涂料化学 氟硅树脂.ppt

第九章 氟硅树脂 第一节 氟树脂 第二节 硅树脂 第三节 结 语 1 第九章 氟硅树脂 第一节 氟树脂 一、概 述 氟树脂又称氟碳树脂，是指主链或侧链的碳链上含有氟原子的合成高分子 化合物氟树脂可以加工成塑料制品（通用塑料和工程塑料），增强塑料（玻璃 钢等）和涂料等产品以氟树脂为基础制成的涂料称为氟树脂涂料，也称氟碳树 脂涂料，简称氟碳涂料 国际上，从氟塑料基础上发展起来的涂料品种主要有三种第一种是以美国 杜邦公司为代表的热熔型氟涂料特氟龙系列不粘涂料，主要用于不粘锅、不粘餐 具及不粘模具等方面；第二种是是以美国阿托-菲纳公司生产的聚偏氟乙烯树脂 （PVDF）为主要成分的建筑氟涂料，具有超强耐候性，主要用于铝幕墙板；第 三种是1982年日本旭硝子公司推出了Lumiflon牌号的热固性氟碳树脂FEVE， FEVE由三氟氯乙烯（CTFE）和烷烯基醚共聚制得，其涂料可常温和中温固化 这种常温固化型氟碳涂料不需烘烤，可在建筑及野外露天大型物件上现场施工 操作，从而大大拓展了氟碳漆的应用范围，主要用于建筑、桥梁、电视塔等难以 经常维修的大型结构装饰性保护等,具有施工简单、防护效果好和防护寿命长等 特点。

1995年以后，杜邦公司开发了氟弹性体（氟橡胶），以后又发展了液态 （包括水性）氟碳弹性体，产生了溶剂型和水性氟弹性体涂料 2 我国氟树脂涂料是在借鉴国外先进技术的基础上发展起来的，自20世纪90年 代初期引进日本旭硝子涂料树脂株式会社生产的常温固化氟碳树脂涂料，开始用 于上海高速公路、桥梁工程1990年代后期开始在国内建厂生产目前年生产 能力估计达到1.2万吨左右，已大量应用于防腐、高速公路、铁路桥梁、交通车 辆、船舶及海洋工程设施等领域 氟树脂之所以有许多独特的优良性能，在于氟树脂中含有较多的C—F键 氟元素是一种性质独特的化学元素，在元素周期表中，其电负性最强、极化率最 低、原子半径仅次于氢氟原子取代C—H键上的H，形成的C—F键极短，键能 高达486KT/mol（C—H键能为413KJ/mol, C—C键能为347KJ/mol），因此， C—F键很难被热、光以及化学因素破坏F的电负性大，F原子上带有较多的负 电荷，相邻F原子相互排斥，含氟烃链上的氟原子沿着锯齿状的C—C链作螺线型 分布，C—C主链四周被一系列带负电的F原子包围，形成高度立体屏蔽，保护了 C—C键的稳定。

因此，氟元素的引人，使含氟聚合物化学性质极其稳定，氟树 脂涂料则表现出优异的热稳定性、耐化学品性以及超耐候性，是迄今发现的耐候 性最好的户外用涂料，耐用年数在20年以上（一般的高装饰性、高耐候性的丙烯 酸聚氨醋涂料、丙烯酸有机硅涂料，耐用年数一般为5~10年，有机硅聚酯涂料 最高也只有10~15年） 3 二、氟树脂的合成单体 合成氟树脂的单体主要有四氟乙烯、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）是一种无色无嗅的气体，沸点-76.3℃，熔点-142.5℃， 临界温度33.3℃，临界压力4.02MPa，临界密度0.58g/cm3，在空气中0.1MPa 下的燃烧极限为14%~43%（体积分数）纯四氟乙烯极易自动聚合，即使在黑 暗的金属容器中也是如此，而且这种聚合是剧烈的放热反应，这种现象称为爆聚 在室温下处理四氟乙烯很不安全，运输时更是如此为安全起见，防止四氟乙 烯贮存时发生自聚现象，通常在四氟乙烯单体中加入一定量的三乙胺之类的自由 基清除剂，以防发生自聚 四氟乙烯的主要生产方法是以氟石（萤石）原料，使之与硫酸作用生成氟化 氢，氟化氢与三氯甲烷作用生成二氟一氟甲烷，高温下二氟一氟甲烷裂解生成四 氟乙烯，再经脱酸干燥提纯即得四氟乙烯。

CaF2 + H2SO4 —→ 2HF + CaSO4 CHCl3 +2HF —→ CHClF2 + 2HCl 4 2. 三氟氯乙烯 三氟氯乙烯（CTFE）在室温下是无色气体，有醚类气味，具中等毒性，沸 点-27.9℃，熔点-157.5℃，临界温度105.8℃，临界压力4.06MPa，临界密度 0.55g/cm3三氟氯乙烯遇HCl就生成1,1-二氯-1,2,2-三氟乙烷 氧气和液态三氟氯乙烯在较低温度下反应生成过氧化物，可以成为CTFE剧烈聚 合的引发剂，因此在CTFE安全贮存和运输时，若不加入阻聚剂就要除尽氧气 三氟氯乙烯可由1,1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷在500~600℃下气相裂解脱氯， 或催化脱氯合成而1,1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷由六氯乙烷与氟化氢反应制得： 在合成三氟氯乙烯的过程中会有许多副产物，包括一氯二氟乙烯、三氟乙 烯、二氯三氟乙烷、氯甲烷、二甲基醚及三氟氯乙烯的二聚体等，因此要通过 一系列的净化、蒸馏操作来提纯 5 3. 氟乙烯 氟乙烯（VF）在室温下是无色气体，有醚类的气味，具高度可燃性，沸点- 72.0℃，熔点-160.0℃，临界温度54.7℃，临界压力5.24MPa，临界密度 0.32g/cm3，液体密度（21℃）0.636g/cm3。

在空气中的燃烧极限为2.6% ~ 21.7%（体积分数）在常压下不溶于水，能微溶于二甲基甲酰胺和乙醇 氟乙烯的合成方法主要有以下几种： (1) 最早的合成法是将二氟一溴乙烷与锌粉反应，也可用碘化钾的醇溶液代 替锌粉 (2) 1,1-二氟乙烷在催化剂作用下裂解脱HF而生成VF (3) 1-氟-2-氯乙烷在1,2-二氯乙烷的存在下于500℃裂解生成氟乙烯 (4) 氟化氢与乙炔加成生成1,1-二氟乙烷，二氟乙烷再在铝酸盐作用下裂解 生成氟乙烯 6 (5) 氟化氢与乙烯加成把HF与含35%(体积分数)O2的乙烯按其量的比2︰1通 人催化剂碳层，于240℃下生成氟乙烯在碳层中含有铂和氯化亚铜作催化剂 (6) 氯乙烯氟化，氯被氟取代将HF和氯乙烯按其量的比3︰1的混合物加热 到370~380 ℃，催化剂用96%的γ-A12O3和4% Cr2O3(质量分数)由于氯乙烯价 廉，因此该法是制氟乙烯的实用方法 在贮存过程中，为防止氟乙烯自聚，须加人阻聚剂萜二烯，在氟乙烯单体聚 合前应蒸馏除去阻聚剂 4. 偏氟乙烯 偏氟乙烯 (VDF)室温下是可燃气体，无色无嗅，其相对分子质量64.05，沸点 （0.1MPa）-84℃，熔点-144℃，密度（23.6℃）0.617g/cm3，临界温度30.1℃ ，临界压力4.434MPa，临界密度0.417g/cm3。

在空气中爆炸极限（体积分数） 5.8%~20.3%偏氟乙烯在大于它的临界温度和临界压力时能发生高放热的聚合 反应 偏氟乙烯的合成方法，最为常用的有3种 (1) 三氟乙烷脱HF 将1,1,1-三氟乙烷气体通人镀铂的铁镍合金管中，加热到1 200℃，接触0.01 s后通入装有氟化钠的装置中脱去HF，然后把它收集在液氮槽中偏氟乙烯的沸 点-84℃，通过低温蒸发把它分离出来未反应的三氟乙烷升温至-47.5℃回收 7 (2) 乙炔加成HF，然后氯化，最后脱HC1 (3) 偏氯乙烯加成HF，再脱HC1： 将偏氯乙烯和HF通入真空下加热到300℃的CrC136H2O催化剂层中，使气体 的颜色从暗绿变成紫色，冷凝生成气体，在低温下分离偏氟乙烯 5. 六氟丙烯 六氟丙烯（HFP）在室温下是无色气体，具中等毒性沸点-29.4℃，熔点- 156.2℃，密度1.58 g/mL(-40℃)，临界温度85℃，临界压力32.5 MPa，临界密度 0.60 g/mL 六氟丙烯(HFP)的合成方法很多，可通过二氟一氯甲烷裂解、三氟甲烷裂解、 甲氟乙烯裂解、六氟一氯丙烷热分解、合氟丁酸的碱金属盐脱二氧化碳、八氟环 丁烷热分解、四氟乙烯与八氟环丁烷共热分解和聚四氟乙烯热分解合成。

工业上 常通过四氟乙烯(TFE)的热分解来制取把TFE以500g/(Lh)的速率通过镍铬铁的 合金管道，加热至850℃，于8 kPa压力下进行热解即可得到质量分数75%以上的 HFP，然后通过蒸馏得精HFP 8 HFP，然后通过蒸馏得精HFP 6. 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、 扩大用途的重要共聚单体，它能有效地抑制聚四氟乙烯（PTFE）的结晶过程， 降低其相对分子质量而有良好的机械性能PAVE作为改性剂优于HFP的是，它 有更好的热稳定性PAVE与TFE的共聚物具有PTFE同样优良的热稳定性 全氟代烷基乙烯基醚（PAVE）的合成以六氟丙烯(HFP)作原料，要经历以下 3步： (1) 六氟丙烯与氧化剂，如H2O2在碱性溶液中，在50~250℃，一定的压力下 反应生成六氟环氧丙烷(HFPO)： 9 (2) 六氟环氧丙烷与全氟代酰基氟反应生成全氟代2-烷氧基丙酰氟，是一个电 化学反应过程： Rf——全氟烃基 (3) 全氟代-2-烷氧基丙酰氟与含氧的碱性盐，如Na2CO3, Li2CO3, Na4B2O7 等在高温下反应合成全氟代烷基乙烯基醚，反应温度与碱性盐种类有关。

Rf——全氟烃基 全氟代烷基乙烯基醚中最常见的是全氟代丙基乙烯基醚（PPVE），其相对 分子质量266，沸点（0.1MPa）36℃，闪点-20℃，相对密度（23℃） 1.53g/cm3，蒸气密度（75℃）0.2g/cm3，临界温度423.58K，临界压力 1.9MPa，临界体积435mL/mol在空气中可燃极限体积分数为1% 10 三、氟树脂的合成 氟树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为常见 1. 聚四氟乙烯 聚四氟乙烯（PTFE）由四氟乙烯单体（TFE）聚合而成，聚合机理属自由 基聚合 聚合过程一般在水介质中进行，既可在30℃以下的低温下用氧化还原体系引发， 也可在较高温度下用过硫酸盐来引发以过硫酸钾K2S2O8作引发剂时，聚合机 理如下： （1）过硫酸钾加热分解成自由基： 11 (2)四氟乙烯溶解在水相中，与四氟乙烯反应生成新的自由基： (3) 链增长： (4) 自由基水解成羟端基和羧端基自由基： (5) 增长链终止，最终生成端羧基聚合物： 可见，用过硫酸盐作引发剂，生成端羧基聚四氟乙烯。

聚四氟乙烯的相对分子质 量可通过控制引发剂的用量，或加入调聚物及链转移剂等加以控制 12 工业上，一般采用悬浮聚合和乳液聚合来制备聚四氟乙烯这两种方法都是以 单釜间歇聚合的方式进行的 （1）悬浮聚合 悬浮聚合是在脱氧的去离子水介质中，在一定的温度和压力下强烈地搅拌进行 聚合时应在恒定的压力下进行，以控制聚合物的相对分子质量及分布聚合温度 保持在10~50℃，聚合压力由恒速地加入单体来控制引发剂既可用离子型的无机 引发剂，如过硫酸铵或过硫酸钾、过硫酸锂，也可用有机过氧化物如双（β-羧丙酰 基）过氧化物作引发剂引发剂的用量是水质量的210-6 ~ 510-4，确切的量取决 于聚合条件当其他条件恒定时，引发剂用量越多，则聚合物的相对分子质量越小 ，但引发剂的用量太少时产量降低聚合时放出大量的热量，聚合温度一般通过夹 套冷却水来控制为了操作安全，也为。