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上海勁孚化工科(kē)技有(yǒu)限公司
www.shjinfu.com.cn(上海勁孚化工科(kē)技 021-57629631)--亞太地(dì)區(氟)化工原料與特種新材料專業供應商(shāng)。
公司緻力于氟樹脂工業與其他特種新材料産業的(de)前沿技術與銷售,目前主要經營氟塑料(PTFE/FEP/PFA/ETFE/PVDF等)、色母、氟塗料、PEEK、芳綸、碳纖維、玻璃纖維、功能性化學(xué)品及其他特種新材料。
一(yī)、概 述
氟樹脂又稱氟碳樹脂,是指主鏈或側鏈的(de)碳鏈上含有(yǒu)氟原子(zǐ)的(de)合成高(gāo)分子(zǐ)化合物。氟樹脂可(kě)以加工成塑料制品(通用塑料和(hé)工程塑料),增強塑料(玻璃鋼等)和(hé)塗料等産品。以氟樹脂為(wèi)基礎制成的(de)塗料稱為(wèi)氟樹脂塗料,也稱氟碳樹脂塗料,簡稱氟碳塗料。
自(zì)從1934年(nián)德國(guó)赫司特公司發現聚三氟氯乙烯,特别是1938年(nián)美國(guó)DuPont公司的(de)R.J.Plunkett博士發明聚四氟乙烯(PTFE)以來,氟樹脂以其優異的(de)耐熱性、耐化學(xué)藥品性、不粘性、耐候性、低(dī)摩擦系數和(hé)優良的(de)電氣特性,博得人們的(de)青睐,獲得長(cháng)足的(de)發展。1964年(nián)杜邦公司将聚四氟乙烯商(shāng)品化,商(shāng)品牌号為(wèi)特氟龍(Teflon)。聚四氟乙烯由于耐腐蝕性最為(wèi)突出,很快獲得了“塑料王”的(de)美稱,對現代工業發展起了重要作用。
國(guó)際上,從氟塑料基礎上發展起來的(de)塗料品種主要有(yǒu)三種。第一(yī)種是以美國(guó)杜邦公司為(wèi)代表的(de)熱熔型氟塗料特氟龍系列不粘塗料,主要用于不粘鍋、不粘餐具及不粘模具等方面;第二種是是以美國(guó)阿托-菲納公司生産的(de)聚偏氟乙烯樹脂(PVDF)為(wèi)主要成分的(de)建築氟塗料,具有(yǒu)超強耐候性,主要用于鋁幕牆闆;第三種是1982年(nián)日本旭硝子(zǐ)公司推出了Lumiflon牌号的(de)熱固性氟碳樹脂FEVE,FEVE由三氟氯乙烯(CTFE)和(hé)烷烯基醚共聚制得,其塗料可(kě)常溫和(hé)中溫固化。這種常溫固化型氟碳塗料不需烘烤,可(kě)在建築及野外露天大型物件上現場施工操作,從而大大拓展了氟碳漆的(de)應用範圍,主要用于建築、橋梁、電視(shì)塔等難以經常維修的(de)大型結構裝飾性保護等,具有(yǒu)施工簡單、防護效果好和(hé)防護壽命長(cháng)等特點。1995年(nián)以後,杜邦公司開發了氟彈性體(氟橡膠),以後又發展了液态(包括水性)氟碳彈性體,産生了溶劑型和(hé)水性氟彈性體塗料。至此,具有(yǒu)不同用途的(de)熱塑性、熱固性及彈性體的(de)氟碳樹脂塗料,品種齊全,溶劑型、水性、粉末的(de)氟樹脂塗料都在發展,拓寬了氟樹脂塗料的(de)應且領域。
我國(guó)氟樹脂塗料是在借鑒國(guó)外先進技術的(de)基礎上發展起來的(de),自(zì)20世紀90年(nián)代初期引進日本旭硝子(zǐ)塗料樹脂株式會社生産的(de)常溫固化氟碳樹脂塗料,開始用于上海高(gāo)速公路、橋梁工程。1990年(nián)代後期開始在國(guó)內(nèi)建廠生産。目前年(nián)生産能力估計達到1.2萬噸左右,已大量應用于防腐、高(gāo)速公路、鐵路橋梁、交通車輛、船舶及海洋工程設施等領域。
氟樹脂之所以有(yǒu)許多獨特的(de)優良性能,在于氟樹脂中含有(yǒu)較多的(de)C—F鍵。氟元素是一(yī)種性質獨特的(de)化學(xué)元素,在元素周期表中,其電負性最強、極化率最低(dī)、原子(zǐ)半徑僅次于氫。氟原子(zǐ)取代C—H鍵上的(de)H,形成的(de)C—F鍵極短(duǎn),鍵能高(gāo)達486KT/mol(C—H鍵能為(wèi)413KJ/mol, C—C鍵能為(wèi)347KJ/mol),因此,C—F鍵很難被熱、光以及化學(xué)因素破壞。F的(de)電負性大,F原子(zǐ)上帶有(yǒu)較多的(de)負電荷,相鄰F原子(zǐ)相互排斥,含氟烴鏈上的(de)氟原子(zǐ)沿着鋸齒狀的(de)C—C鏈作螺線型分布,C—C主鏈四周被一(yī)系列帶負電的(de)F原子(zǐ)包圍,形成高(gāo)度立體屏蔽,保護了C—C鍵的(de)穩定。因此,氟元素的(de)引人,使含氟聚合物化學(xué)性質極其穩定,氟樹脂塗料則表現出優異的(de)熱穩定性、耐化學(xué)品性以及超耐候性,是迄今發現的(de)耐候性最好的(de)戶外用塗料,耐用年(nián)數在20年(nián)以上(一(yī)般的(de)高(gāo)裝飾性、高(gāo)耐候性的(de)丙烯酸聚氨醋塗料、丙烯酸有(yǒu)機(jī)矽塗料,耐用年(nián)數一(yī)般為(wèi)5~10年(nián),有(yǒu)機(jī)矽聚酯塗料最高(gāo)也隻有(yǒu)10~15年(nián))。
二、氟樹脂的(de)合成單體
合成氟樹脂的(de)單體主要有(yǒu)四氟乙烯、三氟氯乙烯、氟乙烯、偏氟乙烯、六氟丙烯、全氟烷基乙烯基醚等。
1. 四氟乙烯
四氟乙烯(TFE)是一(yī)種無色無嗅的(de)氣體,沸點-76.3℃,熔點-142.5℃,臨界溫度33.3℃,臨界壓力4.02MPa,臨界密度0.58g/cm3,在空氣中0.1MPa下的(de)燃燒極限為(wèi)14%~43%(體積分數)。純四氟乙烯極易自(zì)動聚合,即使在黑暗的(de)金屬容器中也是如(rú)此,而且這種聚合是劇烈的(de)放熱反應,這種現象稱為(wèi)爆聚。在室溫下處理(lǐ)四氟乙烯很不安全,運輸時更是如(rú)此。為(wèi)安全起見,防止四氟乙烯貯存時發生自(zì)聚現象,通常在四氟乙烯單體中加入一(yī)定量的(de)三乙胺之類的(de)自(zì)由基清除劑,以防發生自(zì)聚。
四氟乙烯的(de)主要生産方法是以氟石(螢石)原料,使之與硫酸作用生成氟化氫,氟化氫與三氯甲烷作用生成二氟一(yī)氟甲烷,高(gāo)溫下二氟一(yī)氟甲烷裂解生成四氟乙烯,再經脫酸幹燥提純即得四氟乙烯。
CaF2 + H2SO4 —→ 2HF + CaSO4
CHCl3 +2HF —→ CHClF2 + 2HCl
2. 三氟氯乙烯
三氟氯乙烯(CTFE)在室溫下是無色氣體,有(yǒu)醚類氣味,具中等毒性,沸點-27.9℃,熔點-157.5℃,臨界溫度105.8℃,臨界壓力4.06MPa,臨界密度0.55g/cm3。三氟氯乙烯遇HCl就生成1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷。
氧氣和(hé)液态三氟氯乙烯在較低(dī)溫度下反應生成過氧化物,可(kě)以成為(wèi)CTFE劇烈聚合的(de)引發劑,因此在CTFE安全貯存和(hé)運輸時,若不加入阻聚劑就要除盡氧氣。
三氟氯乙烯可(kě)由1,1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷在500~600℃下氣相裂解脫氯,或催化脫氯合成。而1,1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷由六氯乙烷與氟化氫反應制得:
在合成三氟氯乙烯的(de)過程中會有(yǒu)許多副産物,包括一(yī)氯二氟乙烯、三氟乙烯、二氯三氟乙烷、氯甲烷、二甲基醚及三氟氯乙烯的(de)二聚體等,因此要通過一(yī)系列的(de)淨化、蒸餾操作來提純。
3. 氟乙烯
氟乙烯(VF)在室溫下是無色氣體,有(yǒu)醚類的(de)氣味,具高(gāo)度可(kě)燃性,沸點-72.0℃,熔點-160.0℃,臨界溫度54.7℃,臨界壓力5.24MPa,臨界密度0.32g/cm3,液體密度(21℃)0.636g/cm3。在空氣中的(de)燃燒極限為(wèi)2.6% ~ 21.7%(體積分數)。在常壓下不溶于水,能微溶于二甲基甲酰胺和(hé)乙醇。
氟乙烯的(de)合成方法主要有(yǒu)以下幾種:
(1) 最早的(de)合成法是将二氟一(yī)溴乙烷與鋅粉反應,也可(kě)用碘化鉀的(de)醇溶液代替鋅粉。
(2) 1,1-二氟乙烷在催化劑作用下裂解脫HF而生成VF。
(3) 1-氟-2-氯乙烷在1,2-二氯乙烷的(de)存在下于500℃裂解生成氟乙烯。
(4) 氟化氫與乙炔加成生成1,1-二氟乙烷,二氟乙烷再在鋁酸鹽作用下裂解生成氟乙烯。
(5) 氟化氫與乙烯加成。把HF與含35%(體積分數)O2的(de)乙烯按其量的(de)比2︰1通人催化劑碳層,于240℃下生成氟乙烯。在碳層中含有(yǒu)鉑和(hé)氯化亞銅作催化劑。
(6) 氯乙烯氟化,氯被氟取代。将HF和(hé)氯乙烯按其量的(de)比3︰1的(de)混合物加熱到370~380 ℃,催化劑用96%的(de)γ-A12O3和(hé)4% Cr2O3(質量分數)。由于氯乙烯價廉,因此該法是制氟乙烯的(de)實用方法。
在貯存過程中,為(wèi)防止氟乙烯自(zì)聚,須加人阻聚劑萜二烯,在氟乙烯單體聚合前應蒸餾除去(qù)阻聚劑。
4. 偏氟乙烯
偏氟乙烯 (VDF)室溫下是可(kě)燃氣體,無色無嗅,其相對分子(zǐ)質量64.05,沸點(0.1MPa)-84℃,熔點-144℃,密度(23.6℃)0.617g/cm3,臨界溫度30.1℃,臨界壓力4.434MPa,臨界密度0.417g/cm3。在空氣中爆炸極限(體積分數)5.8%~20.3%。偏氟乙烯在大于它的(de)臨界溫度和(hé)臨界壓力時能發生高(gāo)放熱的(de)聚合反應。
偏氟乙烯的(de)合成方法,最為(wèi)常用的(de)有(yǒu)3種。
(1) 三氟乙烷脫HF。
将1,1,1一(yī)三氟乙烷氣體通人鍍鉑的(de)鐵鎳合金管中,加熱到1 200℃,接觸0.01 s後通入裝有(yǒu)氟化鈉的(de)裝置中脫去(qù)HF,然後把它收集在液氮槽中。偏氟乙烯的(de)沸點-84℃,通過低(dī)溫蒸發把它分離(lí)出來。未反應的(de)三氟乙烷升溫至-47.5℃回收。
(2) 乙炔加成HF,然後氯化,最後脫HC1。
(3) 偏氯乙烯加成HF,再脫HC1:
将偏氯乙烯和(hé)HF通入真空下加熱到300℃的(de)CrC13·6H2O催化劑層中,使氣體的(de)顔色從暗綠(lǜ)變成紫色,冷凝生成氣體,在低(dī)溫下分離(lí)偏氟乙烯。
5. 六氟丙烯
六氟丙烯(HFP)在室溫下是無色氣體,具中等毒性。沸點-29.4℃,熔點-156.2℃,密度1.58 g/mL(-40℃),臨界溫度85℃,臨界壓力32.5 MPa,臨界密度0.60 g/mL。
六氟丙烯(HFP)的(de)合成方法很多,可(kě)通過二氟一(yī)氯甲烷裂解、三氟甲烷裂解、甲氟乙烯裂解、六氟一(yī)氯丙烷熱分解、合氟丁酸的(de)堿金屬鹽脫二氧化碳、八氟環丁烷熱分解、四氟乙烯與八氟環丁烷共熱分解和(hé)聚四氟乙烯熱分解合成。工業上常通過四氟乙烯(TFE)的(de)熱分解來制取。把TFE以500g/(L·h)的(de)速率通過鎳鉻鐵的(de)合金管道(dào),加熱至850℃,于8 kPa壓力下進行(xíng)熱解即可(kě)得到質量分數75%以上的(de)HFP,然後通過蒸餾得精HFP。
. 全氟代烷基乙烯基醚
全氟代烷基乙烯基醚(PAVE)是四氟乙烯(TFE)共聚物中改善其性能、擴大用途的(de)重要共聚單體,它能有(yǒu)效地(dì)抑制聚四氟乙烯(PTFE)的(de)結晶過程,降低(dī)其相對分子(zǐ)質量而有(yǒu)良好的(de)機(jī)械性能。PAVE作為(wèi)改性劑優于HFP的(de)是,它有(yǒu)更好的(de)熱穩定性。PAVE與TFE的(de)共聚物具有(yǒu)PTFE同樣優良的(de)熱穩定性。
全氟代烷基乙烯基醚(PAVE)的(de)合成以六氟丙烯(HFP)作原料,要經曆以下3步:
(1) 六氟丙烯與氧化劑,如(rú)H2O2在堿性溶液中,在50~250℃,一(yī)定的(de)壓力下反應生成六氟環氧丙烷(HFPO):
(2) 六氟環氧丙烷與全氟代酰基氟反應生成全氟代2-烷氧基丙酰氟,是一(yī)個電化學(xué)反應過程:
Rf——全氟烴基
(3) 全氟代-2-烷氧基丙酰氟與含氧的(de)堿性鹽,如(rú)Na2CO3, Li2CO3, Na4B2O7等在高(gāo)溫下反應合成全氟代烷基乙烯基醚,反應溫度與堿性鹽種類有(yǒu)關。
Rf —— 全氟烴基
全氟代烷基乙烯基醚中最常見的(de)是全氟代丙基乙烯基醚(PPVE),其相對分子(zǐ)質量266,沸點(0.1MPa)36℃,閃點-20℃,相對密度(23℃)1.53g/cm3,蒸氣密度(75℃)0.2g/cm3,臨界溫度423.58K,臨界壓力1.9MPa,臨界體積435mL/mol。在空氣中可(kě)燃極限體積分數為(wèi)1%。
三、氟樹脂的(de)合成
氟樹脂主要包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚全氟乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)等,其中以四氟乙烯均聚物及共聚物最為(wèi)常見。
1. 聚四氟乙烯
聚四氟乙烯(PTFE)由四氟乙烯單體(TFE)聚合而成,聚合機(jī)理(lǐ)屬自(zì)由基聚合。
聚合過程一(yī)般在水介質中進行(xíng),既可(kě)在30℃以下的(de)低(dī)溫下用氧化還原體系引發,也可(kě)在較高(gāo)溫度下用過硫酸鹽來引發。以過硫酸鉀K2S2O8作引發劑時,聚合機(jī)理(lǐ)如(rú)下:
(1)過硫酸鉀加熱分解成自(zì)由基:
(2)四氟乙烯溶解在水相中,與四氟乙烯反應生成新的(de)自(zì)由基:
(3) 鏈增長(cháng):
(4) 自(zì)由基水解成羟端基和(hé)羧端基自(zì)由基:
(5) 增長(cháng)鏈終止,最終生成端羧基聚合物:
可(kě)見,用過硫酸鹽作引發劑,生成端羧基聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的(de)相對分子(zǐ)質量可(kě)通過控制引發劑的(de)用量,或加入調聚物及鏈轉移劑等加以控制。
工業上,一(yī)般采用懸浮聚合和(hé)乳液聚合來制備聚四氟乙烯。這兩種方法都是以單釜間歇聚合的(de)方式進行(xíng)的(de)。
(1)懸浮聚合
懸浮聚合是在脫氧的(de)去(qù)離(lí)子(zǐ)水介質中,在一(yī)定的(de)溫度和(hé)壓力下強烈地(dì)攪拌進行(xíng)。聚合時應在恒定的(de)壓力下進行(xíng),以控制聚合物的(de)相對分子(zǐ)質量及分布。聚合溫度保持在10~50℃,聚合壓力由恒速地(dì)加入單體來控制。引發劑既可(kě)用離(lí)子(zǐ)型的(de)無機(jī)引發劑,如(rú)過硫酸铵或過硫酸鉀、過硫酸锂,也可(kě)用有(yǒu)機(jī)過氧化物如(rú)雙(β-羧丙酰基)過氧化物作引發劑。引發劑的(de)用量是水質量的(de)2×10-6 ~ 5×10-4,确切的(de)量取決于聚合條件。當其他條件恒定時,引發劑用量越多,則聚合物的(de)相對分子(zǐ)質量越小,但引發劑的(de)用量太少時産量降低(dī)。聚合時放出大量的(de)熱量,聚合溫度一(yī)般通過夾套冷卻水來控制。為(wèi)了操作安全,也為(wèi)了減少或避免聚合物在釜壁和(hé)攪拌器上黏結,加入緩沖劑磷酸鹽和(hé)硼酸鹽等,控制溶液的(de)pH=6.5~9.5,在0.06 ~ 0.4MPa壓力下聚合。
利用懸浮聚合得到的(de)聚四氟乙烯樹脂懸浮液,經過濾、清洗和(hé)幹燥後即可(kě)包裝備用。這種樹脂的(de)平均粒徑為(wèi)150~250μm,可(kě)直接用于模壓或擠出加工;該粒度樹脂經過氣流粉碎,可(kě)以獲得平均粒徑為(wèi)25~50μm的(de)細軟和(hé)表觀密度小的(de)樹脂,适合于制備薄膜制品、薄壁制品和(hé)填充聚四氟乙烯制品等。
(2)乳液聚合
乳液聚合又叫分散聚合,在水相中進行(xíng),除單體外,須加入分散劑(質量分數為(wèi)0.1%~3%的(de)全氟辛酸铵、2,2,ω-三氫全氟戊醇的(de)磷酸酯、ω-氫全氟庚酸或ω-氫全氟壬酸鉀等)、引發劑(水質量0.1%~0.4%的(de)丁二酸、戊二酸的(de)過氧化物或過二硫酸铵等)、抗膠粒凝結的(de)助劑(液體石蠟、氟氯油或C12以上的(de)飽和(hé)烴,可(kě)提高(gāo)膠粒在攪拌時的(de)穩定性),以及用作改性劑的(de)共聚單體(六氟丙烯,全氟代甲基乙烯基醚PMVE,全氟代乙基乙烯基醚PEVE,全氟代丙基乙烯基醚PPVE及全氟代丁基乙烯基醚PBVE)。如(rú)用過硫酸鹽引發,在60℃進行(xíng)聚合,若用過氧化二琥珀酸引發,則在85~99℃進行(xíng)聚合;聚合壓力一(yī)般為(wèi)2.75MPa。乳液聚合物的(de)質量和(hé)加工性能不僅取決于聚合物的(de)相對分子(zǐ)量及分布,而且在很大程度上受初級粒子(zǐ)形狀、大小及分布的(de)影響。聚合時,通過控制乳化劑的(de)加入量和(hé)加入時間,使形成的(de)聚合物粒子(zǐ)始終在适當的(de)乳化劑的(de)包圍中,将預先聚合好的(de)分散液加入聚合體系中作為(wèi)種子(zǐ),單體在聚合種子(zǐ)上繼續聚合,随着反應的(de)進行(xíng),粒子(zǐ)不斷增大,粒子(zǐ)數目沒有(yǒu)增加。用這種方法得到适當大且均勻的(de)球狀聚四氟乙烯。
作為(wèi)改性劑的(de)共聚單體可(kě)在聚合過程的(de)任何時間加入,例如(rú)在TFE消耗掉70%時加入,此時的(de)PTFE顆粒內(nèi)芯是高(gāo)分子(zǐ)質量的(de)PTFE,而外殼是較低(dī)分子(zǐ)質量的(de)改性PTFE,因此,有(yǒu)30%質量的(de)外殼是共聚改性的(de)PTFE。改性過的(de)PTFE熔融粘度可(kě)比未改性的(de)降低(dī)50%。
乳液聚合得到的(de)聚四氟乙烯懸浮粒子(zǐ)為(wèi)球狀、疏水、帶負電的(de)粒子(zǐ),粒徑為(wèi)0.2~0.4μm,濃度為(wèi)14%~30%。既可(kě)以用電滲析法濃縮分散液,也可(kě)以通過加熱來濃縮分散液。加熱濃縮法原理(lǐ)是,利用聚氧乙烷醚類的(de)水溶性好且加熱到濁點溫度以上時具有(yǒu)分散作用特性,将聚四氟乙烯粒子(zǐ)帶到下層,達到濃縮的(de)目的(de)。将聚四氟乙烯分散液與非離(lí)子(zǐ)表面活性劑及碳酸铵按一(yī)定比例加入不鏽鋼濃縮釜中,加熱至60~65℃直到分層,下層為(wèi)濃度60 %以上的(de)聚四氟乙烯分散液,從濃縮釜底部放出,進行(xíng)再處理(lǐ);上層為(wèi)非離(lí)子(zǐ)表面活性劑的(de)水溶液;中間層為(wèi)兩者的(de)混合液,把這種混合液集中後在80~90℃再進行(xíng)分層回收。為(wèi)了配制樹脂含量為(wèi)60%左右、表面活性劑含量為(wèi)6%的(de)成品,在經濃縮的(de)聚四氟乙烯分散液中還需加入适量的(de)非離(lí)子(zǐ)表面活性劑,如(rú)TX-10等。先将待補加的(de)非離(lí)子(zǐ)表面活性劑溶于水中,在不斷攪拌下慢慢滴入濃縮的(de)聚四氟乙烯分散液中,最後加入氨水調節pH=10左右。經過上述處理(lǐ)的(de)聚四氟乙烯樹脂主要用于噴塗和(hé)浸漬等。用于成型電絕緣性要求高(gāo)的(de)聚四氟乙烯的(de)濃縮液,在濃縮前最好經過離(lí)子(zǐ)交換樹脂處理(lǐ),除去(qù)引發聚合時添加的(de)化學(xué)試劑和(hé)分解物的(de)離(lí)子(zǐ)雜質。
另一(yī)種聚四氟乙烯分散液的(de)處理(lǐ)方法是凝聚法,它是将聚四氟乙烯分散液用去(qù)離(lí)子(zǐ)水稀釋,放入帶有(yǒu)推進式攪拌器的(de)反應釜中進行(xíng)機(jī)械攪拌凝聚,直到樹脂脫水而全部上浮為(wèi)止,然後将浮在水上面的(de)樹脂用去(qù)離(lí)子(zǐ)水清洗和(hé)過濾,在100~150℃幹燥後備用。
2. 聚三氟氯乙烯
三氟氯乙烯(CTFE)可(kě)通過懸浮和(hé)分散聚合法在水相或非水液體中進行(xíng)均聚,也可(kě)與其他單體共聚(如(rú)乙烯和(hé)偏氟乙烯等),聚合方法可(kě)以是本體聚合、懸浮聚合、溶液聚合和(hé)乳液聚合。聚三氟氯乙烯(PCTFE)是三氟氯乙烯的(de)均聚物,聚合機(jī)理(lǐ)與聚四氟乙烯相似。
三氟氯乙烯的(de)乳液聚合在水介質中進行(xíng),選用堿金屬過硫酸鹽為(wèi)引發劑,用銀鹽作促進劑,添加促進劑的(de)目的(de)是為(wèi)了在不降低(dī)聚合物熔融黏度的(de)前提下提高(gāo)聚合速度。用5~20個碳的(de)全氟羧酸為(wèi)乳化劑,加入二氯苯或丙烯酸甲酯,可(kě)以得到0.18μm的(de)膠乳。反應體系的(de)配方為(wèi):150份去(qù)離(lí)子(zǐ)水、1份全氟辛酸、1份過硫酸鉀、0.1份7水合硫酸亞鐵、0.4份硫酸鈉。冷卻至-195℃并嚴格排除空氣,通入三氟氯乙烯,然後升溫至25℃,連續反應21h得到産物,産物經後處理(lǐ)即得純淨的(de)聚三氟氯乙烯。後處理(lǐ)方法與聚四氟乙烯相似。
三氟氯乙烯的(de)本體聚合,用0.01%~0.55%的(de)三氟乙酰基過氧化物為(wèi)引發劑,聚合溫度為(wèi)0~60℃,聚合速度與引發劑濃度的(de)0.7~0.8次方成正比關系,聚合活化能為(wèi)71.2J/mol。三氟氯乙烯的(de)懸浮聚合與四氟乙烯基本相同,用過硫酸鉀或亞硫酸氫鈉氧化還原體系為(wèi)引發劑,聚合速度與引發劑初始濃度的(de)0.8次方成正比關系。三氟氯乙烯的(de)溶液聚合與所用的(de)溶劑有(yǒu)關,不同溶劑聚合溫度和(hé)聚合反應的(de)活化能不同。溶液聚合時的(de)溶劑有(yǒu)氯仿、四氯化碳、全氟代二甲基環己烷、正己烷、環己烷、苯、甲苯、甲苯、正丁醇、3-丁醇等,由于産物的(de)相對分子(zǐ)質量低(dī),一(yī)般工業上不采用溶液聚合法。
3. 聚氟乙烯
聚氟乙烯(PVF)是氟乙烯的(de)均聚産物:
聚合機(jī)理(lǐ)屬自(zì)由基引發的(de)加成聚合,能生成頭-頭、尾-尾和(hé)頭-尾結合的(de)2種構型。氟乙烯的(de)聚合活性不如(rú)氯乙烯。與其他含氟乙烯相比,氟乙烯是一(yī)種不易聚合的(de)單體,一(yī)般在高(gāo)溫高(gāo)壓下,并且有(yǒu)聚合引發劑和(hé)催化劑的(de)共同作用或在γ射線的(de)作用下進行(xíng)懸浮聚合。這是因為(wèi)氟的(de)負電性高(gāo),氟乙烯的(de)沸點低(dī)而臨界溫度高(gāo),使它的(de)聚合需在高(gāo)壓下才行(xíng),就像乙烯的(de)聚合那樣。對于氟乙烯的(de)聚合過程來說,引發劑的(de)選擇至關重要,它不僅影響聚氟乙烯的(de)熱穩定性、潤濕性和(hé)加工性能,而且也對聚合溫度、壓力、時間、轉化率和(hé)産物的(de)分子(zǐ)量有(yǒu)直接影響。常用引發劑有(yǒu)過氧化苯甲酰、α, α′-偶氮二異丁腈、α, α′-偶氮-α, γ-二甲基戊腈、α, α′-偶氮-α, γ二異丁基聯甲苯酰鹽酸鹽、α, α′-偶氮-α, γ, γ三甲基戊腈、甲基戊腈、乙酐、β-丁酐、過硫酸铵等。氟乙烯的(de)聚合與反應溫度、壓力和(hé)雜質含量密切相關。以α, α′-偶氮-α,γ二異丁基聯甲苯酰鹽酸鹽為(wèi)引發劑時,在70~80℃聚合時轉化率最高(gāo)。随着壓力增加,引發劑的(de)效率和(hé)聚氟乙烯的(de)分子(zǐ)量随之增大。氟乙烯的(de)聚合方法可(kě)采用本體聚合和(hé)溶液聚合,但更多采用懸浮聚合和(hé)乳液聚合法。
(1)懸浮聚合法
在懸浮劑作用下讓液相氟乙烯懸浮在水中,在低(dī)于其臨界溫度下,用有(yǒu)機(jī)過氧化物如(rú)過氧化二碳酸二異丙酯作引發劑進行(xíng)聚合。懸浮反應也能用紫外線和(hé)離(lí)子(zǐ)輻射而激發聚合。懸浮劑是水溶性聚合物如(rú)纖維素酯、羧甲基纖維素、聚乙烯醇,及碳酸鎂、碳酸鋇之類的(de)無機(jī)物。
合成實例:不鏽鋼反應釜用N2置換,加入150質量份無乙炔的(de)氟乙烯單體,150質量份脫過空氣的(de)蒸餾水,0.150質量份的(de)2,2′-偶氮二異丁睛,在1h內(nèi)将反應液加熱到70℃并攪拌,在8.2 MPa壓力下保持18h,得到75. 8份白色聚氟乙烯樹脂。
(2) 乳液聚合法
氟乙烯乳液聚合時的(de)溫度和(hé)壓力可(kě)比懸浮聚合時低(dī)。在水乳液中聚合有(yǒu)利于移去(qù)反應熱,便于控制反應而提高(gāo)樹脂的(de)分子(zǐ)質量、反應速率和(hé)得率。乳化劑為(wèi)脂肪醇硫酸酯和(hé)磺酸酯、脂肪酸堿鹽。含有(yǒu)7~8個氟原子(zǐ)的(de)全氟代羧酸是氟乙烯乳液聚合時的(de)高(gāo)效乳化劑,它的(de)特點是形成膠束的(de)臨界含量低(dī),能确保聚氟乙烯的(de)熱性能和(hé)化學(xué)穩定性。
合成實例:在攪拌的(de)高(gāo)壓釜內(nèi)加人200質量份水,100質量份氟乙烯單體,0. 6質量份全氟代羧酸,0.2質量份過硫酸錢及3質量份水玻璃,加熱混合物至46℃,4.3MPa下保持8h後加人電解質,讓它破乳沉澱,即可(kě)得到産率高(gāo)達95%的(de)白色聚氟乙烯粉末樹脂。
(3) 本體聚合與接枝聚合
在劑量為(wèi)0. 13~1 Gy/s的(de)6oCo γ射線輻射下氟乙烯能本體聚合,38℃下的(de)聚合速率正比于射線的(de)照射量。氟乙烯也能用等離(lí)子(zǐ)體輻射聚合。氟乙烯與低(dī)密度聚乙烯、聚異丁烯、聚酰胺等在輻射下進行(xíng)接枝聚合。接枝共聚物的(de)密度高(gāo)于均聚物。氟乙烯與無氟單體接枝後,它的(de)粘接性、着色性和(hé)加工性能可(kě)明顯地(dì)得到改善。常用的(de)接枝單體有(yǒu)苯乙烯、甲基丙烯酸甲醋、醋酸乙烯醋、偏氯乙烯等,它們在6oCo γ射線或加速電子(zǐ)線輻射後都能發生聚氟乙烯接枝反應。
聚氟乙烯的(de)分解溫度比較低(dī),加工溫度接近于分解溫度,因此不能進行(xíng)熔融加工。在室溫下,聚氟乙烯沒有(yǒu)溶劑,隻有(yǒu)在100℃以上,才能找到合适的(de)溶劑,這兩大缺點限制了聚氟乙烯的(de)推廣應用。為(wèi)了克服這兩大缺點,通常有(yǒu)兩種改性方法:一(yī)是采用共混改性,通過與其他高(gāo)分子(zǐ)化合物(潛溶劑)共混,得到低(dī)熔點和(hé)熔融黏度的(de)複合材料;二是共聚改性,将氟乙烯單體與乙烯、丙烯、異丁烯、氯乙烯、四氟乙烯、偏氟乙烯、三氟氯乙烯和(hé)全氟丙烯等共聚得到不同性能的(de)共聚物,共聚物的(de)物理(lǐ)和(hé)力學(xué)性能取決于長(cháng)鏈中各個結構單元的(de)性能、相對數量和(hé)排列方式等。共聚物的(de)含氟量大于33%或氟乙烯成分在80%以上,仍能保持聚氟乙烯優異的(de)耐候性、耐溶劑性和(hé)耐吸水性等。
氟乙烯與偏氟乙烯共聚物的(de)熔點比聚氟乙烯低(dī),但是分解溫度有(yǒu)所提高(gāo)。當偏氟乙烯成分為(wèi)3%時,共聚物的(de)分解溫度與熔點之差有(yǒu)了改善,熱穩定性明顯提高(gāo),可(kě)以進行(xíng)熔融加工。共聚物的(de)結晶度為(wèi)75%時,其塗膜具有(yǒu)較好的(de)光澤。
氟乙烯與四氟乙烯共聚能得到結晶性聚合物,共聚物中四氟乙烯的(de)含量在0~75%之間,四氟乙烯含量增加,共聚物的(de)結晶結構仍與聚氟乙烯相似。四氟乙烯含量超過75%時,結構改變,出現多晶現象。四氟乙烯含量在15%~50%之間時,共聚物為(wèi)交替共聚。該共聚物可(kě)以用作耐熱塗料。
氟乙烯與六氟丙烯共聚物中,當六氟丙烯的(de)含量為(wèi)3.2%~5.3%(摩爾)時,具有(yǒu)良好的(de)熔融加工性能,可(kě)以在200℃下進行(xíng)擠壓成型加工,得到透明和(hé)熱穩定性好的(de)軟薄膜。0.5mm厚的(de)透明薄膜,拉伸強度為(wèi)30.6MPa,在175℃經過24h,拉伸強度仍高(gāo)達27MPa。
氟乙烯與醋酸乙烯酯共聚得到熔點較低(dī)的(de)共聚物,氟乙烯與醋酸乙烯酯摩爾比為(wèi)74.4∶25.6的(de)共聚物,可(kě)以配成分散型塗料,塗在鋁闆上,可(kě)以在≤200℃的(de)溫度下燒結,得到附着力很高(gāo)的(de)塗層。該塗層具有(yǒu)優良的(de)耐紫外線性能和(hé)較高(gāo)耐熱性能。
4. 聚偏氟乙烯
聚偏氟乙烯(PVDF) 又稱聚偏二氟乙烯,是由偏氟乙烯聚合而成。
與聚氟乙烯相似,也能生成頭-頭、尾-尾和(hé)頭-尾結合的(de)3種構型。偏氟乙烯可(kě)按乳液、懸浮、溶液及本體聚合法制得聚合物。本體聚合主要用于偏氟乙烯與乙烯及鹵代乙烯單體的(de)共聚反應。引發劑主要為(wèi)過硫酸鹽和(hé)有(yǒu)機(jī)過氧化物。用有(yǒu)機(jī)過氧化物作引發劑得到的(de)聚偏氟乙烯的(de)熱穩定性較高(gāo)。溫度升高(gāo)或壓力降低(dī)都能使聚合物的(de)分子(zǐ)量降低(dī),但是對聚合物的(de)鏈結構影響不明顯。
(1) 乳液聚合
偏氟乙烯的(de)乳液聚合一(yī)般采用氟系表面活性劑,如(rú)5~15個碳的(de)全氟羧酸鹽、ω-氯全氟羧酸鹽、全氟磺酸鹽、全氟苯甲酸類和(hé)全氟鄰苯二甲酸類等。另外還需加入鏈轉移劑和(hé)引發劑,鏈轉移劑起調節聚合物相對分子(zǐ)質量和(hé)聚合介質pH的(de)作用,引發劑可(kě)以是水溶性的(de),如(rú)過硫酸鹽,也可(kě)以單體溶解型的(de),即有(yǒu)機(jī)過氧化物,如(rú)二叔丁基過氧化物。
偏氟乙烯在攪拌反應器中進行(xíng)聚合反應後,通常生成粒徑為(wèi)0.25 μm的(de)球狀粒子(zǐ),在反應液中加人石蠟起穩定聚偏氟乙烯膠束的(de)作用。待反應結束後,傾掉石蠟過濾,清洗,幹燥,最後得到聚集成團、粒徑為(wèi)2~5 μm的(de)聚偏氟乙烯粉料。通過熔融擠出,再把這種聚偏氟乙烯粉料造粒成丸粒或方形的(de)粒料。
合成實例一(yī):在300 mL的(de)高(gāo)壓釜中加人100 mL去(qù)離(lí)子(zǐ)水及0. 4 g丁二酸過氧化物,抽掉高(gāo)壓釜中的(de)空氣,用液氮冷卻後加人35 g 偏氟乙烯,随後加人表面活性劑及由純氧化鐵還原而成的(de)鐵0.7 mg,加料結束後密閉高(gāo)壓釜,并把它置于電熱夾套之內(nèi),再把整個裝置放在水平搖動的(de)設備上,保溫于80℃和(hé)527 kPa壓力,進行(xíng)聚合反應。聚合反應結束後冷卻高(gāo)壓釜并抽空。得到穩定的(de)分散液後讓聚合物顆粒沉澱,過濾,并用水和(hé)甲醇洗滌,最終放人真空烘箱內(nèi)幹燥。
合成實例二:在3.7 L的(de)不鏽鋼反應器內(nèi),讓它先冷至15℃,加人740 g脫氣的(de)無離(lí)子(zǐ)水、2. 59 g的(de)過氧化二碳酸二異丙醋及13g全氟辛酸鈉,再加人少量的(de)水溶性鏈轉移劑,如(rú)氧化乙烯,經排除空氣和(hé)冷卻後,往反應器內(nèi)加入518. 4 g偏氟乙烯單體并攪拌,用循環油加熱反應器中盤管至75 ℃,在5h的(de)反應時間內(nèi)采用逐步壓人反應器的(de)方法加人13 g全氟辛酸鈉水溶液,周期性地(dì)往反應器內(nèi)注人水保持414 kPa的(de)壓力。反應結束後抽盡水,排空反應器,随後熔化凍結的(de)聚偏氟乙烯乳液,再經過濾、水洗,并在50℃真空烘箱內(nèi)幹燥。
(2)懸浮聚合
間歇式懸浮聚合偏氟乙烯的(de)主要目的(de)為(wèi)限制在反應器壁上沉積聚偏氟乙烯。以水溶性聚合物,如(rú)纖維素衍生物和(hé)聚乙烯醇作懸浮劑,在聚合時起減緩聚合物顆粒結團的(de)作用。有(yǒu)機(jī)過氧化物作聚合反應的(de)引發劑,鏈轉移劑控制聚偏氟乙烯的(de)分子(zǐ)質量,反應生成的(de)聚合物漿液中含有(yǒu)粒徑為(wèi)30~100μm的(de)聚偏氟乙烯粉料,經過濾與水分離(lí),再洗滌和(hé)幹燥即得聚偏氟乙烯樹脂。
合成實例:容積為(wèi)3.7 L的(de)帶攪拌器不鏽鋼反應器內(nèi)裝有(yǒu)擋闆和(hé)冷凝盤管,往反應器內(nèi)加人2 470 mL水,908 g偏氟乙烯和(hé)30 g的(de)水溶性甲基羟丙基纖維素溶液,5g過氧化三甲基乙酸叔丁酯,25℃下升壓至5.5 MPa,此時液相單體的(de)密度為(wèi)0.69 g/mL。将反應器升溫至55℃,升壓至13.8 MPa,在4h的(de)反應時間內(nèi)往反應器壓入800 mL水,以保持恒定的(de)壓力。反應結束後冷卻反應器,離(lí)心分離(lí)出聚合物,再用水洗淨,于真空烘箱內(nèi)幹燥,得到平均粒徑50~120μm的(de)球形顆粒。單體的(de)轉化率可(kě)達91%(質量計),聚偏氟乙烯的(de)相對分子(zǐ)質量為(wèi)5×104~3×105。
不同的(de)引發劑對聚偏氟乙烯的(de)産率影響不大,但對它的(de)相對分子(zǐ)質量有(yǒu)較大影響。異丙醇之類鏈轉移劑的(de)加入,可(kě)明顯降低(dī)聚偏氟乙烯分子(zǐ)質量。過氧化三甲基乙酸叔戊酯作為(wèi)引發劑的(de)效果不及過氧化碳酸二異丙酯,因為(wèi)其聚合物産率低(dī)。異丙醇特别是甲乙酮對偏氟乙烯的(de)聚合反應有(yǒu)負面影響,碳酸二乙酯作為(wèi)鏈轉移劑對聚合物的(de)産率沒有(yǒu)明顯影響。
(3)溶液聚合
偏氟乙烯能在飽和(hé)的(de)全氟代或氟氯代烴溶劑中聚合,這類溶劑能溶解偏氟乙烯和(hé)有(yǒu)機(jī)過氧化物引發劑,在均相中進行(xíng)聚合反應而生成的(de)聚偏氟乙烯不溶于溶劑,容易與溶劑分離(lí)。所用的(de)溶劑沸點必須大于室溫,又能溶解單體和(hé)引發劑。含10個或更少碳原子(zǐ)的(de)全氟代烴或氟氯代烴,不論是單組分還是它們的(de)混合物,都有(yǒu)生成自(zì)由基的(de)傾向。為(wèi)了盡量降低(dī)聚合時壓力,所選溶劑的(de)沸點必須大于室溫,為(wèi)此應選用碳原子(zǐ)數大于1個的(de)氟代或氟氯代烴,合适的(de)溶劑有(yǒu)一(yī)氟三氯甲烷、三氟一(yī)氯乙烷、三氟三氯乙烷等。引發劑的(de)質量分數為(wèi)單體0.2%~2.0%。可(kě)用的(de)有(yǒu)機(jī)過氧化物有(yǒu)二叔丁基過氧化物、叔丁基氫過氧化物及過氧化苯甲酰,聚合反應溫度為(wèi)90~120℃,壓力為(wèi)0.6~3.5 MPa。
合成實例:在裝有(yǒu)磁性攪拌器的(de)1L高(gāo)壓反應釜內(nèi),加人含十二烷酰過氧化物的(de)三氟三氯乙烷500 g,用N2置換反應釜後排空,加人160gVDF單體,在室溫下達到1.2 MPa壓力,加熱到120~125℃,保持20 h并攪拌。在聚合過程中最大壓力為(wèi)3.5 MPa,最小壓力為(wèi)0.6 MPa,單體的(de)轉化率達99.1 %。生成的(de)PVDF熔點達169℃。
偏氟乙烯也能輻射聚合,可(kě)免去(qù)聚合物受引發劑和(hé)其他組分的(de)污染。輻射源可(kě)采用60Co,照射量10.32C/(kg·h),在-40℃下聚合,所得的(de)聚偏氟乙烯熔點達175℃,而一(yī)般在水溶液中以化學(xué)引發劑引發聚合得到的(de)聚偏氟乙烯熔點為(wèi)152℃。
偏氟乙烯可(kě)與六氟丙烯(HFP)在水溶液中進行(xíng)共聚反應,根據反應混合物的(de)組成和(hé)聚合條件的(de)不同,在VDF/HFP共聚物中HFP的(de)摩爾分數可(kě)在1%~13%變化。若HFP的(de)摩爾分數達15%以上時,共聚物呈無定形。隻有(yǒu)低(dī)的(de)扭變模量,它在很寬的(de)溫度範圍內(nèi)呈現出沒有(yǒu)脆性的(de)橡膠特性。
偏氟乙烯可(kě)與六氟丙烯共聚實例:在300 mL的(de)高(gāo)壓釜中用N2置換,按序加人下列組分:含0.3g偏亞硫酸鈉的(de)水溶液15 mL,含0. 75 g全氟辛酸鉀的(de)水溶液90 mL(用質量分數5%的(de)KOH調節其pH至12),含0.75 g過硫酸鉀的(de)水溶液45 mL(pH=7)。往反應釜中加入12.4 g HFP(摩爾分數10%)和(hé)47.6 g(摩爾分數90%)的(de)VDF。密閉後反應釜裝在有(yǒu)機(jī)械搖動的(de)設備上搖動,并在50℃下絕熱共聚反應24 h。待反應結束後抽出未反應的(de)單體,在液N2下凝集膠乳,随後用熱水沖洗,濕餅在35℃的(de)真空烘箱中幹燥。取得的(de)共聚物中含6%(摩爾分數)HFP和(hé)94%(摩爾分數)VDF,經X射線衍射測得它呈高(gāo)結晶性;有(yǒu)良好的(de)耐有(yǒu)機(jī)溶劑性能,在體積比為(wèi)3︰7的(de)甲苯和(hé)異辛烷混合液中,于25℃ 7d僅溶脹4%,在發煙硝酸中25℃下浸7d也僅溶脹4%。
偏氟乙烯樹脂可(kě)以配成溶劑可(kě)溶型塗料、溶劑分散型塗料、水性塗料和(hé)粉末塗料。聚偏氟乙烯樹脂塗料是當前應用最廣泛的(de)氟樹脂塗料。美國(guó)杜邦公司在20世紀40年(nián)代首先研制成功聚偏二氟乙烯,美國(guó)Elf Atochem公司是首先向塗料(塗裝)工業和(hé)熔融加工業提供聚偏氟乙烯樹脂的(de)公司之一(yī),品牌為(wèi)Kynar 500,目前的(de)産量最大,此外還有(yǒu)Ausimant公司的(de)Hylar 5000和(hé)日本吳羽化學(xué)工業的(de)Kfpolymer。
利用Kynar樹脂配制塗料時,主要為(wèi)有(yǒu)機(jī)溶劑分散型,其配方包括KynaI樹脂、丙烯酸樹脂、改性劑、顔料、有(yǒu)機(jī)溶劑和(hé)其他助劑等。
5. 聚全氟乙丙烯
聚全氟乙丙烯,也稱氟塑料46(F46、FEP),是四氟乙烯和(hé)六氟丙烯的(de)共聚物。
聚全氟乙丙烯最早由美國(guó)杜邦公司于1956年(nián)開始推銷,商(shāng)品名為(wèi)Teflon FEP樹脂 (FEP為(wèi)氟化乙烯-丙烯)。随後,出現了另外一(yī)些商(shāng)品,如(rú)日本大金工業公司的(de)Neoflon,前蘇聯的(de)Texflon等。聚全氟乙丙烯可(kě)以采用本體聚合、溶液聚合和(hé)γ射線引發下的(de)高(gāo)壓共聚合法,但工業上多用懸浮聚合和(hé)乳液聚合法。
(1) 懸浮聚合法
四氟乙烯和(hé)六氟丙烯的(de)高(gāo)溫懸浮液聚合,可(kě)在采用槳式攪拌的(de)不鏽鋼高(gāo)壓釜中進行(xíng),聚合介質為(wèi)脫氧去(qù)離(lí)子(zǐ)水,引發劑為(wèi)過硫酸鹽,如(rú)過硫酸鉀、過硫酸铵等。
合成實例:圓柱形卧式高(gāo)壓反應釜中加人去(qù)離(lí)子(zǐ)水,反應釜中裝有(yǒu)槳式攪拌器和(hé)可(kě)通冷熱水的(de)夾套,釜內(nèi)抽真空;将水加熱到95℃,往水中加人質量分數為(wèi)0.1%的(de)過硫酸铵作引發劑。往反應釜充人HFP至1.7 MPa,保持95℃;待HFP和(hé)TFE成1︰3的(de)混合物時,釜內(nèi)充壓到4.5MPa,攪拌15 min;再補充新配制的(de)過硫酸铵,将它注射人釜。混合液在95℃下一(yī)直攪拌80 min後,停止攪拌,終止反應。抽空反應釜中的(de)氣體,得固體質量分數4.6%的(de)漿液,過濾水後幹燥。幹燥時把樹脂放在深度為(wèi)50mm的(de)鋁盤中,在350℃下加熱3h,産物即是TFE和(hé)HFP的(de)共聚物FEP,該FEP的(de)熔點280℃,熔體粘度7×10 -3Pa·s。
(2)乳液聚合
四氟乙烯和(hé)六氟丙烯的(de)乳液聚合,以全氟辛酸鹽或ω-氫全氟壬酸鉀為(wèi)乳化劑。聚合液組成為(wèi):過硫酸鉀引發劑3g、乳化劑2g、脫氧去(qù)離(lí)子(zǐ)水800mL和(hé)混合單體730~840g(六氟丙烯85%~89%,四氟乙烯11%~15%),用氫氧化鉀調節pH為(wèi)3.9~4.1,在聚合過程中補充四氟乙烯單體350~410g。聚合溫度為(wèi)66~67℃,聚合壓力為(wèi)2.5MPa,攪拌速度為(wèi)80r/min,産物含六氟丙烯為(wèi)15%~17%。
對乳液聚合,通過調節乳液酸度和(hé)機(jī)械攪拌方式與速度,使聚合物凝聚成細粉。通過加入固體聚合物20%~25%的(de)聚氧乙烷仲辛烷基苯基醚(TX-10)非離(lí)子(zǐ)表面活性劑,混合均勻後加熱至表面活性劑濁點以上時,保持一(yī)定時間,可(kě)以看到含TX-10的(de)乳液慢慢地(dì)沉降分層,得到濃縮的(de)聚全氟乙丙烯乳液,從不鏽鋼釜底閥門放出。濃縮乳液的(de)相對密度為(wèi)1.38~1.42,含量大于50%,用氨水調節pH為(wèi)10左右,再用去(qù)離(lí)子(zǐ)水稀釋至50%備用。
在采用過硫酸鹽為(wèi)引發劑時,在四氟乙烯和(hé)六氟丙烯的(de)共聚過程中,由于鏈的(de)引發和(hé)終止階段會産生大量端羧基,這些末端基團的(de)穩定性很低(dī),在聚合物在加工溫度下會産生帶腐蝕性的(de)氣體HF等,不僅使産品內(nèi)有(yǒu)氣泡影響産品質量,而且腐蝕加工設備。為(wèi)了避免和(hé)減少上述現象的(de)産生,必須對共聚物進行(xíng)後處理(lǐ),以脫除低(dī)分子(zǐ)化合物和(hé)末端不穩定基團。具體方法如(rú)下:
① 濕熱處理(lǐ)。這是一(yī)種較早使用的(de)方法。聚全氟乙丙烯樹脂與熱水作用能脫去(qù)不穩定的(de)端羧基—COOH,生成穩定的(de)—CF2H端基。若在聚全氟乙丙烯樹脂的(de)熱水浴中加入堿或堿性鹽,則可(kě)加速—CF2H的(de)生成。可(kě)選用在熱水溫度下仍是穩定的(de)堿性化合物,如(rú)NH3,堿金屬及堿土金屬的(de)氫氧化物。它們的(de)用量取FEP樹脂質量的(de)1×10 -4~6×10 -4。
② 擠出時加少量水處理(lǐ)。聚全氟乙丙烯樹脂中的(de)不穩定端基在雙螺杆擠出機(jī)中受到熔融剪切作用時能部分消除,如(rú)在240~450℃下剪切速率達500~700 s-1時,聚全氟乙丙烯樹脂的(de)揮發物指數可(kě)降至10以下。若把少量的(de)水加入擠出機(jī)的(de)加料段,讓聚全氟乙丙烯樹脂分子(zǐ)中的(de)—COF水解成—COOH,而—COOH因不耐氟的(de)作用而被消除,這也是一(yī)種氟化處理(lǐ)的(de)辦法,具有(yǒu)改善聚全氟乙丙烯樹脂擠出物色澤的(de)作用。
③ 氟化穩定處理(lǐ)。聚全氟乙丙烯樹脂的(de)氟化穩定處理(lǐ)可(kě)在改進的(de)雙圓錐型混合器內(nèi)進行(xíng)。它裝有(yǒu)進出氣口和(hé)電熱罩,以5r/min的(de)速度旋轉氟化器并加熱,抽盡空氣後充入體積比為(wèi)1︰3的(de)F2,N2混合氣,過一(yī)定時間後停止加熱,終止氟化反應。之後充入大量N2進行(xíng)清洗,清除氟化器內(nèi)F2。氟化處理(lǐ)後聚全氟乙丙烯樹脂的(de)不穩定基團明顯降低(dī),顆粒變白。
④ 選用鏈轉移劑。在以過氧化物為(wèi)引發劑的(de)聚合過程中,選用合适的(de)鏈轉移劑,如(rú)異戍烷等,不僅可(kě)以提高(gāo)共聚物的(de)分子(zǐ)量,而且可(kě)以使離(lí)子(zǐ)型末端基團與異戊烷反應生成非離(lí)子(zǐ)型末端基團,從而改善了共聚物的(de)熱穩定性和(hé)加工性,由此得到的(de)聚全氟乙丙烯具有(yǒu)很好的(de)柔性;
⑤ 熔融脫羧。将聚全氟乙丙烯清洗幹淨後,在150℃幹燥,在350~400℃熔融0.15~30h,除去(qù)揮發至含量低(dī)于0.2%。若在含水蒸氣為(wèi)2%~20%空氣中加熱聚合物至360~380℃,揮發物完全脫除,羧酸端基變為(wèi)—CF2H。經過高(gāo)溫熔融處理(lǐ)過的(de)樹脂具有(yǒu)較高(gāo)的(de)熱穩定性、化學(xué)穩定性和(hé)介電性,适合于進行(xíng)擠壓成型。
在0~280℃和(hé)0.98MPa條件下,采用ω-氫十二氟庚酰過氧化物或3,5,6-三氯全氟己酰過氧化物為(wèi)引發劑,可(kě)以避免分子(zǐ)鏈端羧基的(de)生成,減少後處理(lǐ)工序。在介質中加入三氟三氯乙烷溶劑,可(kě)以增加單體中的(de)溶解度。利用該法生産的(de)聚合物中無端羧基,而且熔融黏度不随加熱時間而變化,具有(yǒu)良好的(de)熱穩定性。采用先加溶劑後加水的(de)方法可(kě)以提高(gāo)聚合速度。
6. 乙烯-四氟乙烯共聚物
乙烯與四氟乙烯共聚物(ETFE)是繼聚四氟乙烯和(hé)聚全氟乙丙烯後開發的(de)第三大氟樹脂品種,也是第二種含四氟乙烯的(de)可(kě)熔融加工聚合物,是乙烯(E)和(hé)四氟乙烯(TFE)共聚産物。
合成實例:四氟乙烯與乙烯容易以接近等量的(de)比共聚。在高(gāo)壓釜中加入1 960質量份特丁醇和(hé)40質量份水,釜內(nèi)充N2,加入1質量份過硫酸铵,密閉反應釜後把質量分數分别為(wèi)88.5%和(hé)11.5%的(de)四氟乙烯和(hé)乙烯混合氣體壓入反應釜內(nèi),升壓至1.4 MPa,攪拌并加熱到50℃。在整個反應過程中由補加四氟乙烯78%(質量分數)的(de)混合氣體,使釜內(nèi)壓力保持在2.1 MPa,反應1h後停加單體,冷卻反應釜并釋放掉殘留的(de)氣體。在反應介質中生成的(de)産物是膏狀的(de)聚合物,蒸餾除去(qù)特丁醇,過濾,150℃下幹燥,最後可(kě)得到細分散的(de)乙烯-四氟乙烯粉末共聚物,內(nèi)含四氟乙烯79.1 %(質量分數)。
乙烯-四氟乙烯共聚物的(de)熔點随四氟乙烯比例的(de)增大而降低(dī),熔體流動質量速率卻增加,同時四氟乙烯比例增大後共聚物的(de)拉伸強度降低(dī),表示共聚物的(de)分子(zǐ)質量有(yǒu)所降低(dī)。
乙烯與四氟乙烯容易形成交替共聚物,共聚物的(de)熔點接近熱分解溫度,在加工過程中容易氧化分解,引起聚合物變色、起泡和(hé)龜裂。為(wèi)了改善乙烯與四氟乙烯共聚物的(de)熱穩定性,因此需用第三單體改性。常用的(de)第三單體是乙烯基單體,如(rú)全氟代烷基乙烯基醚,全氟代烷基乙烯等。第三單體能構成共聚物的(de)主鏈,但不含産生鏈轉移阻止聚合的(de)作用。乙烯-四氟乙烯共聚物的(de)最低(dī)熔融粘度于300℃下,必須大于0.5 kPa·s,才有(yǒu)一(yī)定的(de)拉伸強度,但為(wèi)了能熱熔性加工,在300℃下熔融粘度不得大于500 kPa·s。含有(yǒu)48.8% 四氟乙烯、48.8%乙烯和(hé)2. 4%全氟代丙基乙烯基醚(PPVE)(摩爾分數)的(de)乙烯-四氟乙烯共聚物其熔點為(wèi)255℃,在300℃的(de)熔融粘度為(wèi)73kPa·s。彎曲疲勞壽命16 300次。
六氟丙烯也能用做(zuò)四氟乙烯和(hé)乙烯共聚物的(de)調聚單體,加入5%(質量分數)六氟丙烯後能明顯提高(gāo)共聚物在高(gāo)溫下的(de)耐應力開裂性。
7. 四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物
四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)被公認為(wèi)是聚四氟乙烯的(de)可(kě)熔加工的(de)最好替代品,它的(de)許多性能除與聚全氟乙丙烯相類似外,還具有(yǒu)熔點較高(gāo)(290~310℃)、加工性好和(hé)在較高(gāo)的(de)使用溫度下力學(xué)性能優良等優點。另外,還具有(yǒu)耐應力龜裂和(hé)屈撓壽命長(cháng)等特點。
四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚反應很容易得到高(gāo)分子(zǐ)量的(de)共聚物,在共聚物中全氟代烷基乙烯醚通常僅含百分之幾。共聚反應分為(wèi)溶液聚合、乳液聚合和(hé)懸浮液聚合三種,目前工業上多采用乳液聚合法。溶液聚合過程中,溶劑為(wèi)全氟烷烴,也可(kě)以是CCl3F、CHClF2和(hé)CCl2FCClF2等非金屬烷烴。在乳液或懸浮聚合中采用水或添加了氟烷烴的(de)水作溶劑。引發劑可(kě)以采用能溶解于氟烷烴的(de)有(yǒu)機(jī)過氧化物,也可(kě)以采用過硫酸铵之類的(de)水溶性過氧化物。
(1)溶液聚合
1960年(nián)發現四氟乙烯能在鹵代溶劑中與其他氟化單體共聚合。含H,Cl,Br及不飽和(hé)碳碳鍵的(de)有(yǒu)機(jī)溶劑與四氟乙烯反應時,因為(wèi)自(zì)由基提取了這些有(yǒu)機(jī)溶劑中的(de)H,C1和(hé)Br原子(zǐ)而産生鏈轉移,所以隻能生成低(dī)分子(zǐ)質量的(de)蠟狀脆性固體聚合物。因此隻有(yǒu)用飽和(hé)的(de)全氟代化合物作溶劑才行(xíng)。
合成實例一(yī):以全氟代二甲基環丁烷作溶劑,以過氧化物和(hé)偶氮化合物作聚合引發劑,在裝有(yǒu)攪拌器的(de)高(gāo)壓反應釜中,把該溶劑作為(wèi)反應介質充至反應釜容積的(de)60%,讓一(yī)定量的(de)全氟烷基乙烯基醚單體溶解在該溶劑內(nèi),升溫至60℃并攪拌,然後把四氟乙烯單體壓入,再加入少量的(de)(10-4mol)、以N2稀釋過的(de)F2,引發聚合反應。在聚合過程中,保持60℃和(hé)攪拌,然後冷卻反應器并抽空後即可(kě)得到固體聚合物。該聚合物在350℃下加 成薄膜,該薄膜呈無色透明且有(yǒu)韌性。
合成實例二:四氟乙烯和(hé)全氟烷基乙烯基醚在含H,Cl和(hé)F的(de)鹵代溶劑中共聚,所用的(de)溶劑必須在聚合時呈液體狀,計有(yǒu)F11(CCl3F), F12(CCl2F2), F22(CClF2H),F112 (CCl2FCC12),F113 (CCl2FCClF2)和(hé)F114(CC1F2CClF2 ),其中F113的(de)效果最好。使用一(yī)種低(dī)溫引發劑,溶于單體溶劑溶液內(nèi)須在85℃以下,若超過85℃溶劑就會起調聚劑的(de)作用。連續地(dì)加入四氟乙烯和(hé)共聚單體,維持釜內(nèi)一(yī)定的(de)壓力,在攪拌下進行(xíng)反應。以雙全氟代丙酰基)過氧化物作引發劑。聚合反應時不加表面活性劑,屬懸浮聚合法。
(2)乳液聚合
四氟乙烯和(hé)全氟烷基乙烯基醚在水溶液中的(de)共聚反應須加入少量的(de)氟碳溶劑,否則聚合物的(de)性能很差,而且氟碳溶劑的(de)加入能提高(gāo)聚合速度,但聚合物的(de)分子(zǐ)質量分布較寬。在聚合反應時加入氣相的(de)鏈轉移劑,如(rú)甲烷、乙烷和(hé)氫氣等,一(yī)方面使相對分子(zǐ)質量分布變窄,另一(yī)方面使分子(zǐ)鏈末端生成二氟甲基而不是羧基,提高(gāo)聚合物的(de)熱穩定性。聚合反應的(de)引發劑可(kě)用過硫酸铵,表面活性劑用全氟代辛酸铵。聚合反應在不鏽鋼高(gāo)壓釜中進行(xíng)。
合成實例:将高(gāo)壓釜密閉抽真空,并用四氟乙烯置換空氣後在反應釜中加入去(qù)離(lí)子(zǐ)水、碳酸铵和(hé)乳化劑,乳化劑為(wèi)10%的(de)全氟-2,5二甲基-3,6二氧雜壬酸铵鹽的(de)水溶液。攪拌,升溫,達到溫度後用四氟乙烯将全氟丙基乙烯基醚和(hé)三氟三氯乙烷壓入反應釜,加壓至比預定壓力低(dī)1.96MPa為(wèi)止。待溫度和(hé)壓力穩定後,再用四氟乙烯将引發劑壓入反應釜,加壓到預定壓力。反應中,壓力每降低(dī)0.098MPa,用四氟乙烯補充壓力,重複30次以後,停止攪拌,排除未反應的(de)單體,開釜,吸出乳液。用機(jī)械攪拌法使乳液凝聚得到白色粉末,然後用去(qù)離(lí)子(zǐ)水清洗、烘幹和(hé)在380℃加熱2~3h,可(kě)以得到白色發泡狀的(de)燒結共聚物。
8. 乙烯-三氟氯乙烯共聚物
乙烯(E)和(hé)三氟氯乙烯(CTFE)共聚生成乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)的(de)反應可(kě)在水或溶劑中進行(xíng)。1946年(nián),E和(hé)CTFE以過氧化苯甲酰作引發劑,在60~120℃,5MPa的(de)水溶液中共聚反應獲得成功。也可(kě)以在二氯四氟乙烷溶劑中共聚,引發劑可(kě)采用過硫酸铵或過硫酸鉀。聚合時的(de)溫度和(hé)壓力與共聚物的(de)分子(zǐ)質量有(yǒu)關。
合成實例:在帶攪拌器的(de)不鏽鋼反應釜中,用N2置換後加入25質量份純水和(hé)0.1質量份過氧化苯甲酰,然後加入40質量份三氟氯乙烯及10質量份乙烯,密閉反應器,開啓攪拌加熱至80℃;反應9h後冷卻反應器,排氣抽出反應産物,經洗淨幹燥後可(kě)得到7質量份白色的(de)乙烯-三氟氯乙烯共聚物粉末,它的(de)分子(zǐ)組成n(CTFE)︰n(E) =1.1︰1。将所得的(de)乙烯-三氟氯乙烯共聚物粉末粉末在190~200℃下壓制成韌性薄膜,具有(yǒu)能延伸至原來長(cháng)度3倍的(de)韌性。
乙烯和(hé)三氟氯乙烯聚合時,若采用氧化還原體系引發劑,反應溫度可(kě)低(dī)于以過氧化物作引發劑時的(de)溫度,得到的(de)共聚物為(wèi)線型分子(zǐ),不對稱點有(yǒu)序分布。這類引發劑還可(kě)回收利用,更為(wèi)經濟,它是有(yǒu)機(jī)金屬化合物及4價的(de)铯鹽。
合成實例:100質量份單體混合物中加入0.01~2質量份的(de)有(yǒu)機(jī)金屬化合物和(hé)0.001~1質量份的(de)铯鹽。反應溫度-60~20℃。該引發劑的(de)實例是Pb(C2H5)4和(hé)(NH4)2Ce(NO3)6 。在500 mL的(de)不鏽鋼反應釜中裝有(yǒu)攪拌和(hé)控溫夾套,反應釜淨化後在叔丁醇、水、甲醇質量比為(wèi)8︰1︰1的(de)混合溶劑中加入0.24 mL四乙基鉛,随後在200mL的(de)上述溶劑中加入0.69 g (NH4)2Ce(NO3)6 ,0.5 mL質量分數為(wèi)65%的(de)HNO3,把摩爾分數分别為(wèi)77%和(hé)23%的(de)乙烯和(hé)三氟氯乙烯的(de)混合單體加入反應釜內(nèi),保持壓力1.35 MPa,反應3 h後停止。可(kě)得到9 g 乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其中三氟氯乙烯的(de)摩爾分數39.5% ,熔點為(wèi)181~182。
在三氟氯乙烯和(hé)乙烯2種單體中加入不會發生鏈轉移反應的(de)第三單體生産乙烯-三氟氯乙烯共聚物的(de)調聚物。第三單體應是有(yǒu)如(rú)下結構的(de)乙烯基單體:R—CF==CF2,
R—O—CF==CF2。R為(wèi)含有(yǒu)2~10個碳原子(zǐ)的(de)環狀基團。碳原子(zǐ)的(de)多少決定側鏈的(de)長(cháng)短(duǎn),它賦于調聚物良好的(de)高(gāo)溫拉伸性能。較大的(de)側鏈能阻礙乙烯-三氟氯乙烯共聚物鏈段的(de)快速結晶,提高(gāo)産品的(de)透明性。最佳的(de)第三單體是全氟代化合物。調聚物的(de)熔體粘度為(wèi)S×105 Pa·s,在260℃,45.5 kPa剪切應力下熔融。
合成實例:在反應釜夾套中通人冷凍鹽水,讓它保持在0℃,反應釜內(nèi)通3次N2作淨化處理(lǐ)。将500 mL的(de)F113(1,1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷)連同調聚單體全氟代丙基乙烯基醚和(hé)一(yī)定量的(de)氯仿(鏈轉移劑)吸人反應釜內(nèi),以1 000 r/min速度攪拌,充N2保壓于440 KPa以排除F113中空氣。冷卻反應釜溫度至0℃,然後加人一(yī)定量的(de)三氟氯乙烯和(hé)乙烯。溶解于F113的(de)三氯乙酰過氧化物溶液(質量濃度為(wèi)0.02 g/mL)加入反應釜發生反應,一(yī)直反應至壓力降為(wèi)98~137 kPa,停止反應後取出反應物漿料,經過濾得到的(de)濾餅,用500 mL F113沖洗2次後打碎濾餅,并在以N2淨化過的(de)真空烘箱中于100~125℃幹燥過夜。該調聚物有(yǒu)最佳的(de)屈服強度、拉伸強度和(hé)斷裂伸長(cháng)率。
四、氟樹脂的(de)應用
經過近30年(nián)的(de)發展, 氟樹脂塗料已形成一(yī)系列以聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚全氟乙丙、氟烯烴共聚物等氟樹脂為(wèi)基料的(de)多種牌号和(hé)用途的(de)氟碳塗料。按形态的(de)不同可(kě)分為(wèi):水分散型、溶劑分散型、溶液蒸發型、可(kě)交聯固化溶液型、粉末塗料。按固化溫度的(de)不同可(kě)分為(wèi):高(gāo)溫固化型(180℃以上)、中溫固化型、常溫固化型。按組成塗料樹脂的(de)不同可(kě)分為(wèi):聚四氟乙烯(PTFE)塗料、聚三氟氯乙烯(PCTFE)塗料、聚氟乙烯(PVF)塗料、聚偏氟乙烯(PVDF)塗料、聚全氟丙烯(FEP)塗料、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)塗料、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚體(FEVE)塗料、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)塗料、氟橡膠塗料及各種改性氟樹脂塗料。
聚四氟乙烯分散液通過噴塗、浸漬、塗刷和(hé)電沉積等方式可(kě)以在金屬、陶瓷、木材、橡膠和(hé)塑料等材料表面上形成塗層,使這些材料表面具有(yǒu)防粘、低(dī)摩擦系數和(hé)防水的(de)優異性能,以及良好的(de)電性能和(hé)耐熱性能,大大拓寬了這些材料的(de)應用領域,提高(gāo)了材料的(de)使用效率。另外,聚四氟乙烯分散液還可(kě)以澆在光滑平面,經幹燥燒結後形成澆鑄薄膜。因此,聚四氟乙烯塗層的(de)應用日益廣泛,如(rú)用于生活中的(de)蒸鍋、竈具和(hé)電熨鬥等,橡膠工業上的(de)脫模器具等。聚四氟乙烯塗料本身對滲透和(hé)吸附物理(lǐ)過程的(de)抵抗能力比其他塗料好,但由于聚四氟乙烯塗料不能熔融流動,其塗層緻密性較差,孔隙率高(gāo),腐蝕介質将通過孔隙侵蝕基材。因此聚四氟乙烯塗料還不能用于制造防腐蝕塗層,但是作為(wèi)防腐蝕塗層的(de)底漆是有(yǒu)利的(de)。
聚全氟乙丙烯塗料主要作為(wèi)耐化學(xué)藥品侵蝕塗料和(hé)防粘塗料,如(rú)用于化工、醫療器械、醫藥工業設備、管道(dào)、閥門、儲槽和(hé)機(jī)械等防護塗裝。乙烯-四氟乙烯共聚物塗料的(de)應用與其塗層或薄膜的(de)特性有(yǒu)關,無針孔的(de)厚塗膜适用于防腐蝕領域,電氣性能好的(de)薄膜适用于電子(zǐ)計算機(jī)等絕緣,具有(yǒu)耐紫外線和(hé)耐候性的(de)塗膜可(kě)用于長(cháng)期保護高(gāo)速公路的(de)隔音壁等。聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物塗料具有(yǒu)優異的(de)耐蝕性能、不粘性能、電性能和(hé)耐候性能等。在化工和(hé)石油化工等等行(xíng)業中,用于強腐蝕介質,特别是在高(gāo)溫(200~250℃)和(hé)強酸、強堿、強氧化劑以及強極性溶劑介質條件下,管道(dào)、閥門、儲罐和(hé)其他設備的(de)防腐處理(lǐ),取得了令了滿意的(de)效果。作為(wèi)防粘塗料,廣泛應用于複印機(jī)熱輥及食品加工模具等。
聚氟乙烯樹脂可(kě)以制成粉末塗料、分散塗料,但是以分散塗料為(wèi)主。聚氟乙烯樹脂和(hé)顔料分散在高(gāo)沸點的(de)有(yǒu)機(jī)溶劑中制成發散液塗料,可(kě)以形成無孔的(de)塗層,主要應用于化工等領域設備的(de)防腐處理(lǐ)和(hé)戶外建築塗裝。
聚偏氟乙烯的(de)耐腐蝕性比聚氟乙烯好,但不如(rú)聚四氟乙烯。聚偏氟乙烯基本不溶于所有(yǒu)非極性溶劑,但能溶于烷基酰胺等強極性溶劑中,另外還可(kě)溶于酮類和(hé)酯類溶劑中。聚偏氟乙烯樹脂既可(kě)制成粉末塗料,直接用粉末靜電噴塗和(hé)流化床浸塗等方法塗覆,也可(kě)以将聚偏氟乙烯樹脂配成分散液進行(xíng)塗覆。聚偏氟乙烯塗料可(kě)作為(wèi)一(yī)種耐候性塗料使用,塗層具有(yǒu)很長(cháng)的(de)使用壽命,是一(yī)種超耐候性塗料,廣泛應用于建築鋁闆和(hé)再成型(二次成型)鋼闆(也稱金屬卷材)。
聚三氟氯乙烯塗料可(kě)以制成分散液塗料和(hé)粉末塗料,主要用于反應釜、熱交換器、管道(dào)、閥門、泵、儲槽等化工設備的(de)防腐蝕處理(lǐ)以及紡織、造紙等工業用各類滾筒的(de)防粘處理(lǐ)。乙烯-三氟乙烯共聚物塗料可(kě)以制成粉末塗料和(hé)懸浮液塗料,粉末塗料适合于靜電噴塗和(hé)流化床浸塗,塗膜對無機(jī)藥品具有(yǒu)良好的(de)耐蝕性,但是對有(yǒu)機(jī)溶劑比全氟樹脂差,耐熱性也比聚四氟乙烯低(dī)。主要用于反應器、泵、管道(dào)、閥門、氣體捕集器、液膜蒸餾器以及食品和(hé)藥物的(de)處理(lǐ)裝置等方面。
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