全氟聚醚三甲氧基硅烷的制備及性能

劉 亮，劉彥軍

（大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

普通硅酸鹽玻璃具有較好的親水性和親油性，當其表面黏附污物及有內(nèi)外溫差的情況下，容易黏附水珠、霧珠，這些微小的水珠、露珠對光線產(chǎn)生發(fā)射和漫射，大大降低玻璃的透光性［1－2］。為防止玻璃表面的霧化，通常在玻璃表面涂覆一層疏水物質(zhì)，從而增加水與玻璃的接觸角，使其靠自身重力滑下［3－4］。最為常見的采用普通的硅烷及其聚合物涂敷在玻璃表面，使其具有優(yōu)良的耐水性［5］，但普通的含氫硅烷及其聚合物的耐油性和耐溶劑性較差，大大限制它的廣泛應用。為了解決含氫硅烷及其聚合物的缺點，作者合成了一種新型的玻璃涂層用含氟硅烷，并對其性能進行了研究。

1 實 驗

1.1 實驗原料

氟聚全氟六氟丙烯基酰氟，無水甲醇，氨丙基三甲氧基硅烷，全氟環(huán)醚。

1.2 實驗步驟

1.2.1 全氟聚醚三甲氧基硅烷的制備

氟醚甲酯的制備：氮氣保護下，將500g 氟聚全氟六氟丙烯基酰氟和20g無水甲醇混合均勻，于30 ℃酯化反應10h，減壓蒸餾除去未反應的甲醇，得到490g氟醚甲酯。

全氟聚醚三甲氧基硅烷的制備：于50mL 全氟環(huán)醚中加入氟醚甲酯100g和3－氨丙基三甲氧基硅烷3.2g，70 ℃反應6h，反應結(jié)束后減壓蒸餾除去溶劑，得到全氟聚醚三甲氧基硅烷93g。

1.2.2 玻璃涂層的制備

配制質(zhì)量分數(shù)為0.1%的全氟聚醚三甲氧基硅烷全氟環(huán)醚溶液，涂敷于玻璃表面，室溫下放置10min，用全氟環(huán)醚溶劑擦掉玻璃表面未反應的全氟聚醚三甲氧基硅烷，100 ℃放置1h成膜。

1.3 表征及性能測試

采用水接觸角測試儀測定玻璃表面與水和十二烷的接觸角來評價其疏水疏油性；采用Abrasion Tester摩擦涂層3 000次后測其與水和正十二烷的接觸角，通過接觸角的變化來評價其抗磨耐久性。采用紫外可見分光光度計測試透過率，通過比較帶有涂層和未帶涂層玻璃片在波長400～800nm 透過率的不同來評價涂層對玻璃片透過率的影響；采用氙燈照射玻璃片2 000h后測其與水的接觸角，通過接觸角的變化來評價其耐氙燈老化性；采用多功能鹽霧試驗機進行玻璃涂層耐鹽霧測試，噴霧用溶液為5%氯化鈉溶液，試驗溫度35 ℃，鹽沉降率在1～3mL／（80cm2·h），沉降量1～2mL／（80cm2·h）。

2 結(jié)果與討論

2.1 成膜條件對玻璃表面涂層性能的影響

2.1.1 氟醚三甲氧基硅烷質(zhì)量分數(shù)的影響

由圖1可以看出，隨著全氟聚醚三甲氧基硅烷質(zhì)量分數(shù)的增大，水和正十二烷的初始接觸角和經(jīng)法蘭絨摩擦3 000次后水和正十二烷的接觸角隨著全氟聚醚三甲氧基硅烷的固含量增加而增大，全氟聚醚三甲氧基硅烷為0.6%時，玻璃涂層的疏水疏油性和抗摩擦耐久性的效果最好。

圖1 全氟聚醚三甲氧基硅烷質(zhì)量分數(shù)對涂層性能的影響Fig.1 The effect of perfluoropolyethertrimethoxysilane concentration

2.1.2 鹽酸量對涂層性能的影響

由圖2可見，隨著鹽酸質(zhì)量分數(shù)的增大，玻璃表面涂層與水和正十二烷的初始接觸角均逐漸增大，當鹽酸為0.3%時，玻璃涂層與水和正十二烷的初始接觸角最大，繼續(xù)增加鹽酸濃度，玻璃涂層與水和正十二烷的初始接觸角逐漸降低。說明適量增加鹽酸濃度，全氟聚醚三甲氧基硅烷中的—Si（OCH3）3基團水解加速，使涂層與玻璃之間形成Si—O—Si鍵，玻璃表面呈現(xiàn)較好的疏水疏油性，但對玻璃涂層的抗摩擦耐久性無明顯改變。

圖2 全氟環(huán)醚中鹽酸的質(zhì)量分數(shù)對涂層性能的影響Fig.2 The effect of hydrochloric acid mass fraction

2.1.3 成膜溫度對涂層性能的影響

由表1可見，成膜溫度升高，玻璃表面全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層與水和正十二烷的初始接觸角和經(jīng)法蘭絨摩擦3 000次的接觸角隨著成膜溫度的升高逐漸增大；成膜溫度為150 ℃時性能最好，繼續(xù)增加成膜溫度，全氟聚醚三甲氧基硅烷形成的玻璃涂層開始發(fā)生龜裂，全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層的疏水疏油性和抗摩擦耐久性有所降低。

表1 成膜溫度的影響Tab.1 The effect of forming temperature

2.1.4 成膜時間的影響

由表2可見，成膜時間在60min時，玻璃表面的全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層已經(jīng)形成，此時涂層與水和正十二烷的初始接觸角和經(jīng)法蘭絨摩擦3 000次得接觸角達到最大，涂層的疏水疏油性和抗摩擦耐久性的效果達到最佳；隨著成膜時間的增加，涂層與水和正十二烷的初始接觸角和經(jīng)法蘭絨摩擦3 000次得接觸角無明顯變化。

表2 成膜時間的影響Tab.2 The effect of forming time

2.2 玻璃涂層透光性能

將0.5%全氟聚醚三甲氧基硅烷溶液均勻涂敷在75mm×25mm×2mm 玻璃片上，150℃成膜1h，室溫下用溶劑擦拭掉表面未反應的全氟聚醚三甲氧基硅烷化合物，在400～800nm 測試涂膜的透光性能，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層在可見光區(qū)域的平均透光率為96.0%，具有良好的透光性。

圖3 全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層透光率Fig.3 The transmittance of perfluoropolyethertrimethoxysilane coating

2.3 耐鹽霧性能

將經(jīng)過全氟聚醚三甲氧基硅烷處理的玻璃樣品在35 ℃、5%氯化鈉溶液、鹽沉降率在1～3mL／（80cm2·h）、沉降量在1～2mL／（80cm2·h）的環(huán)境中測試水滴接觸角隨時間的變化，結(jié)果如圖4所示。隨著時間的延長，涂層與水接觸角有所降低，當在鹽霧試驗機中放置300h后涂層與水滴的接觸角下為102.3°，全氟聚醚三甲氧基硅烷玻璃涂層表現(xiàn)出良好的耐鹽霧性。

2.4 涂層老化性

模擬日光，將經(jīng)過全氟聚醚三甲氧基硅烷處理后的玻璃樣品在氙燈下照射，測試水滴接觸角照射時間的變化，結(jié)果如圖5所示。隨著氙燈照射的時間延長，全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層與水滴的接觸角有所降低。全氟聚醚三甲氧基硅烷作為玻璃涂層具有良好的耐氙燈老化性。

圖4 全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層耐鹽霧性曲線Fig.4 The salt spray resistance curve of perfluoropolyethertrimethoxysilane coating

圖5 全氟聚醚三甲氧基硅烷涂層耐氙燈老化曲線Fig.5 The xenon lamp aging resistance curve of perfluoropolyether－trimethoxysilane coating

3 結(jié) 論

以氟聚全氟六氟丙烯基酰氟、甲醇和氨丙基三甲氧基硅烷為原料合成了全氟聚醚三甲氧基硅烷。0.5%的全氟聚醚三甲氧基硅烷于150 ℃成膜1h形成的玻璃涂層與水和正十二烷的接觸角分別為114.7°和64.5°，具有良好的疏水疏油性、抗摩擦耐久性、透光性、耐鹽霧性和耐氙燈老化性。

［1］劉曉華，王忠元.透明材料制品防霧、防霜劑的研究進展［J］.化學與粘合，1990（3）：189.

［2］馬穎，彭錦雯，李淑靜，等.玻璃防霧涂層的研究進展［J］.膠體與聚合物，2011，29（1）：43－45.

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［4］朱立群，金燕.具有憎水性的無機／有機膜層的制備方法與研究進展［J］.表面技術(shù)，2005，34（3）：1－4.

［5］劉新爍，張招貴，黃婷，等.含氟硅烷及其聚合物的合成與應用［J］.有機硅材料，2003，17（6）：26－29.