一种含氟丙烯酸酯的制备方法 技术领域 本发明属织物整理剂技术领域,涉及一种含氟丙烯酸酯类防水防油有机氟织物 整理剂的含氟共聚单体——含氟丙烯酸酯的制备方法。
背景技术 目前,随着国内外纺织品的发展和人们生活的需要,人们对开发新型、高效的 织物整理剂的呼声越来越强烈。 有机氟织物整理剂具有优异的能够赋予织物优异的疏水 疏油性能,同时由于其 F 原子的电负性大、直径小,能够将 C-F 键屏蔽起来,在强酸、 强碱、高温和高辐射等各种环境下均显示出很高的稳定性,还因为其具有低浓度、高效 果的特点,使处理过的织物保持良好的手感、优异的透气性和透湿性。 含氟织物整理剂 在防水防油性、防污性、耐洗性、耐摩擦性、耐腐蚀性等各方面与其它类型的整理剂相 比都具有不可比拟的优势。 因此,在众多的织物整理剂中,有机氟织物整理剂一经问世 就引起人们极大的兴趣并不断得到发展,成为当今防水防油整理剂的主流。
聚丙烯酸酯类高分子本身成膜性好、网络结构较为疏松,并且有好的防水性, 原料易得,制法简单,成本低的特点,但不具备防油性能。 在聚丙烯酸酯高分子侧链上 引入含氟基团,可得到防水防油的含氟丙烯酸酯类织物整理剂。 含氟丙烯酸酯类织物整 理剂的含氟共聚单体为含氟丙烯酸酯,含氟丙烯酸酯单体中的氟碳化合物部分是赋予织 物防水防油性能的关键部分,是整个含氟整理剂的核心。
目前国内外的含氟防水防油整理剂的含氟共聚单体主要是带长链全氟烷基的丙 烯酸酯,多为碳原子数在 6 ~ 10 个的全氟烷基,其中全氟链段的碳原子数为 8 个时的防 水防油性能最好。 而美国环保局的研究报告指出 :长链的全氟烷基 ( 碳原子数为 8 或更 多 ) 可能会分解或降解为 PFOA( 全氟辛酸及其盐类 ) 或 PFOS( 全氟辛烷磺酰基化合物 )。 美国环保局目前仍在继续评估 PFOA 的危害性,现在得出的大致结论是,动物研究仅发 现 “暗示性证据” 表明, PFOA 是潜在致癌物质。 PFOA 和 PFOS 在环境中和生物体内 不发生任何分解,具有高度的生物蓄积性,因此,长链全氟烷基丙烯酸酯作为毒性化合 物对人体健康的危害不容忽视。
近年来已有报道试图用减少全氟烷基链长度办法,替代原有结构中的长链全氟 烷基。 如在专利 US 2005027063 中,使用 3 ~ 4 个碳原子的全氟烷基的丙烯酸酯,并 在其共聚物中引入多个固化点,使防水防油整理剂与待处理的基材更好地结合 ;在专利 US 2006205864 中,含氟单体为 α 位取代的丙烯酸酯,取代丙烯酸酯 α 位的基团可以 是 -F、 -Cl、 -Br、 -I、 -CN、含氟烷基、苯基、苯酚基等。 全氟烷基的碳原子数为 1 ~ 6,虽避免了 PFOA 或 PFOS 对环境和生物体的危害。 但是相应地后退动态接触角降低, 表面能升高,所得共聚物的防水防油性能下降。
发明内容
本发明的目的是 :提供一种符合环保要求、防水防油性能良好的有机氟织物整理剂的含氟共聚单体——含氟丙烯酸酯的制备方法。
为达到上述目的,采用的技术方案是 :一种含氟丙烯酸酯的制备方法,其特征 在于依次包括以下步骤 :
步骤 (1) 制备多氟醇以全氟烷基酰基化合物为原料,在还原剂存在下,通过以 下反应,制备多氟醇 :
其中 Y 为 -F、 -Cl 或 -OH ;Rf 为 -CnF2n+1 或其中 n 为 1 ~ 6 的整数,p 为 1 ~ 6 的整数,q 为 1 ~ 10 的整数,优选为 0 ~ 2 的整数, X 为 -F 或 -CF3。
步骤 (2) 制备含氟丙烯酸酯由步骤 (1) 制得的多氟醇,以吩噻嗪为阻聚剂,在催 化剂存在下,通过以下反应得到所述含氟丙烯酸酯 :
其中 R1 为 -H 或 -CH3 ;Rf 为 -CnF2n+1 或其中 n 为 1 ~ 6 的整数,p 为 1 ~ 6 的整数,q 为 1 ~ 10 的整数,优选为 0 ~ 2 的整数, X 为 -F 或 -CF3。
所述步骤 (1),反应容器中温度控制为 -10 ~ 20℃,将还原剂缓慢溶于无水溶剂 A 中,然后逐步滴加全氟烷基酰基化合物 Rf-CO-Y(Y = -F、-Cl 或 -OH),滴加完毕后维 持温度 -10 ~ 30℃,搅拌反应 4 ~ 10 小时。 然后搅拌同时缓慢加入水以除去过量的还原 剂,再加入 10%氢氧化钠水溶液,保持体系温度在 5 ~ 10℃、搅拌 10 ~ 30min 后进行过 滤,滤液在室温浴中用旋转蒸发仪浓缩,得到粗产物,然后精馏得到多氟醇 Rf-CH2OH。
所述的无水溶剂 A 为乙醚、四氢呋喃、二氧六环中的一种。 无水溶剂 A 的用量 为所述的全氟烷基酰基化合物 Rf-CO-Y 重量的 2 ~ 5 倍。
所述的还原剂为氢化铝锂、硼氢化钠中的一种。 还原剂与所述全氟烷基酰基化 合物 Rf-CO-Y 的摩尔比为 1.5 ~ 2.0。 过量的还原剂采用先缓慢滴加水,再滴加入两倍于 水的 10% NaOH 溶液方式去除。
所述步骤 (2),以步骤 (1) 制得的多氟醇 Rf-CH2OH 为原料,溶于反应容器内的 溶剂 B 中,以吩噻嗪为阻聚剂,在催化剂存在下,保持温度在 -20 ~ 10℃内,缓慢滴加 ( 甲基 ) 丙烯酰氯。 滴加完毕后搅拌 0.5 ~ 2 小时,升温至 30 ~ 60℃,搅拌回流 2 ~ 8 小时。 然后将母液倒入冰水中,用冰水洗涤至有机相为中性,得到粗产物,进行减压精 馏后得到含氟丙烯酸酯。
所述 ( 甲基 ) 丙烯酰氯与所述多氟醇的摩尔比为 1.1 ~ 1.5。
所述溶剂 B 为二氯甲烷、乙醚、三氯甲烷、丙酮、1,1,2- 三氟三氯乙烷中的一种。 溶剂 B 的用量为所述多氟醇重量的 2 ~ 5 倍。
所述催化剂为吡啶、三乙胺、 N, N- 二甲基苯胺、碳酸钠、碳酸钾、氟化钠、 氟化钾中的一种。 催化剂与所述多氟醇的摩尔比为 1.2 ~ 1.5。
本发明所制得的含氟丙烯酸酯中长链全氟烷基所含碳原子数少于 8,而且可降 解,无生物累积性。 不存在破坏环境、影响人类健康的隐患。 利用本发明所制得的含氟 丙烯酸酯,制备含氟丙烯酸酯共聚物乳液,用作纺织品的防水防油整理剂,被处理的织 物展现出优异的防水防油性能。 具体实施方式
下面给出实施例,对本发明作进一步说明。
实施例 1 ~实施例 5 为通过本发明步骤 (1) 以全氟烷基酰基化合物为原料,在还 原剂存在下,制备多氟醇。 由步骤 (1) 制得的多氟醇,再由步骤 (2) 制备含氟丙烯酸酯。
实施例 6 ~实施例 10 为分别由实施例 1 ~实施例 5 制得的含氟丙烯酸酯,制备 含氟丙烯酸酯共聚物,方法为将共聚物单体、乳化剂、水、有机溶剂一起投料后,用均 质乳化机进行预乳化,形成预乳液 ;在氮气保护惰性条件下,将引发剂以水溶液的方式 滴加入预乳液中,在 50 ~ 80℃下进行乳液共聚 4 ~ 15 小时。 其中所述共聚物单体由含 氟丙烯酸酯、非氟化共聚单体、交联单体三部分组成。 实施例中所述含氟丙烯酸酯分别 由实施例 1 ~实施例 5 制得,非氟化共聚单体为 ( 甲基 ) 丙烯酸十八酯,交联单体为甲基 丙烯酸羟基乙酯或 N- 羟甲基丙烯酰胺。
最后将所得的共聚物乳液稀释到 3%,采用浸轧 - 干燥 - 烘培的织物整理工艺, 对棉织物进行整理,采用美国 AATCC 22-2005 测试方法和 AATCC118-2002 测试方法, 评定整理后的织物防水等级和防油等级。
实施例 1
制备丙烯酸 2,2,3,3,4,4,4- 七氟丁酯
在 5 ~ 10℃条件下将 7.57g(0.200mol) 硼氢化钠缓慢溶解到 71.34g 无水乙醚中, 再缓慢滴加 21.41g(0.100mol) 全氟丁酸,滴加完毕后,在 -10 ~ -5 ℃下搅拌反应 10h。 然后搅拌同时缓慢加入 10.0g 水以除去过量的硼氢化钠 ( 水的用量大于所用还原剂的量, 小于总有机相的五分之一 ),此时液体成胶状物质,再滴加入 20.0g 的 10 %氢氧化钠水 溶液,胶状物质慢慢形成颗粒状固体,整个过程放出较大热量,保持体系温度在 5 ~ 10℃、搅拌 30mi n 后过滤,滤液在室温浴中用旋转蒸发仪浓缩,得粗产物,然后精馏得 到 16.59g 2,2,3,3,4,4,4- 七氟 -1- 丁醇 CF3CF2CF2CH2OH,产率 82.9%。
将 15.00g(0.075mol)2,2,3,3,4,4,4- 七 氟 -1- 丁 醇、7.84g 吡 啶、59.70g 二氯甲烷和 0.010g 吩噻嗪,加入带冷凝器的烧瓶中。 冷却并保持烧瓶内温度为 5℃,滴 加 8.23g(0.091mol) 丙烯酰氯。 滴加完毕后再搅拌 30min,升温至 30℃搅拌回流 2h。 然 后将母液倒入冰水中,用冰水洗涤至有机相为中性,得到粗产物 ( 含有少量吡啶的含氟 丙烯酸酯二氯甲烷溶液 ),减压精馏后得 16.76g 丙烯酸 2,2,3,3,4,4,4- 七氟丁酯 CF3CF2CF2CH2OOCCH = CH2,产率 88.0%。
实施例 2
制备甲基丙烯酸 1H,1H- 全氟己酯将 5.68g(0.150mol) 氢化铝锂在 0 ~ 5℃内缓慢溶解到 106.72g 无水四氢呋喃中, 再缓慢滴加 29.28g(0.088mol) 全氟己酰氯,滴加完毕后在 -5 ~ 0 ℃下搅拌反应 8h。 然 后搅拌下缓慢加入 10.0g 水,再加入 20.0g 的 10%氢氧化钠水溶液,保持体系温度在 5 ~ 10℃搅拌 20min 后进行过滤,滤液在室温浴中用旋转蒸发仪浓缩,得到粗产物,然后精 馏得到 22.93g 1H,1H- 全氟 -1- 己醇 CF3(CF2)4CH2OH,产率 86.8%。
将 21.14g(0.070mol)1H,1H- 全 氟 -1- 己 醇、10.11g 三 乙 胺、49.95g 乙 醚 和 0.011g 吩噻嗪加入带冷凝器的烧瓶中 . 冷却并保持烧瓶内的温度为 0 ℃,开始滴加 9.70g(0.093mol) 甲基丙烯酰氯。 滴加完毕后再搅拌 1h,升温至 40℃搅拌回流 3h。 然后 将母液倒入冰水中,用冰水洗涤至有机相为中性,得到粗产物,再减压精馏得 20.97g 甲 基丙烯酸 1H,1H- 全氟己酯 CF3(CF2)4CH2OOCC(CH3) = CH2,产率 80.9%。
实施例 3
制备丙烯酸 1H,1H-2- 三氟甲基 -3- 氧杂全氟己酯
将 3.63g(0.096mol) 氢化铝锂在 -5 ~ 0℃内缓慢溶解到 92.94g 二氧六环中,再缓 慢滴加 19.58g(0.059mol)2- 三氟甲基 -3- 氧杂八氟己酰氟,滴加完毕后在 0 ~ 5℃下搅拌 反应 6h,然后搅拌下缓慢加入 10.0g 水,再加入 20.0g 10%氢氧化钠水溶液,保持体系温 度在 5 ~ 10℃,搅拌 15min 后过滤,滤液在室温浴中用旋转蒸发仪浓缩,得到粗产物, 然后精馏得到 16.82g 1H,1H-2- 三氟甲基 -3- 氧杂全氟 -1- 己醇 CF3CF2CF2OCF(CF3) CH2OH,产率 89.3%。
将 溶 于 79.62g 二 氯 甲 烷 中 的 16.09g(0.050mol)1H,1H-2- 三 氟 甲 基 -3- 氧 杂 全氟 -1- 己醇、7.574g(0.062mol)N, N- 二甲基苯胺和 0.008g 吩噻嗪加入带冷凝器的 烧瓶中,冷却并保持温度为 -15 ℃,滴加 5.29g(0.058mol) 丙烯酰氯。 滴加完毕后再 搅拌 1h,升温至 35 ℃搅拌回流 7h。 然后将母液倒入冰水中,用水洗涤至有机相为中 性,粗产物再减压精馏,得到 16.05g 丙烯酸 1H,1H-2- 三氟甲基 -3- 氧杂全氟己酯 CF3CF2CF2OCF(CF3)CH2OOCCH = CH2,产率 85.3%。
实施例 4
制备甲基丙烯酸 1H,1H-2,5- 双 ( 三氟甲基 )-3,6- 二氧杂全氟壬酯
将 4.63g(0.122mol) 氢化铝锂在 5 ~ 10℃内缓慢溶解到 88.90g 无水四氢呋喃中, 再缓慢滴加 33.35g(0.067mol)2,5- 双 ( 三氟甲基 )-3,6- 二氧杂十一氟壬酰氟,滴加完 毕后在 10 ~ 15℃下搅拌反应 5h。 然后搅拌下缓慢加入 10.0g 水,再加入 20.0g 10%氢氧 化钠水溶液,保持体系温度在 5 ~ 10℃,搅拌 10min 后进行过滤,滤液在室温浴中用旋转 蒸发仪浓缩,得到粗产物,然后精馏得到 26.40g1H,1H-2,5- 双 ( 三氟甲基 )-3,6- 二 氧杂全氟 -1- 壬醇 CF3CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CH2OH,产率 81.2%。
将溶于 55.32g 1,1,2- 三氟三氯乙烷中的 23.48g(0.048mol)1H,1H-2,5- 双 ( 三氟甲基 )-3,6- 二氧杂全氟 -1- 壬醇、4.07g(0.070mol) 氟化钾和 0.010g 吩噻嗪加入 带冷凝器的烧瓶中,冷却并保持温度为 -10℃,开始滴加 6.01g(0.057mol) 的甲基丙烯酰 氯。 滴加完毕后再搅拌 1h,升温至 45℃搅拌回流 6h。 然后将母液倒入冰水中,用水洗 涤至有机相为中性,得到粗产物,再减压精馏得到 24.06g 甲基丙烯酸 1H,1H-2,5- 双 ( 三氟甲基 )-3,6- 二氧杂全氟壬酯 CF3CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CH2OOCC(CH3) = CH2,产率 89.9%。实施例 5
制备甲基丙烯酸 1H,1H-2,5,8- 三 ( 三氟甲基 )-3,6,9- 三氧杂全氟十二酯
将 3.08g(0.081mol) 氢化铝锂在 10 ~ 15℃内缓慢溶解到 57.08g 无水乙醚中,再缓 慢滴加 27.88g(0.042mol)2,5,8- 三 ( 三氟甲基 )-3,6,9- 三氧杂十四氟十二烷酰氟, 滴加完毕后在 20 ~ 25 ℃下搅拌反应 4h。 然后搅拌下缓慢加入 10.0g 水,再加入 20.0g 10%氢氧化钠水溶液,保持体系温度在 5 ~ 10℃搅拌 10min 后进行过滤,滤液在室温浴 中用旋转蒸发仪浓缩,得到粗产物,然后精馏得到 23.81g1H,1H-2,5,8- 三 ( 三氟甲 基 )-3,6,9- 三氧杂全氟 -1- 十二烷醇 CF3CF2CF2O[CF(CF3)CF2O]2CF(CF3)CH2OH,产 率 87.1%。
将溶于 47.40g 丙酮中的 22.56g(0.035mol)1H,1H-2,5,8- 三 ( 三氟甲基 )-3, 6,9- 三氧杂全氟 -1- 十二烷醇、3.76g(0.048mol) 吡啶和 0.008g 吩噻嗪加入带冷凝器的 烧瓶中,冷却并保持温度为 -5℃,开始滴加 4.46g(0.043mol) 的甲基丙烯酰氯。 滴加完 毕后再搅拌 1h,升温至 50℃搅拌回流 6h。 然后将母液倒入冰水中,用水洗涤至有机相 为中性,得到粗产物,进行减压精馏得到 20.84g 甲基丙烯酸 1H,1H-2,5,8- 三 ( 三氟 甲基 )-3,6,9- 三氧杂全氟十二酯 CF3CF2CF2O[CF(CF3)CF2O]2CF(CF3)CH2OOCC(CH3) = CH2,产率 83.6%。 实施例 6
制备丙烯酸 2,2,3,3,4,4,4- 七氟丁酯 / 甲基丙烯酸十八酯 / 甲基丙烯酸 羟基乙酯的共聚物
将 16.0g 的丙烯酸 2,2,3,3,4,4,4- 七氟丁酯、24.0g 甲基丙烯酸十八酯、 2.5g 甲基丙烯酸羟基乙酯、10.0g 丙酮、0.7g 十八烷基三甲基氯化铵、2.1g 聚氧乙烯月桂 基醚加入 110g 水中,用均质乳化机进行预乳化,形成预乳液。 将所得的预乳液转移到 500ml 的烧瓶中,在氮气保护的惰性条件下连续滴加含 0.24g 引发剂偶氮二异丁脒二盐酸 盐的 20g 水溶液,在 50℃下共聚 15 小时。
将所得的共聚物乳液稀释到 3%,采用浸轧 - 干燥 - 烘培的织物整理工艺,对棉 织物进行整理,防水等级达到 80 分、防油等级达到 4 级。
实施例 7
制备甲基丙烯酸 1H,1H- 全氟己酯 / 丙烯酸十八酯 / 丙烯酸羟基乙酯的共聚物
将 10.0g 的甲基丙烯酸 1H,1H- 全氟己酯、30.0g 丙烯酸十八酯、3.0g 丙烯酸羟 基乙酯、5.0g 异丙醇、0.8g 十六烷基三甲基溴化铵、2.4g 聚氧乙烯十六烷基醚加入 110g 水中,用均质乳化机进行预乳化,形成预乳液。 将所得的预乳液转移到 500ml 的烧瓶 中,在氮气保护的惰性条件下连续滴加含 0.12g 引发剂偶氮二异丁脒二盐酸盐的 20g 水溶 液,在 60℃下共聚 8 小时。
将所得的共聚物乳液稀释到 3%,采用浸轧 - 干燥 - 烘培的织物整理工艺,对棉 织物进行整理,防水等级达到 80 分、防油等级达到 4 级。
实施例 8
制备丙烯酸 1H,1H-2- 三氟甲基 -3- 氧杂全氟己酯 / 丙烯酸十八酯 /N- 羟甲基 丙烯酰胺的共聚物
将 28.0g 的丙烯酸 1H,1H-2- 三氟甲基 -3- 氧杂全氟己酯、12.0g 丙烯酸十八
酯、2.0g N- 羟甲基丙烯酰胺、20.0g 乙二醇一甲醚、0.6g 十八烷基三甲基氯化铵、1.8g 聚氧乙烯脱水山梨糖醇单硬脂酸酯加入 140g 水中,用均质乳化机进行预乳化,形成预乳 液。 将所得的预乳液转移到 500ml 的烧瓶中,在氮气保护的惰性条件下连续滴加含 0.28g 引发剂偶氮二异丁脒二盐酸盐的 20g 水溶液,在 55℃下共聚 12 小时。
将所得的共聚物乳液稀释到 3%,采用浸轧 - 干燥 - 烘培的织物整理工艺,对棉 织物进行整理,防水等级达到 80 分、防油等级达到 5 级。
实施例 9
制备甲基丙烯酸 1H,1H-2,5- 双 ( 三氟甲基 )-3,6- 二氧杂全氟壬酯 / 甲基丙 烯酸十八酯 / 甲基丙烯酸羟基乙酯的共聚物
将 20.0g 的甲基丙烯酸 1H,1H-2,5- 双 ( 三氟甲基 )-3,6- 二氧杂全氟壬酯、 20.0g 甲基丙烯酸十八酯、2.0g 甲基丙烯酸羟基乙酯、10.0g 丙二醇、0.6g 十八烷基三甲 基氯化铵、1.8g 聚氧乙烯脱水山梨糖醇三油酸酯加入 140g 水中,用均质乳化机进行预乳 化,形成预乳液。 将所得的预乳液转移到 500ml 的烧瓶中,在氮气保护的惰性条件下连 续滴加含 0.20g 引发剂偶氮二异丁脒二盐酸盐的 20g 水溶液,在 65℃下共聚 6 小时。
将所得的共聚物乳液稀释到 3%,采用浸轧 - 干燥 - 烘培的织物整理工艺,对棉 织物进行整理,防水等级达到 90 分、防油等级达到 6 级。 实施例 10
制备甲基丙烯酸 1H,1H-2,5,8- 三 ( 三氟甲基 )-3,6,9- 三氧杂全氟十二酯 / 丙烯酸十八酯 /N- 羟甲基丙烯酰胺的共聚物
将 12.0g 的甲基丙烯酸 1H,1H-2,5,8- 三 ( 三氟甲基 )-3,6,9- 三氧杂全氟 十二酯、28.0g 丙烯酸十八酯、4.0g N- 羟甲基丙烯酰胺、5.0g 丙酮、0.5g 十六烷基三甲基 溴化铵、1.5g 聚氧乙烯单硬脂酸酯加入 110g 水中,用均质乳化机进行预乳化,形成预乳 液。 将所得的预乳液转移到 500ml 的烧瓶中,在氮气保护的惰性条件下连续滴加含 0.24g 引发剂偶氮二异丁脒二盐酸盐的 20g 水溶液,在 70℃下共聚 5 小时。
将所得的共聚物乳液稀释到 3%,采用浸轧 - 干燥 - 烘培的织物整理工艺,对棉 织物进行整理,防水等级达到 90 分、防油等级达到 6 级。
由实施例 6 ~实施例 10 测评结果可见,由本发明制备含氟丙烯酸酯所得的共聚 物乳液,稀释到 3%作为有机氟织物整理剂,整理后的织物防水等级达到 80 分以上,防 油等级达到 4 级以上,达到了预期的发明目的织物有良好的防水防油性能。
虽然本发明已以较佳实施例公示如上,然其并非用以限制本发明。 应当注意 到本发明并不限于上文具体实施方式,基于本发明启示,任何本领域普通技术人员,对 本发明所作的任何显而易见的改变,或等同替代,也应被认为落入本发明的保护范围之 内。
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