪(型号：dsa30，德国克吕士有限公司提供)上，以去离子水和十二烷为测试介质，测试液滴体积为4μl，记录3滴液滴的接触角值，并且取3次测试数据的算术平均值。

摩擦耐久性评价：将试片fss-0、fss-1、fss-2、fss-3和fsf-4固定于耐磨测试仪上(esida-nm-002，深圳市易世达仪器设备有限公司提供)，在接触头摩擦探头上捆绑聚丙烯无纺布(型号：b95，江西昊瑞工业材料有限公司)；探头上方施加500g试验负载，试验行程20mm，试样速度10次/分；磨损测试进行20分钟后，停止实验，并损耗表面的接触角。

抗涂鸦性、接触角、摩擦耐久性的测试结果参见表1。

表1

由表1实施例fss-1～7(fss-5除外)和fss-0对比可以看出：有机硅树脂涂料中引入采用本发明制备方法得到的全氟聚氟醚基氟硅烷可以显著提高涂料的水接触角和油接触角，同时也提高了漆膜的抗涂鸦性；实施例fss-1～7和fss-8对比可以看出：试片fss-1～7摩损前后水和十二烷的接触角基本无变化，而fss-8则发生较大变化，因此全氟聚醚尾端多水解活性端基的引入，可以显著提高全氟聚醚分子链与漆膜的粘附力，最终提高了漆膜的抗污耐久性；由实施例fss-5和fss-1～4对比，可以看出全氟聚醚基氟硅烷在有机硅树脂涂料中的添加量不易过高，否则会影响漆膜的附着力。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。