全氟聚醚的合成

2021/10/22 14:42:24

氟化聚醚即全氟聚醚(PFPE,英文名Perfluoro Polyethers)最早于20世纪60年代开始研究,是一类比较特殊的全氟高分子化合物,其平均分子量在500~16000不等,分子中仅有C、F、O三种元素,具有耐热、耐氧化、耐辐射、耐腐蚀、不燃等特性,在大多数场合具有和聚四氟乙烯相近的化学稳定性,且用作军事、航天和核工业等尖端领域的极为可靠的润滑剂已有几十年的历史。如今全氟聚醚广泛应用于化工、电子、电器、机械、核工业、航空航天领域。

目前全氟聚醚的合成方法主要有两种:全氟烯烃直接光催化聚合法及全氟环氧化物的阴离子催化聚合法。基本的重复单元是CF2O,CF2CF2O,CF2CF2CF2O和CF(CF3)CF2O,聚合物链的短基可以是CF3O,C2F5O和C3F7O。全氟聚醚的结构取决于所采用的合成方法。

1)光催化聚合法

意大利Montefluos公司以四氟乙烯或六氟丙烯为原料,在低温下通过紫外光照射与氧反应(除了光引发、还有引发剂等手段),通过氧化聚合而得到结构略有不同的聚醚。以四氟乙烯为例,粗产物的结构中主链上除酰氟端基外,还存在不稳定的过氧化基团(容易发生分解,产生小分子物),需经加热或光照的方法消除该基团,再用元素氟(氟气)稳定端基。该方法于20世纪60年代商业化,产品牌号Fomblin(已纳入SOLVAY索尔维公司),分子结构为Y型、Z型,其主链含有两种及以上不同结构式的重复单元(无规或统计性地分布),过多的重复单元CF2O,一方面会增加聚合物主链的柔性,另一方也会更容易被金属和/或路易斯酸攻击。

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上述反应为低温反应,反应温度维持点位-60- -70℃,再者光引发聚合,因此反应设备必须设计成耐低温,同时又是透明的反应器,设备材质要求极高,生产风险也大大增加。据称,索尔维公司虽然实现了全氟聚醚的工业化生产, 同时也是全球的生产商,但是其反应装置常年需要消耗大量液氮,反应区间与操作人员的隔离使用非常厚的钢板,操作与维护非常困难。

2)阴离子催化聚合法

阴离子聚合法是以全氟环氧丙烷(HFPO)为原料,在非质子溶剂(如一缩二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚)中以氟离子(来自碱金属氟化物,如氟化铯、氟化钾)为催化剂,可得到含酰氟端基的全氟环氧丙烷齐聚物,其活泼酰氟端基再经稳定化处理可得全氟聚醚。主要商品有美国杜邦公司生产的Krytox和日本大金生产的 Demnum(大金公司全氟聚醚技术已通过12个国家专利授权)等,分子结构为K型、D型。该方法最早于20世纪70年代由杜邦实现商业化,首先以六氟丙烯为起始原料合成全氟环氧丙烷,然后再合成全氟聚醚,该路线合成的全氟聚醚分子量分布在1000以下,高端高分子量的产品合成量较少。上述两种产品含有单一重复单元(CF(CF3)CF2O)n或(CF2CF2CF2O)n,是以有序结构为特征的均聚物。

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按照所用单体和聚合方法的不同,可以得到K型(Krytox)、Y型、Z型、D型(Demnum)和M型5种分子结构不同的PFPE。Z型、D型和M型是线型全氟聚醚,K型和Y型的结构是带侧枝的。

种K型结构式为:CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)nR’f,R’f为CF2CF3、C3至C6全氟烷基基团或其组合。它是六氟环氧丙烷(HFPO)在CsF催化作用下通过开环聚合形成的一系列支链聚合物。

第二种Y型结构式为CF3O(C3F6O)m(CF2O)nR’f,R’f是CF3、C2F5、C3F7或其组合。它是由六氟丙烯(HFP)在紫外光的作用下通过光氧化而形成的聚合物,分子量一般在1000~10000之间。

第三种Z(M型类似)型结构式为:CF3(C2F4O)m(CF2O)nR’f。它是由四氟乙烯(TFE)在紫外光照射下通过光氧化作用形成的直链聚合物,分子量一般在1000~100000之间。

第四种D型结构式为:C3F7O(CF2CF2CF2O)nR’f,R’f为CF3、C2F5或其组合。它是将四氟氧杂环丁烷通过阴离子开环聚合而得到。

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