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含氟丙烯酸酯共聚物结晶与涂膜表面润湿性能研究

2020-01-22 来源:独旅网
第26卷第1期 2012年2月 高校化学工程学报 No.1、,01.26 Feb. 2Ol2 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities 文章编号:1003・9015(2012)01.O1 l2.O7 含氟丙烯酸酯共聚物结晶与涂膜表面润湿性能研究 张杏娟,陈慧琴,皮丕辉,文秀芳,程江,杨卓如 (华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640) 摘要:以全氟辛基乙基甲基丙烯酸酯(FMA)分别和不同侧碳链长度(烷烃链长 =4,8,l2,16,l8)的丙烯酸酯为原料, 合成一系列含氟丙烯酸酯共聚物。用红外光谱仪(FT=IR)和多功能光电子能谱仪(xas)对共聚物化学结构与涂膜表面化 学成分进行表征,结合表面接触角测试仪测定相应涂膜表面接触角并分析了其表面自由能;同时也用示差扫描量热法 (Dsc),X射线衍射(XRD)和偏光显微镜(POM)对含氟丙烯酸酯共聚物的结晶行为进行分析比较。结果表明,当非氟单 体的烷烃链长H=4、8、12时,聚合物在常温下各向同性,不具有结晶性;当 =16、18时在常温下即可结晶,得到 近晶A相的层状纹影织构。特别是当 =16时,烷烃侧链排列更紧密,聚合物的结晶具有更好协同作用,表现出优异 的结晶规整性和低表面能,从而提高了聚合物涂膜的疏水疏油稳定性。 关键词:含氟丙烯酸酯共聚物;表面性能:结晶性;疏水疏油 中图分类号:TQ325.7;O647.5 文献标识码:A Study on Crystallization and Surface Properties of Fluorinated Acrylate Copoly mers ZHANG Xing-juan,CHEN Hui・qin,PI Pi-hui,WEN Xiu-fang,CHENG Jiang,YANG Zhuo-ru (School ofChemistry and Chemical Engineering,South China University ofTechnology,Guangzhou 5 10640,China) Abstract: A series of fluorinated acrylate copolymers were synthesized by using monomers of perlfuoroalkylethyl methylacrylate and acrylate with various length of side chain(n=4,8,1 2,1 6 and 1 8, respectively)as raw materials.The chemical structure and surface chemical composition of the prepared copolymer coatings were characterized by infrared spectroscopy(FT-IR)and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).Combining with the contact angle test,the corresponding contact angles of the coatings were measured, nd their surface energy were aanalyzed.The crystallization of luorinated acrfylate copolymers were studied by diferential scanning calorimetry(DSC),X-ry diafractometer(XRD)and polarizing microscopy(POM)for further analyzing the influence of different lengths of side chains on the water-and oil-repellent surface.The results show that the copolymers remain isotropic and have no crystallizability under room temperature when the acrylate’S side chain length n=4,8 and 12;whereas when =16 and 18,the crystallization can occur and the schlieren texture of layered smectic A phase can be obtained.Especially,when n 1 6,the alkyI side chains are more closely arranged and have a better synergy effect on the crystallization of luorine-contaifning polymers, which indicates that the copolymer has excellent crystalline regularity and low surface energy,thus improving he stabitlity of its water-and oil-repellence. Key words: fluorinated acrylate copolymers;surface properties;crystallization;water・・and oil・-repellence 1 前 言 含氟材料由于其表面能极低,具有良好的热稳定性,优异的耐化学性耐热性和耐候性,以及低折射 率和低介电常数,受到学术和工业界的高度关注,在功能涂料等行业具有广泛的应用前景 】。然而,含 收稿日期:2010.12.20:修订日期t 2011-04-19。 作者简介:张杏t ̄J(1986.),女,广东开平人,华南理工大学硕士生。通讯联系人:杨卓如,E-mail: ̄yang@scut.edu.cn 第26卷第l期 张杏娟等:含氟丙烯酸酯共聚物结晶与涂膜表面润湿性能研究 ll3 氟材料溶解性较差,一般只能溶于含氟溶剂中,同时成本也较高,应用上因此受到限制【钔。为了增加含 氟聚合物的溶解性以及与其他树脂的相容性,可在含氟聚合物中引入非氟化丙烯酸酯链段 ,这样既提 高了含氟聚合物的溶解性,又能综合两种聚合物各自的特点,使其性价比大大提高,因此其应用前景十 分可观。 润湿是大自然中最为常见的一种界面现象,也是固体表面的重要特征之一。科学工作者通过研究发 现【6J,含氟共聚物涂膜表面润湿性能与共聚物的组成和结晶性能有着重要的关系,因为共聚物结晶有助 于氟原子向涂膜表面迁移,而低表面能的氟原子在涂膜表面决定了表面的疏水疏油性,即表面润湿性能。 目前有不少科研工作者在此领域作了众多的研究工作。Saidi等【 】从氟化丙烯酸酯的侧链氟碳链长(cF2) 、 碳氢间隔(cH2 来讨论聚合物的表面润湿性,结果表明当崆8, <2时,可得到稳定润湿性能的聚合物。 Valtola等l8】以全氟辛基乙基甲基丙烯酸酯(FMA)和甲基丙烯酸二十烷基酯(EIMA)为共聚单体合成无规共 聚物,结果表明此共聚物只表现持二十烷基侧链的熔融转变温度,增加FMA的含量,无规共聚物的结 晶度反而降低。Fujimori等【9J对氟化(甲基)丙烯酸共聚物层状结构的三维结晶和二维分子膜层进行了研究, 研究表明,共聚物的组成和主链柔顺性对层状结构都有影响,烷烃侧链对形成有序层状结构起主要作用, 而全氟侧链对此没有贡献。Corpart等l J通过在全氟侧链中引入N.甲基磺酰胺基极性基团,增加侧链间 的相互作用力,可使得较短的全氟碳链可形成smecticB相结构,在表面有序排列,不易发生表面重构。 上述的研究大多侧重于提高带有烷烃侧链聚合物的侧链结晶性能,但对于含氟丙烯酸共聚物的结晶性与 涂膜表面润湿性能关系方面的相关研究报道则相对较少。 本课题组在含氟共聚物的合成与表面润湿性能关系有着多年的研究经验【l卜H】。含氟共聚物中非氟化 丙烯酸酯的不同烷烃侧链长度对其表面润湿性能有着重要的影响,一是对共聚物结晶性的影响,从而引 起表面氟元素分布和排列方式的不同,这与前人的研究工作一致【6】;二是改变聚合物的极性,当碳链超 过一定的长度,会对非极性的溶剂产生溶剂化作用,使其疏油效果降低。为了进一步研究其内在关系, 本文在前人工作基础上合成了一系列不同烷基侧链长度 =4,8,12,16,18)的含氟丙烯酸酯聚合物,并用 DSC、XRD、POM等仪器对共聚物的结晶性能进行研究,并测定了相应聚合物的油水接触角,重点考察 含氟丙烯酸共聚物的结晶与涂膜表面润湿性能的关系,为今后设计合成稳定的低表面能材料提供理论参 考。 2实 验 2.1主要原材料 全氟辛基乙基甲基丙烯酸酯(FMA,CH2.=c(CH3)CO0(CH2)2(cF2)_,CF3-,),太普(上海)氟化工贸易有限 公司,纯度为95%以上:丙烯酸丁酯(BA),分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;丙烯酸月桂酯(LA)、 丙烯酸十八酯(SA),湖北德邦化学新材料有限公司,纯度为95%以上;丙烯酸辛酯(OA)、丙烯酸十六酯 (CA),自制【】习:二甲苯,分析纯,湖北奥生新材料科技有限公司;过氧化苯甲酰(BPO),分析纯,广州 化学试剂厂。 2.2含氟丙烯酸酯共聚物的合成 采用自由基聚合方法合成含氟丙烯酸共聚物。FMA与非氟化丙烯酸酯单体0=4,8,l2,16,18)的质量 比为1:9。以丙烯酸十八酯为例,将引发剂BPO 0.6 g溶于50 mL二甲苯中并将30 mL的引发剂和二甲苯 混合溶液加入装有电动搅拌器、恒压漏斗、温度计和回流冷凝器的四口烧瓶中,将18 g丙烯酸十八酯(即 0.55 mo1)在50"C水浴熔融成液态后,加入到恒压漏斗,于2~3 h内连续滴完,并在反应后期一次性加入 方式将2 g全氟辛基乙基甲基丙烯酸酯单体(即O.004 mob投入反应体系中。在单体滴加完毕后补加剩余 20 mL引发剂与二甲苯混合溶液,保温3~4 h。最后降温出料。制得的一系列无色或浅黄色透明含氟丙 烯酸共聚物,分别记为FMA—co—C4、FMA—co—c8、FMA—℃0一Cl2、FMA— 0一cl6、FMA—co—Cl8。 将聚合物加入到Fll3含氟溶剂中,把非氟丙烯酸均聚物除去后,再用甲醇使之充分沉淀,过滤回收沉淀 l14 高校化学工程学报 CH3 2012年2月 物,最后在50 ̄C下经真空干燥得到纯净的聚合物。利用 FMA与非氟化丙烯酸酯单体经自由基共聚合成的共聚 物结构式图1所示。  I——(cH2 c=O 0 (CH2- H) 一 c=0 O CnH2 +l 2.3树脂涂膜制备 取85 mm ̄25 mm×1 mm的载玻片,分别在蒸馏水 和丙酮溶剂中超声波清洗10 min,然后晾干。将含氟丙 烯酸酯共聚物树脂稀释到一定浓度,采用滴涂流延法在 洁净的载玻片表制得一层均匀涂膜,放置于80℃的真空 干燥箱中干燥24 h,烘干成膜。 2.4测试与表征 I eH2 CH2 CsF17 n 4,8,12,16,18 I 图1含氟丙烯酸酯共聚物结构式 Fig.1 Chemic ̄structures offluorinated acrylate 红外分析采用Bruker公司Vector33型傅里叶变换红外光谱仪,KBr压片法制样:XPS分析用英国 Kratos公司Axis Ultra DLD多功能光电子能谱仪;树脂成膜后接触角测试采用德国Dataphysics公司的 OCA40 Micro表面接触角测试仪:DSC分析采用德国NETZSCH仪器公司的DSC204F1示差扫描量热仪, 在氮气氛围下(50 mL・min- )测定共聚物的结晶温度,温度范围从一50℃到100℃,升温速率为5℃.min~: 共聚物的晶型结构分析采用日本D/max.IIIA型x.射线衍射仪(XRD);结晶形态分析采用Olympus公 司YM500型偏光显微镜(POM),并配置英国Linkam公司EC600热台LCT94温控单元和THMS600冷热 台,将待测样品以l0℃.min 的升温速率从25℃升温至100℃,恒温1 min后再以5℃.min- 的降温速率 从l00℃降温至25℃。 3结果与讨论 3.1含氟丙烯酸酯共聚物的化学结构表征 据文献报道【 1,FMA的均聚物只能溶解在含氟溶剂,在常规碳氢溶剂中是不溶的。而本文所合成 的聚合物可溶于丙酮溶剂中,故此聚合物中不含有FMA的均聚物。将聚合物用甲醇沉淀干燥后和KBr 粉末压片制样进行红外分析。图2是FMA—co—C4,FMA—c0一C8,FMA—co—Cl2,FMA—co—Cl6及 FMA—co—Cl8含氟丙烯酸酯共聚物的红外光谱图,现主要以FMA—co_—C18为例进行分析说明。在2928 cm 和2854 cm 处的峰为甲基一cH3和亚甲基——cH2的特征吸收峰,1735 cm 处出现了强而尖的C=O 振动吸收峰,1 168 cm- 处是C—o—C键的伸缩振动峰,721 cm-‘处出现了—(CH2),厂一( 4)的面内弯曲 振动峰,另在1240 cm_。,658 cm 处出现了CF2和C—_F的多重特征吸收峰,而1640 cm 和810 cm- 附近的双键峰消失,说明单体发生了共聚。 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumbcr/cm一 Binding energy/eV 图2 不同侧碳链长度的含氟丙烯酸酯共聚物的 红外光谱图 Fig.2 FT-IR spectra offluofinmed acrylate polymers with different carbon numbers ofside chain 图3含氟丙烯酸酯共聚物FMA—co_—cl8的 碳谱峰图 Fig.3 Cl s spectra offluorinated acrylate copolymer FMA—_c —C 1 8 第26卷第l期 张杏娟等:含氟丙烯酸酯共聚物结晶与涂膜表面润湿性能研究 3.2含氟丙烯酸酯共聚物表面元素分析 通过不同元素的结合能谱图可对共聚物组成进行分析。在共聚物谱图中,F元素所处分子链的化学 环境相似,结合能在688.9 eV附近呈单峰分布:酯基上的两个O的结合能谱位置较接近,在533.4 eV和 532 eV呈现面积大小比较相似的双峰分布,分别对应于酯基中的C—O键和C=O键。而C元素则有5 种不同的化学环境,在高分辨率C1 S谱图中,呈现多峰分布[17],如图3所示,以FMA__co_-C18进行分 析说明,连接在C元素上的基团主要有一CF3,一CF2一,一C=O,--COC=O和一CH ( =1~3),分别对 应293.6,291.4,288.8,285.7,284,6 eV。 3-3树脂涂膜接触角测试与表面自由能 Fowkes[ 】认为,物体的表面张力可分为色散部分和极性部分: = +,, 式中, ,,, 分别为表面张力的色散部分和极性部分。OwensI 】等提出的方程为: (1+。。。 1=2( dr,dL) +2( ) (2) (1) 式中,下标L和S分别为表面润湿测试的液体和固体表面, 为表面接触角。 通过实验可测出水和十六烷对含氟丙烯酸酯共聚物的表面接触角,已知水的 , 21.6, 51.0 mN.m~;十六烷的 , ,yP分别为72.6, ,yP分别为27.5,27.5,0 mN.m- 。利用这两种不同极性的溶剂 可以计算表面能。联立方程(1)和(2),代入相关数据可得到含氟丙烯酸酯共聚物的表面能。 表l和表2分别表示不同含氟丙烯酸酯共聚物涂膜表面元素含量和含氟丙烯酸酯聚合物膜的接触角 与表面能。由表1和表2的数据可知,随着烷烃链段的增长,F元素的含量也从24.49%增加到39.29%。 烷烃链段越长,与全氟基团的协同作用也趋于明显,全氟链段在成膜时更易于向涂膜一空气界面迁移, 使表面能降低,故共聚物与水和十六烷的接触角也随着增加。当碳链长n=16,18时,均可达到与水的接 触角为124 ̄。而与十六烷的接触角,则当n=16时达到78。最大。从表1对含氟共聚物的XPS分析结果 可知,FMA—c0一cl8和FMA—co—cl6的氟表面含量分别为39.29%和37.80%,其F/C分别为0.71 1 和0.66l,其O/C分别为0.098和0.090。虽然FMA—co—c18比FMA— 0一c16的氟表面含量高,但其 极性基团O/C也比较大。根据Langmuir独立表面作用原理,Shafrint o】等指出,有机物表面润湿性能是 由固体表面原子或暴露的原子团性质和堆集所决定的,与内部原子及分子的性质和排列无关。当共聚物 表面层富集了全氟烷基时,可大大降低其表面自由能。共聚物低表面能是由于含氟组分向表面迁移以及 极性基团O/C在表面聚集减少的结果。从表2可知,FMA—co—Cl6与FMA— o~C18的表面能分别为 1O.04 mN.m-0与l0.91 mN.m~,FMA—co_—C16的表面能达到最低,这与XPS的分析结果一致。 表I 不同含氟丙烯酸酯共聚物涂膜表面元素含量分析 Table 1 Surface elemental contents analysis of coatings with different fluorinated acrylate copolymers 表2含氟丙烯酸酯聚合物膜的接触角与表面能 Table 2 Contact angles and surface tension of luorifnated acrylate copolymer coatings 3.4含氟丙烯酸酯共聚物热分析 图4为含氟丙烯酸酯聚合物的第二次DSC降温曲线图,在降温过程中可得到1个结晶峰,峰所在的 温度为结晶温度 。所测得的初始结晶温度 诅n、终止结晶温度 d和结晶热熔焓值△ 列于表3。由 表3和图4可以看出,当n=4,8时,由于共聚物处于橡胶态,不具有结晶性,故没有出现结晶峰。当 ,2=12时,FM o._C12的结晶温度峰值为一12.8 ̄C,在常温下不结晶,故常温下在XRD没有出现结晶 第26卷第1期 张杏娟等:含氟丙烯酸酯共聚物结晶与涂膜表面润湿性能研究 l17 ℃时,样品处于各向同性,视场较暗,随着温度降低,晶泡逐渐增多,当降至30 ̄C时,变化明显,如图 6(b),约10 s晶泡中即出现晶核,逐渐出现层状结构,当温度降至28 ̄C,即DSC分析中与结晶温度接近 时,大约30 s即可完成结晶过程,如图6(c)所示,视场变亮,可观察到清晰的近晶A相的层状纹影织构 【16】。FMA—co—Cl8的结晶过程与FMA—co—C16相似,如图6(d),(e),(f)所示,当温度降至30"C即 可观察到其结晶形态。 4结 论 含氟丙烯酸酯共聚物表面的结晶性能与涂膜表面的疏水疏油性密切相关,当,z=4,8,12时,常温 下共聚物处于橡胶态,链段具有较高的活动性,容易发生表面分子重排与迁移,不利于涂膜表面疏水疏 油的稳定。当n=16,18时,常温下即可结晶,在偏光显微镜下可观察到近晶A相的层状纹影织构,全 氟链段在成膜时更易于向涂膜一空气界面迁移,且链段不易运动,可达到较好的疏水效果。但n=18时, 由于烷烃链段过长,容易与非极性溶剂产生溶剂化作用,降低其疏油效果。选择共聚物FMA.一c0一cl6, 表面能达到最低,烷烃侧链排列更紧密,与含氟聚合物的结晶具有更好协同作用,表现出优异的结晶规 整性和低表面能,具有较好的疏水疏油效果。 参考文献: 【11 LI Yan—feng(李艳峰),YU Zhiojia(于志家),YU Yue—fei(于跃飞),et a1.Fabrication of super-hydrophobic surfaces on aluminum alloy(铝合金基体上超疏水表面的制备)【J】 lJ Chem Eng ofChinese Univ(高校化学工程学报),2008,22(1):6-10. 【2】CHEN Xiang.nan(陈湘南).Developing trends of ifuoropolymer coating(氟聚合物涂料的开发动向)[J].Materials Protection(材 料保护),2000,33(t):74-77. 【3】 ZHANG Qing-hua(张庆华),ZHAN Xiao・li(詹晓力),CHEN Feng-qiu(陈丰秋).Studies on sythesis of fluoro-containing water-resistnta and oil-resistant agents and application ofit in paper・making(有机氟防水防油剂的合成以及在造纸工业中的应用) 【J】.Shanghai Paper Making(上海造纸),2004,35(2):38-43. 【4】LI Jun(李俊),CHEN Qing・min(陈庆民).Research progress in fluorine-containing acrylate polymer(含氟丙烯酸酯聚合物研究进展) 【J].Polymeric Materials Science&Engineering(高分子材料科学与工程),2005,2l(5):14—18. 【5】Huang J Q,Meng W D,Qing F L.Synthesis and repellent properties of vinylidene fluoride-containing polyacrylates【J].Journal of Fluorine Chemistry,2007,128(12):1469・1477. 【6】Morita M,Ogisu H,Kubo M.Surface properties of 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