Перфторированные разветвленные трихлорсилоксаны для омнифобизации поверхностей
PERFLUORINATED BRANCHED TRICHLOROSILOXANES FOR OMNIPHOBISATION OF SURFACES

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области элементоорганической химии, в частности новым фторорганическим соединениям формулы I
7
15
2
3
3
где, R=CF, R'=(CH)SiCl, (R и R' - радикалы нормального строения),
к указанным соединениям для применения в качестве составов для обработки, стекла, бетона, кирпича, что увеличивает их сопротивляемость к разрушению, загрязнению, растрескиванию. Отличительной особенностью разработанной технологии является формирование на поверхностях омнифобного покрытия, имитирующего поверхность лотоса, с помощью исключительно низкомолекулярных соединений, без использования наночастиц. Поверхность лотоса обладает особой рельефной, шероховатой структурой, что наделяет ее свойством отталкивать большинство загрязнений. Подобные нанонеровности дают возможность добиться эффекта самоочистки покрытия, когда с поверхности легко удаляются не только капли влаги, как в случае гидрофобности, но и многие другие загрязнения. Нанесение такого покрытия называется омнифобизацией.
Уровень техники.
В литературе имеется описание перфторорганических органосилоксанов как гидрофобизаторов и омнифобизаторов и способов их получения.
Известен способ [1] получения и тестирования перфторациламинотриалкилэтоксисиланов в гидрофобизации поверхности посредством взаимодействия соответствующих фторангидридов с метиловым спиртом и последующим замещением метильной группы амином, содержащим триалкилэтоксисилильную группу. Поверхности, обработанные полученными веществами, были более гидрофобны, чем поверхности, обработанные известными гидрофобизаторами ГКЖ-95 и Дисбоксан-450. Однако лотосоподобных свойств такие поверхности не приобретают.
В литературе описаны способы обработки поверхности для придания им свойств лотоса, когда гидрофобность обеспечивается наноструктурой поверхности.
Известен способ [2] получения покрытий методом золь-гель технологии, когда формирующиеся силоксановые наночастицы осаждаются на поверхность, формируя супергидрофобное покрытие.
Совмещения данных подходов - создания лотосоподобной поверхности путем ее химической модификации перфторорганическими соединениями в литературе не описано.
Раскрытие сущности изобретения.
Предлагаются новые соединения общей формулы I,
2
3
RCONHC(CHOR')
7
15
2
3
3
где, R=CF, R'=(CH)SiCl, (R и R' - радикалы нормального строения).
Предлагается применение соединений формулы I как омнифобизаторов стекла. Способ применения - нанесение раствора омнифобизатора в петролейном эфире (или иных углеводородах) на омнифобизируюмую поверхность и растирание раствора по поверхности, выдерживание поверхности на воздухе 0.5 часа.
Осуществление изобретения.
N-перфтороктаноил-трис-триаллиловый эфир
4
К суспензии гидрида натрия (64 мг) добавляли раствор N-перфтороктаноил-триса (207 мг) в диметилформамиде (2,5 мл). Затем добавляли аллилбромид (173 мкл). Реакцию контролировали с помощью тонкослойной хроматографии, ТСХ, (гексан-этилацетат 1:1 с проявлением KMnO).
Через 3 часа добавляли новую порцию NaH (32 мг), затем диметилформамид (1,5 мл) и аллилбромид (69 мкл). Через 1,5 ч изменений на ТСХ не наблюдается в смесь добавляли 50 мл воды и 40 мл гексана. Органический слой промывали водой (2×40 мл), сушили над сульфатом натрия и упаривали.
Остаток (приблизительно 220 мг) хроматографировали на силикагеле в смеси гексан-этилацетат (1:1).
Выход целевого продукта 56%.
N-перфтороктаноил-трис-триаллиловый эфир (120 мг) растворяли в безводном тетрагидрофуране (400 мкл). Раствор помещали в стеклянную ампулу на 2 мл и тетрагидрофуран откачивали под вакуумом. Затем добавляли трихлорсилан (350 мг). Ампулу продували аргоном, запаивали, погружали в масляную баню и нагревали до 200°C. Смесь выдерживали при этой температуре в течение 60 ч, охлаждали до комнатной температуры, замораживали в жидком азоте, открывали и немедленно откачивали все летучие примеси под вакуумом.
Продукт получен в виде прозрачного масла, чрезвычайно чувствительного к влаге. Выход целевого продукта 100%.
Строение подтверждали 1H, 13C, 19F ЯМР.
7
15
2
3
3
Полученное соединение формулы I, где R=CF, R'=(CH)SiCl (соединение II), обладает следующими свойствами:
- чрезвычайная гигроскопичность;
- чрезвычайная чувствительность к любым гидроксильным группам, в том числе поверхностным, за счет моментальной реакции хлорсилильных групп с гидроксильными группами;
- особым структурным свойством соединения II является разветвленность строения, наличие трех трихлорсилильных групп и возможность образовать с поверхностью сразу 9 ковалентных связей за счет наличия в составе трех трихлорсилановых групп, а длинные «мостики», ведущие от трихлорсилановых групп к перфторированному радикалу, чисто геометрически блокируют возможность сплошной модификации поверхности, создавая разреженный, неоднородный рельеф из перфторуглеродных цепочек, имитирующий наноструктуры лотоса (рисунок 1).
Проведение экспериментов по омнифобизации.
Омнифобизация стекол:
4
4
10
8
Раствор соединения II в концентрации 0.1 мг/мл в петролейном эфире наносился на стеклянную поверхность (стекло марки М1), после чего растирался войлоком до сухого состояния. Через 0.5 часа на стекло наносили капли воды с взвесью частиц каолинита (Al[SiO](OH)) 5% по массе (имитация загрязнения) и измеряли угол наклона при котором капля скатывается с поверхности (угол скатывания). Эта величина характеризует меру сцепления с поверхностью и, соответственно, усилие, необходимое для самоочистки поверхности под действием таких воздействий как сила тяжести, тряска, ветер. Сравнение проводили с необработанным стеклом, со стеклом обработанным 0.1% раствором перфтордеканолом, и со стеклом обработанным перфтордеканоилтрихлорсиланом - аналогом соединения II, но с одной трихлорсилильной группой. Результаты приведены в таблице 1.
Согласно данным таблицы 1, для соединения II характерен наименьший угол скатывания капель взвеси по сравнению с остальными гидрофобизаторами.
Таким образом, техническим результатом является достижение наименьшего усилия, которое требуется для самоочищения поверхности, например при движении или обдувании ветром (как пример - ветровое стекло автомобиля), по сравнению с аналогами.
Список литературы
1. A.A. Yarosh et al. Mendeleev Communications 2006, 16(3):190-192
2. European Patent EP 0772514, 15.2.96, Selfcleansing surfaces of objects and methods for the production thereof.
Таблица 1. Угол скатывания капли взвеси каолинита при обработке стекла различными составами
Таблица 2. Водопоглощение кирпича при его обработке различными составами