全氟聚醚三甲氧基硅烷的制备及性能

2015-02-23刘彦军

大连工业大学学报 2015年3期

刘亮，刘彦军

（大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连 116034）

0 引言

普通硅酸盐玻璃具有较好的亲水性和亲油性，当其表面黏附污物及有内外温差的情况下，容易黏附水珠、雾珠，这些微小的水珠、露珠对光线产生发射和漫射，大大降低玻璃的透光性［1－2］。为防止玻璃表面的雾化，通常在玻璃表面涂覆一层疏水物质，从而增加水与玻璃的接触角，使其靠自身重力滑下［3－4］。最为常见的采用普通的硅烷及其聚合物涂敷在玻璃表面，使其具有优良的耐水性［5］，但普通的含氢硅烷及其聚合物的耐油性和耐溶剂性较差，大大限制它的广泛应用。为了解决含氢硅烷及其聚合物的缺点，作者合成了一种新型的玻璃涂层用含氟硅烷，并对其性能进行了研究。

1 实验

1.1 实验原料

氟聚全氟六氟丙烯基酰氟，无水甲醇，氨丙基三甲氧基硅烷，全氟环醚。

1.2 实验步骤

1.2.1 全氟聚醚三甲氧基硅烷的制备

氟醚甲酯的制备：氮气保护下，将500g 氟聚全氟六氟丙烯基酰氟和20g无水甲醇混合均匀，于30 ℃酯化反应10h，减压蒸馏除去未反应的甲醇，得到490g氟醚甲酯。

全氟聚醚三甲氧基硅烷的制备：于50mL 全氟环醚中加入氟醚甲酯100g和3－氨丙基三甲氧基硅烷3.2g，70 ℃反应6h，反应结束后减压蒸馏除去溶剂，得到全氟聚醚三甲氧基硅烷93g。

1.2.2 玻璃涂层的制备

配制质量分数为0.1%的全氟聚醚三甲氧基硅烷全氟环醚溶液，涂敷于玻璃表面，室温下放置10min，用全氟环醚溶剂擦掉玻璃表面未反应的全氟聚醚三甲氧基硅烷，100 ℃放置1h成膜。

1.3 表征及性能测试

采用水接触角测试仪测定玻璃表面与水和十二烷的接触角来评价其疏水疏油性；采用Abrasion Tester摩擦涂层3 000次后测其与水和正十二烷的接触角，通过接触角的变化来评价其抗磨耐久性。采用紫外可见分光光度计测试透过率，通过比较带有涂层和未带涂层玻璃片在波长400～800nm 透过率的不同来评价涂层对玻璃片透过率的影响；采用氙灯照射玻璃片2 000h后测其与水的接触角，通过接触角的变化来评价其耐氙灯老化性；采用多功能盐雾试验机进行玻璃涂层耐盐雾测试，喷雾用溶液为5%氯化钠溶液，试验温度35 ℃，盐沉降率在1～3mL／（80cm2·h），沉降量1～2mL／（80cm2·h）。

2 结果与讨论

2.1 成膜条件对玻璃表面涂层性能的影响

2.1.1 氟醚三甲氧基硅烷质量分数的影响

由图1可以看出，随着全氟聚醚三甲氧基硅烷质量分数的增大，水和正十二烷的初始接触角和经法兰绒摩擦3 000次后水和正十二烷的接触角随着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为0.6%时，玻璃涂层的疏水疏油性和抗摩擦耐久性的效果最好。

图1 全氟聚醚三甲氧基硅烷质量分数对涂层性能的影响Fig.1 The effect of perfluoropolyethertrimethoxysilane concentration

2.1.2 盐酸量对涂层性能的影响

由图2可见，随着盐酸质量分数的增大，玻璃表面涂层与水和正十二烷的初始接触角均逐渐增大，当盐酸为0.3%时，玻璃涂层与水和正十二烷的初始接触角最大，继续增加盐酸浓度，玻璃涂层与水和正十二烷的初始接触角逐渐降低。说明适量增加盐酸浓度，全氟聚醚三甲氧基硅烷中的—Si（OCH3）3基团水解加速，使涂层与玻璃之间形成Si—O—Si键，玻璃表面呈现较好的疏水疏油性，但对玻璃涂层的抗摩擦耐久性无明显改变。

图2 全氟环醚中盐酸的质量分数对涂层性能的影响Fig.2 The effect of hydrochloric acid mass fraction

2.1.3 成膜温度对涂层性能的影响

由表1可见，成膜温度升高，玻璃表面全氟聚醚三甲氧基硅烷涂层与水和正十二烷的初始接触角和经法兰绒摩擦3 000次的接触角随着成膜温度的升高逐渐增大；成膜温度为150 ℃时性能最好，继续增加成膜温度，全氟聚醚三甲氧基硅烷形成的玻璃涂层开始发生龟裂，全氟聚醚三甲氧基硅烷涂层的疏水疏油性和抗摩擦耐久性有所降低。

表1 成膜温度的影响Tab.1 The effect of forming temperature

2.1.4 成膜时间的影响

由表2可见，成膜时间在60min时，玻璃表面的全氟聚醚三甲氧基硅烷涂层已经形成，此时涂层与水和正十二烷的初始接触角和经法兰绒摩擦3 000次得接触角达到最大，涂层的疏水疏油性和抗摩擦耐久性的效果达到最佳；随着成膜时间的增加，涂层与水和正十二烷的初始接触角和经法兰绒摩擦3 000次得接触角无明显变化。

表2 成膜时间的影响Tab.2 The effect of forming time

2.2 玻璃涂层透光性能

将0.5%全氟聚醚三甲氧基硅烷溶液均匀涂敷在75mm×25mm×2mm 玻璃片上，150℃成膜1h，室温下用溶剂擦拭掉表面未反应的全氟聚醚三甲氧基硅烷化合物，在400～800nm 测试涂膜的透光性能，结果如图3所示。由图3可以看出，全氟聚醚三甲氧基硅烷涂层在可见光区域的平均透光率为96.0%，具有良好的透光性。

图3 全氟聚醚三甲氧基硅烷涂层透光率Fig.3 The transmittance of perfluoropolyethertrimethoxysilane coating

2.3 耐盐雾性能

将经过全氟聚醚三甲氧基硅烷处理的玻璃样品在35 ℃、5%氯化钠溶液、盐沉降率在1～3mL／（80cm2·h）、沉降量在1～2mL／（80cm2·h）的环境中测试水滴接触角随时间的变化，结果如图4所示。随着时间的延长，涂层与水接触角有所降低，当在盐雾试验机中放置300h后涂层与水滴的接触角下为102.3°，全氟聚醚三甲氧基硅烷玻璃涂层表现出良好的耐盐雾性。