化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (1): 479-486.DOI: 10.11949/0438-1157.20221490
• 材料化学工程与纳米技术 • 上一篇
唐茹意1(), 潘罕骞1, 郑侠俊2, 张广欣2, 汪星平2, 崔希利1,3(), 邢华斌1,3
收稿日期:
2022-11-15
修回日期:
2022-12-20
出版日期:
2023-01-05
发布日期:
2023-03-20
通讯作者:
崔希利
作者简介:
唐茹意(1998—),女,硕士研究生,tangry@zju.edu.cn
基金资助:
Ruyi TANG1(), Hanqian PAN1, Xiajun ZHENG2, Guangxin ZHANG2, Xingping WANG2, Xili CUI1,3(), Huabin XING1,3
Received:
2022-11-15
Revised:
2022-12-20
Online:
2023-01-05
Published:
2023-03-20
Contact:
Xili CUI
摘要:
具有功能性端基的全氟聚醚具有优异的化学稳定性及较强的加工可塑性,被广泛用于航天航空、电子、化工等领域。在其制备及应用过程中,基于核磁共振技术的结构表征和解析至关重要。然而由于全氟聚醚及其活性化合物的结构复杂、分子量大且分布较宽,因此在核磁测试中存在制样难、主链骨架结构和端基难以分辨和归属等问题,进而影响对全氟聚醚的定性定量分析。针对Z型惰性及活性全氟聚醚的结构解析,系统考察了不同种类氘代试剂和含氟助溶剂的复配、样品浓度、测试条件等因素的影响,探索得到较优的核磁样品制备条件;进一步分析了Z型全氟聚醚混合物的氟谱,确定了全氟聚醚的主链结构和端基的归属;利用端基分析法计算得到分子量及聚合度、两组分全氟聚醚混合物组成。
中图分类号:
唐茹意, 潘罕骞, 郑侠俊, 张广欣, 汪星平, 崔希利, 邢华斌. Z型全氟聚醚的结构表征[J]. 化工学报, 2023, 74(1): 479-486.
Ruyi TANG, Hanqian PAN, Xiajun ZHENG, Guangxin ZHANG, Xingping WANG, Xili CUI, Huabin XING. Structural characterization of Z-type perfluoropolyether[J]. CIESC Journal, 2023, 74(1): 479-486.
样品 | 组成 |
---|---|
Ⅰ | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF3 |
Ⅱ | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOK KOOCF2CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOK |
Ⅲ | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF3 F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH HOOCF2CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH |
Ⅳ① | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF3 F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH HOOCF2CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH |
表1 PFPE样品的组成情况
Table 1 Composition of PFPE samples
样品 | 组成 |
---|---|
Ⅰ | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF3 |
Ⅱ | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOK KOOCF2CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOK |
Ⅲ | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF3 F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH HOOCF2CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH |
Ⅳ① | F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF3 F3CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH HOOCF2CO—(CF2CF2O) p —(CF2O) q —CF2COOH |
样品 | 核磁溶剂 | 溶解情况 |
---|---|---|
Ⅰ | F113∶CDCl3=4∶1 | 良好 |
HFX∶CDCl3=4∶1 | 良好 | |
5FP∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
Ⅱ | F113∶CDCl3=4∶1 | 微溶 |
HFX∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
5FP∶CDCl3=4∶1 | 良好 | |
Ⅲ | F113∶CDCl3=4∶1 | 良好 |
HFX∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
5FP∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
Ⅳ | F113∶CDCl3=4∶1 | 微溶 |
表2 不同核磁溶剂对PFPE各样品的溶解情况
Table 2 Dissolution of PFPE samples in different NMR solvents
样品 | 核磁溶剂 | 溶解情况 |
---|---|---|
Ⅰ | F113∶CDCl3=4∶1 | 良好 |
HFX∶CDCl3=4∶1 | 良好 | |
5FP∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
Ⅱ | F113∶CDCl3=4∶1 | 微溶 |
HFX∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
5FP∶CDCl3=4∶1 | 良好 | |
Ⅲ | F113∶CDCl3=4∶1 | 良好 |
HFX∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
5FP∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | |
Ⅳ | F113∶CDCl3=4∶1 | 微溶 |
核磁溶剂 | 溶解情况 | 氟谱质量 |
---|---|---|
5FP∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
5FP∶ methanol-D4=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
5FP∶DMSO=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
5FP∶ acetone-D6=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
F113∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | 溶剂峰与端基峰部分重叠 |
F113∶CDCl3=5∶1 | 溶解一般 | 溶剂峰与端基峰部分重叠 |
F113∶CDCl3=6∶1 | 溶解较好 | 不能锁场 |
F113∶CDCl3=7∶1 | 溶解良好 | 不能锁场 |
CF3COOD | 溶解良好 | 清晰 |
表3 氘代试剂种类及其与含氟助溶剂的体积比对Z型PFPE(样品Ⅳ)的溶解情况
Table 3 Types of deuterated reagents and their volume ratio with fluorine-containing co-solvents on the dissolution of Z-type PFPE(sample Ⅳ)
核磁溶剂 | 溶解情况 | 氟谱质量 |
---|---|---|
5FP∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
5FP∶ methanol-D4=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
5FP∶DMSO=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
5FP∶ acetone-D6=4∶1 | 微溶 | 峰形不光滑 |
F113∶CDCl3=4∶1 | 微溶 | 溶剂峰与端基峰部分重叠 |
F113∶CDCl3=5∶1 | 溶解一般 | 溶剂峰与端基峰部分重叠 |
F113∶CDCl3=6∶1 | 溶解较好 | 不能锁场 |
F113∶CDCl3=7∶1 | 溶解良好 | 不能锁场 |
CF3COOD | 溶解良好 | 清晰 |
基团 | 序列 | 化学位移δ | 结构 |
---|---|---|---|
A1 | AAA; BAA | -88.31~-90.49 | —OCF2CF2O |
A2 | BAA; BAB | -90.50~-92.01 | —OCF2O |
B1 | ABA | -51.56~-53.21 | —OCF2CF2O |
B2 | ABB | -53.53~-54.55 | —OCF2CF2O |
B3 | BBB | -55.43~-56.18 | —OCF2O |
E | E | -124.95~-127.91 | —OCF2 |
F | F | -128.44~-131.82 | —OCF2 |
G1 | EA | -83.47~-84.91 | —OCF2CF2CF2 |
FA | -83.47~-84.91 | —OCF2CF2 | |
G2 | EB | -85.31~-86.72 | —OCF2CF2CF2 |
FB | -85.31~-86.72 | —OCF2CF2 | |
C1 | AC | -56.20~-56.93 | —OCF2CF2O |
C2 | BC | -57.56~-58.75 | —OCF2O |
D1 | AD | -79.70~-80.26 | —OCF2CF2O |
D2 | BD | -77.95~-78.48 | —OCF2O |
表 4 Z型PFPE的基团排列情况及相应的化学位移
Table 4 Group arrangement and corresponding chemical shifts of Z-type PFPE
基团 | 序列 | 化学位移δ | 结构 |
---|---|---|---|
A1 | AAA; BAA | -88.31~-90.49 | —OCF2CF2O |
A2 | BAA; BAB | -90.50~-92.01 | —OCF2O |
B1 | ABA | -51.56~-53.21 | —OCF2CF2O |
B2 | ABB | -53.53~-54.55 | —OCF2CF2O |
B3 | BBB | -55.43~-56.18 | —OCF2O |
E | E | -124.95~-127.91 | —OCF2 |
F | F | -128.44~-131.82 | —OCF2 |
G1 | EA | -83.47~-84.91 | —OCF2CF2CF2 |
FA | -83.47~-84.91 | —OCF2CF2 | |
G2 | EB | -85.31~-86.72 | —OCF2CF2CF2 |
FB | -85.31~-86.72 | —OCF2CF2 | |
C1 | AC | -56.20~-56.93 | —OCF2CF2O |
C2 | BC | -57.56~-58.75 | —OCF2O |
D1 | AD | -79.70~-80.26 | —OCF2CF2O |
D2 | BD | -77.95~-78.48 | —OCF2O |
基团 | 结构 | 分子量 | F原子个数 | 矫正方法 |
---|---|---|---|---|
D | — | MD=95 | 2 | 以SD=(SD1+SD2)为基准 |
A | — | MA=116 | 4 | SA=(SA1+SA2)/2 |
B | — | MB=66 | 2 | SB=(SB1+SB2+SB3) |
C | —O | MC=85 | 3 | SC=(SC1+SC2)/1.5 |
E | —CF2 | ME=216 | 4 | SE=SE/2 |
F | —CF2 | MF=166 | 2 | SF |
表5 Z型PFPE的19F NMR中各基团峰面积矫正方法
Table 5 Correction method for the peak area of each group in 19F NMR spectrum of Z-type PFPE
基团 | 结构 | 分子量 | F原子个数 | 矫正方法 |
---|---|---|---|---|
D | — | MD=95 | 2 | 以SD=(SD1+SD2)为基准 |
A | — | MA=116 | 4 | SA=(SA1+SA2)/2 |
B | — | MB=66 | 2 | SB=(SB1+SB2+SB3) |
C | —O | MC=85 | 3 | SC=(SC1+SC2)/1.5 |
E | —CF2 | ME=216 | 4 | SE=SE/2 |
F | —CF2 | MF=166 | 2 | SF |
基团 | 峰面积 | 矫正后峰面积 | 聚合度 |
---|---|---|---|
惰性端基C:—OCF3 | 4.13 | 4.13/1.5=2.75 | 端基峰面积均值: |
活性端基D:—CF2COOH | 2.18 | 2.18 | (2.75+2.18)/2=2.47 |
重复单元A:—CF2CF2O— | 103.81 | 103.81/2=51.91 | 聚合度p:51.91/2.47=21.02 |
重复单元B:—CF2O— | 47.62 | 47.62 | 聚合度q:47.62/2.47=19.28 |
重复单元E:—CF2 | 4.78 | 4.78/2=2.39 | 聚合度m:2.39/2.47=0.97 |
重复单元F:—CF2 | 2.56 | 2.56 | 聚合度n:2.56/2.47=1.04 |
表6 Z型PFPE混合物(样品Ⅲ)聚合度及分子量结果
Table 6 The results of polymerization degree and molecular weight of Z-type PFPE mixture (sample Ⅲ)
基团 | 峰面积 | 矫正后峰面积 | 聚合度 |
---|---|---|---|
惰性端基C:—OCF3 | 4.13 | 4.13/1.5=2.75 | 端基峰面积均值: |
活性端基D:—CF2COOH | 2.18 | 2.18 | (2.75+2.18)/2=2.47 |
重复单元A:—CF2CF2O— | 103.81 | 103.81/2=51.91 | 聚合度p:51.91/2.47=21.02 |
重复单元B:—CF2O— | 47.62 | 47.62 | 聚合度q:47.62/2.47=19.28 |
重复单元E:—CF2 | 4.78 | 4.78/2=2.39 | 聚合度m:2.39/2.47=0.97 |
重复单元F:—CF2 | 2.56 | 2.56 | 聚合度n:2.56/2.47=1.04 |
图4 两组分Z型活性PFPE羧酸钾盐(样品Ⅱ)19F NMR谱图及其端基峰积分结果
Fig. 4 19F NMR spectrum of two-component Z-type functionalized PFPE carboxylate potassium salt (sample Ⅱ) and integration results of its end-group peaks
端基种类 | 化学位移δ | 基团 | 积分面积 | 矫正后 积分面积和 |
---|---|---|---|---|
惰性端基C | -55.80~-56.20 | —OCF2CF2 | 0.61 | 0.58 |
-57.31~-57.84 | —OCF2 | 0.26 | ||
活性端基D | -77.98~-78.27 | —OCF2O | 1.00 | 1.99 |
-79.70~-79.97 | —OCF2CF2O | 0.99 |
表7 两组分Z型活性PFPE羧酸钾盐(样品Ⅱ)端基峰积分结果
Table 7 Integral results of end-group peaks of two-component Z-type active PFPE carboxylate potassium salt (sample Ⅱ)
端基种类 | 化学位移δ | 基团 | 积分面积 | 矫正后 积分面积和 |
---|---|---|---|---|
惰性端基C | -55.80~-56.20 | —OCF2CF2 | 0.61 | 0.58 |
-57.31~-57.84 | —OCF2 | 0.26 | ||
活性端基D | -77.98~-78.27 | —OCF2O | 1.00 | 1.99 |
-79.70~-79.97 | —OCF2CF2O | 0.99 |
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