利用红外分光法的含氟聚合物的分析的制作方法

文档序号:14943301发布日期:2018-07-13 21:39

本发明涉及利用红外全反射衰减法(IR-ATR法)求出以含氟聚合物为有效成分的含氟表面处理剂所具有的氟代烷基的碳原子数的分析法。



背景技术:

提出了测定含氟有机化合物中的含氟烃链的表面偏析性的方法。

公开了通过利用XPS或使用轨道同步辐射的X射线吸收的方法而对试样进行局部分析的技术(例如,K Honda,M Morita,H Otsuka,A Takahara.Macromolecules 38(13),5699-5705(2005)和K.Honda,M.Morita,O.Sakata,S.Sasaki and A.Takahara,Macromolecules,43(1),454-460(2010).)

但是,存在装置大型且操作时间也很严格的制约,对于分析手头上的坯料试样而言存在很大的技术障碍。

在WO2015/020100中公开了一种方法,该方法收集拨水拨油加工加工后的纤维、衣服、纸等的加工品的小片,将对其进行加热得到的挥发成分用气相色谱进行分析,测定含氟有机化合物的碳原子数。但是,由于该方法对试样进行加热,所以有时使试样破损。

Takeshi Hasegawa et al.,“Stratified Dipole-Arrays Model Accounting for Bulk Properties Specific to Perfluoroalkyl Compounds”,ChemPlusChem,79,1421-1425(2014)公开了利用IR-ATR法对全氟烷基化合物进行分析,测定全氟烷基的碳原子数的方法。但是,全氟烷基化合物是在十四烷酸中导入了全氟烷基而得到的CF3(CF2)n-(CH2)12-n-COOH(n=3,5,7,9)的小分子。另外,对于在金属基板上形成的单分子膜的试样进行测定。此外,该光谱对应于仅纵光学(Longitudinal optic)能量损失函数(LO函数)光谱的测定。

Takeshi Hasegawa et al.,“An Origin of Complicated Infrared Spectra of Perfluoroalkyl Compounds Involving a Normal Alkyl Group”,Chemistry Letters,44,834-836(2015).和Takeshi Hasegawa,“Understanding of the intrinsic difference between normal-and perfluoro-alkyl compounds toward total understanding of material properties”,Chemical Physics Letters,627,64-66(2015)中也公开了全氟烷基化合物的分析方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:WO2015/020100

非专利文献

非专利文献1:K.Honda et al.Macromolecules 38(13),5699-5705(2005).

非专利文献2:K.Honda et al.Macromolecules,43(1),454-460(2010).

非专利文献3:Takeshi Hasegawa et al.,“Stratified Dipole-Arrays Model Accounting for Bulk Properties Specific to Perfluoroalkyl Compounds”,ChemPlusChem,79,1421-1425(2014).

非专利文献4:T.Hasegawa et al.,“An Origin of Complicated Infrared Spectra of Perfluoroalkyl Compounds Involving a Normal Alkyl Group”,Chemistry Letters,44,834-836(2015).

非专利文献5:T.Hasegawa,“Understanding of the intrinsic difference between normal-and perfluoro-alkyl compounds toward total understanding of material properties”,Chemical Physics Letters,627,64-66(2015).



技术实现要素:

发明所要解决的课题

本发明提供一种简便地求出含有以含氟聚合物为有效成分的含氟表面处理剂的物品中的氟代烷基的碳原子数(优选为全氟烷基的碳原子数)的分析方法。

用于解决课题的方法

本发明提供一种对含有含氟表面处理剂的物品进行分析的方法,该方法通过外全反射衰减法(IR-ATR法)求出含氟表面处理剂所具有的氟代烷基的碳原子数,

含氟表面处理剂含有含氟聚合物作为有效成分,含氟聚合物具有源自下式所示的含氟单体的重复单元,

式:

CH2=C(-X)-C(=O)-Y-Z-Rf

[式中,X为氢原子、一价的有机基团或卤素原子,

Y为-O-或-NH-,

Z为直接键合或二价的有机基团,

Rf为碳原子数1~20的氟代烷基。]

发明的效果

作为含氟表面处理剂的有效成分的含氟聚合物中的Rf基具有CF2对称伸缩振动带的波数位置很大地依赖于Rf链长这种在烃链中看不到的性质。通过红外分光法这样的非破坏性和室温测定的简便方法能够判断Rf链长(优选为C8和C6)的不同。利用通过在傅里叶变换红外分光计(FT-IR)中组入入射角可变ATR装置而得到的光谱的多变量解析,能够读取仅涂布层的光谱,因此不需要空白数据(例如,空白坯料的数据)。

附图说明

图1是实施例1~5中得到的块体的IR-ATR光谱。

图2是作为实施例6和7中得到的经过聚合物处理的尼龙坯料与未处理的尼龙坯料的差异光谱的IR-ATR光谱。

图3是作为实施例8和9中得到的经过聚合物处理的聚酯坯料与未处理的尼龙坯料的差异光谱的IR-ATR光谱。

图4是通过对实施例10和11中得到的经过聚合物处理处理的尼龙坯料的IR-ATR光谱进行多变量解析,读取仅涂布层的光谱的结果。

具体实施方式

本发明中,使用红外全反射衰减法(IR-ATR法)对含有含氟表面处理剂的物品进行分析。

“含有含氟表面处理剂的物品”一般是指用含氟表面处理剂进行了处理(表面处理)的物品。通过用含氟表面处理剂对物品进行处理,在物品上形成由含氟表面处理剂形成的涂布层。含氟表面处理剂一般为含氟拨水拨油剂和/或含氟防污加工剂。“物品”,特别是作为用含氟表面处理剂(例如,含氟拨水拨油剂)处理的被处理物(基材),能够列举纤维制品(丝、编织物、纺织物、无纺布和使用这些制作的衣服、寝具、帘子、坐垫类)、石材、过滤器(例如,静电过滤器)、防尘面罩、燃料电池的部件(例如,气体扩散电极和气体扩散支持体)、玻璃、纸、木、皮革、毛皮、石棉、砖、水泥、金属和酸化物、陶瓷制品、塑料、涂布面和灰泥等。纤维制品特别可以为地毯。“处理”是指将处理剂通过浸渍、喷雾、涂布等应用于被处理物(基材)的意思。通过处理,作为处理剂的有效成分的含氟聚合物浸透被处理物的内部和/或附着于被处理物的表面。

含氟表面处理剂一般含有含氟聚合物作为有效成分。含氟聚合物一般具有源自下式所示的含氟单体的重复单元,

式:

CH2=C(-X)-C(=O)-Y-Z-Rf

[式中,X为氢原子、一价的有机基团或卤素原子,

Y为-O-或-NH-,

Z为直接键合或二价的有机基团,

Rf为碳原子数1~20的氟代烷基。]

Y优选为-O-。

Z的具体例为:

直接键合、

碳原子数1~20的直链亚烷基或支链状亚烷基、

[例如,式-(CH2)x-(式中,x为1~10。)所示的基团]、

或者

式-SO2N(R1)R2-或式-CON(R1)R2所示的基团

(式中,R1为碳原子数1~10的烷基,R2为碳原子数1~10的直链亚烷基或支链状亚烷基。)、

或者

式-CH2CH(OR3)CH2-(式中,R3表示氢原子、或碳原子数1~10的酰基(例如,甲酰基或乙酰基等)。)所示的基团、

或者

式-Ar-CH2-(式中,Ar为可以根据需要具有取代基的亚芳香基。)所示的基团、

或者

-(CH2)m-SO2-(CH2)n-基或-(CH2)m-S-(CH2)n-基(其中,m为1~10,n为0~10)。

本发明中,Z优选为直接键合、碳原子数1~20的亚烷基、-SO2N(R1)R2-。

Rf为可以具有氢原子的氟代烷基,优选为不具有氢原子的全氟烷基。Rf的具体例为-CF3、-C2F5、-C3F7、-C4F9、-C5F11、-C6F13、-C8F17、-C10F21、-C12F25。

含氟聚合物可以为含氟单体的均聚物或共聚物。含氟聚合物除了源自含氟单体的重复单元以外,也可以具有源自非氟单体(例如,不具有氟原子的(甲基)丙烯酸酯)的重复单元。

使用FT-IR通过红外全反射衰减法(IR-ATR法)得到块体试样的光谱(原始光谱)。利用Kramers-Kronig的关系式由原始光谱得到α光谱(α=4πn”/λ(λ:波长))。对α光谱进一步进行Kramers-Kronig变换,得到折射率n'。其中,试样的双折射率n作为实部n'和虚部n"的和以n=n'+in"表示。接着,利用关系式ε=n2(试样的复介电常数:ε)得到复介电常数函数,由此得到两个能量损失函数(TO和LO函数)。

TO:Im(ε)

LO:Im(-1/ε)

TO和LO函数与薄膜的红外透过(Tr)和反射吸收(RA)光谱严格对应,由此,能够将块体试样的光谱与薄膜试样的光谱进行比较。

优选使用α光谱或TO函数对试样(物品)进行分析。可以使用TO函数和LO函数的组合。

关于IR-ATR法的光谱的解析,例如,能够参照V.P.Tolstoy,I.V.Chernyshowa,V.A.Skryshevsky,Handbook of Infrared Spectroscopy of Ultrathin Films,Wiley,Chichester,(2003)(该公开作为参照在本说明书中引用。)。

Kramers-Kronig的关系式(和Kramers-Kronig的变换式)例如如下所示:

[ε:介电常数、ε∞:高频介电常数、ω:角速度、P∫:柯西主值积分]

或者

[位相变化、v:波数、R:反射光谱]。

IR-ATR法的测定结果为TO和LO函数重合。TO和LO函数光谱能够与峰位置的绝对值和相对强度相对应的Tr和RA光谱进行比较。

ATR法优选为入射角可变ATR法或入射角可变偏光ATR法。通过使用入射角可变偏光ATR法,在将涂布层设置于基材上的试样中,能够读取仅涂布层的光谱。

对于具有平滑表面的、吸附于在红外线中透明的基材的薄膜试样,能够使用作为能够获得在界面的化学键的取向角等取向结构的多角入射分解分光法(MAIRS法)。MAIRS法(也包括p-MAIRS)是从一个试样同时获得分别相当于以往的红外透过(Tr)和反射吸收(RA)光谱的、IP光谱(面内光谱)和OP光谱(面外光谱)的测定方法。

TO和LO函数通过MAIRS法得到,TO对应于IP光谱[面内的透过](MAIRS IP),LO对应于OP光谱[面外的反射吸收](MAIRS OP)。

含氟聚合物与在十四烷酸中导入了全氟烷基而得到的CF3(CF2)n-(CH2)12-n-COOH(n=3,5,7,9)相比,可见TO和LO光谱之差变大。

特别是,具有源自全氟烷基的碳原子数为4的含氟单体(优选为CF3CF2CF2CF2-CH2CH2OCOCH=CH2(C4SFA))的重复单元的含氟聚合物,在TO和LO光谱中出现的CF2对称伸缩振动带的峰位置之差很大。另外,C4SFA为凝胶状时能够忽视试样的结构各向异性,试样制作的再现性优异,因此,全氟烷基的碳原子数为4的含氟单体能够作为红外MAIRS法的标准试样使用。

红外MAIRS法(也包括p-MAIRS)中,从在平滑基板上制作的一个薄膜试样,同时得到相当于现有的红外透过(Tr)和反射吸收(RA)光谱的、IP光谱(面内光谱)和OP光谱(面外光谱)。为了确认是否正确地进行了MAIRS测定,以往,使用取向试样,利用在IP和OP光谱出现反映了取向的带“强度比”的现象。但是,作为取向试样,无法将LB膜、SAM膜等结构已知的薄膜作为标准试样制作,对于测定者和分光计制造商来说,标准试样制作的门槛很高。

为了克服这一点,可以不使用带强度比而使用确认IP和OP光谱的带“位置”的不同的确认法。这是利用了以下原理,即,即使是同样的薄膜试样,也能够在IP和OP光谱分别出现TO和LO能量损失函数光谱、吸收强度的强的带位置在不同的位置出现(TO-LO分裂)。C4SFA的TO-LO分裂在4.5cm-1时明显较大,容易测量。另外,原本利用价值高的CF2对称伸缩振动带在1150cm-1附近与水蒸气的带不重合,所以与分光计的设置条件无关而能够被测量,作为标准试样是理想的。

在本发明中,也可以不进行空白试样(即,不进行表面处理的物品)的IR-ATR测定。即使不获得空白试样与表面处理物品的差异光谱,也能够得到利用含氟表面处理剂形成的涂布层的光谱(例如,利用入射角可变ATR法),因此,能够对含有含氟表面处理剂的物品进行分析。

实施例

使用下述装置进行红外全反射吸收测定。

(1)实施例1~9

装置:Nicolet 6700(ThermoFisher Scientific制)FT-IR

入射角:45度

反射次数:1次

棱镜:Ge

(2)实施例10和11

入射角可变ATR装置:角度可变反射/ATR Seagull(Harrik Scientiffic制)

反射次数:1次

棱镜:Ge

合成例1

将C8F17CH2CH2OCOCH=CH2/C10F21CH2CH2OCOC(CH3)=CH2(重量比80/20)30.0g、乙酸丁酯81.0g在四口烧瓶内搅拌溶解,边进行氮置换边保持在65℃进行,之后添加有机过氧化物1.3g,在65℃反应8小时,得到聚合物溶液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。对所得到的聚合液用蒸发器除去乙酸丁酯,得到聚合物。合成例2

将CF3CF2-(CF2CF2)2-CH2CH2OCOC(Cl)=CH2 30.0g、乙酸丁酯81.0g在四口烧瓶内搅拌溶解,边进行氮置换边保持在65℃,之后添加有机过氧化物1.3g,在65℃反应8小时,得到聚合物溶液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。对所得到的聚合液用蒸发器除去乙酸丁酯,得到聚合物。

合成例3

将CF3CF2-(CF2CF2)2-CH2CH2OCOC(CH3)=CH2 30.0g、乙酸丁酯81.0g在四口烧瓶内搅拌溶解,边进行氮置换边保持在65℃,之后添加有机过氧化物1.3g,在65℃反应8小时,得到聚合物溶液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。对所得到的聚合液用蒸发器除去乙酸丁酯,得到聚合物。

合成例4

将CF3CF2-(CF2CF2)2-CH2CH2OCOCH=CH2 30.0g、乙酸丁酯81.0g在四口烧瓶内搅拌溶解,边进行氮置换边保持在65℃,之后添加有机过氧化物1.3g,在65℃反应8小时,得到聚合物溶液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。对所得到的聚合液用蒸发器除去乙酸丁酯,得到聚合物。

合成例5

将CF3CF2CF2CF2CH2CH2OCOCH=CH2 30.0g、乙酸丁酯81.0g在四口烧瓶内搅拌溶解,边进行氮置换边保持在65℃,之后添加有机过氧化物1.3g,在65℃反应8小时,得到聚合物溶液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。对所得到的聚合液用蒸发器除去乙酸丁酯,得到聚合物。

合成例6

在1L的四口烧瓶中加入C8F17CH2CH2OCOC(CH3)=CH2/C10F21CH2CH2OCOC(CH3)=CH2(重量比80/20)204g、水溶性醇系溶剂75.8g、纯水446g、聚氧乙烯烷基醚20.2g、阳离子系乳化剂2.6g,在60℃加温后,用高压均质器使其乳化分散。接着添加含有偶氮基的水溶性引发剂1.9g,在60℃反应3小时,得到聚合物的水性分散液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。用纯水调整浓度,使其固体成分浓度为30重量%。

合成例7

在1L的四口烧瓶中加入C6F13CH2CH2OCOC(CH3)=CH2 204g、水溶性醇系溶剂75.8g、纯水446g、聚氧乙烯烷基醚20.2g、阳离子系乳化剂2.6g在60℃加温后,用高压均质器使其乳化分散。接着添加含有偶氮基的水溶性引发剂1.9g,在60℃反应3小时,得到聚合物的水性分散液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。用纯水调整浓度,使其固体成分浓度为30重量%。

比较合成例1

在1L的四口烧瓶中加入丙烯酸硬脂酸酯179g、水溶性二元醇系溶剂75.8g、纯水446g、聚氧乙烯烷基醚20.2g、阳离子系乳化剂2.6g在60℃加温后,用高压均质器使其乳化分散。接着添加含有偶氮基的水溶性引发剂1.9g,在60℃反应3小时,得到聚合物的水性分散液。利用气相色谱法求得的单体的转化率为95%以上。用纯水调整浓度,使其固体成分浓度为30重量%。

实施例1

将由合成例1得到的聚合液通过风干得到的聚合物载置于红外ATR装置的棱镜上,进行IR-ATR测定。通过将得到的数据变换为α光谱,在1149cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1149cm-1的峰是C8F17基的特征峰。在图1(a)表示IR光谱。

实施例2

将由合成例2得到的含氟聚合物以与实施例1同样的方法进行IR-ATR测定。通过将得到的数据变换为α光谱,在1146cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1146cm-1的峰是C6F13基的特征峰。在图1(b)表示IR光谱。

实施例3

将由合成例3得到的含氟聚合物以与实施例1同样的方法进行IR-ATR测定。通过将得到的数据变换为α光谱,在1146cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1146cm-1的峰是C6F13基的特征峰。在图1(c)表示IR光谱。

实施例4

将由合成例4得到的含氟聚合物以与实施例1同样的方法进行IR-ATR测定。通过将得到的数据变换为α光谱,在1146cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1146cm-1的峰是C6F13基的特征峰。在图1(d)表示IR光谱。

实施例5

将由合成例5得到的含氟聚合物以与实施例1同样的方法进行IR-ATR测定。通过将得到的数据变换为α光谱,在1135cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1135cm-1的峰是C4F9基的特征峰。在图1(e)表示IR光谱。

实施例6

将由合成例6得到的聚合物的水性分散液用水稀释为1.5重量%,调整处理液。将尼龙布浸渍于处理液,用轧液机以4kg/cm2、4m/分钟拧干,在170℃进行热处理1分钟,得到处理布。载置于红外ATR装置的棱镜上,进行IR-ATR测定。将得到的数据变换为α光谱。得到与未处理的尼龙布的差异光谱,结果,在1149cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1149cm-1的峰是C8F17基的特征峰。在图2(a)表示IR光谱。

实施例7

将由合成例7得到的聚合物的水性分散液以与实施例6同样的方法得到处理布,进行IR-ATR测定。将所得到的数据变换为α光谱。得到与未处理的尼龙布的差异光谱,结果,在1145cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1145cm-1的峰是C6F13基的特征峰。在图2(b)表示IR光谱。

实施例8

将由合成例6得到的聚合物的水性分散液用水稀释为1.5重量%,调整处理液。将聚酯布浸渍于处理液,用轧液机以4kg/cm2、4m/分钟拧干,在170℃进行热处理1分钟,得到处理布。载置于红外分光计的棱镜上,进行IR-ATR测定。将所得到的数据变换为α光谱。得到与未处理的聚酯布的差异光谱,结果,在1149cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1149cm-1的峰是C8F17基的特征峰。在图3(a)表示IR光谱。

实施例9

将由合成例7得到的聚合物的水性分散液以与实施例6同样的方法得到处理布,进行IR-ATR测定。将所得到的数据变换为α光谱。得到与未处理的聚酯布的差异光谱,结果,在1144cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1144cm-1的峰是C6F13基的特征峰。在图3(b)表示IR光谱。

实施例10

将入射角可变ATR装置与傅里叶变换红外分光计(FT-IR)组合,使用由实施例6得到的处理布,进行IR-ATR测定。将所得到的数据变换为α光谱,通过多变量解析,读取仅涂布层的光谱。1149cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1149cm-1的峰是C8F17基的特征峰。即使不进行未处理的尼龙布的IR-ATR测定,在与实施例6同样的位置也可见CF2对称伸缩振动峰。在图4(a)表示涂布层的光谱。

实施例11

将入射角可变ATR装置与傅里叶变换红外分光计(FT-IR)组合,使用由实施例7得到的处理布,进行IR-ATR测定。将所得到的数据变换为α光谱,通过多变量解析,读取仅涂布层的光谱。在1145cm-1可见CF2对称伸缩振动峰。1145cm-1的峰是C6F13基的特征峰。即使不进行未处理的尼龙布的IR-ATR测定,在与实施例7同样的位置也可见CF2对称伸缩振动峰。在图4(b)表示涂布层的光谱。

比较例1

将由比较合成例1得到的聚合物的水性分散液以与实施例6同样的方法得到处理布,进行IR-ATR测定。将所得到的数据变换为α光谱。得到与未处理的尼龙布的差异光谱,但是没有发现CF2对称伸缩振动峰。

工业上的可利用性

根据本发明的方法,能够通过红外全反射衰减法(IR-ATR法)求出含氟表面处理剂所具有的氟代烷基的碳原子数。

再多了解一些
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