JP4352125B2 - Method for producing fluorinated solid material and product thereof - Google Patents
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Description
本発明は、フッ素化固体材料の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、極安定パーフルオロアルキルラジカルで表面処理することにより、表面をフッ素コートしたフッ素化固体材料を製造する方法に関するものである。
本発明は、固体材料の表面を表面処理して高機能性材料を製造するための表面機能化の技術分野において、近年、例えば、強靱性などの機械的特性に加えて、撥水性や耐摩耗性、耐薬品性、低摩擦特性、非粘着性などの高機能化も同時に求められるような極めて多岐にわたる新しい用途が広がっている中で、極安定パーフルオロラジカルをフッ素コート剤として使用して、環境への負荷が無く、ローエミッションのプロセスで、簡便に、かつ、再現性良く、その表面がフッ素コートされたフッ素化固体材料を製造することを可能とする新規フッ素化固体材料の製造方法を提供するものとして有用である。
The present invention relates to a method for producing a fluorinated solid material, more particularly, super-stable by surface treatment with perfluoroalkyl radicals, it relates to how to produce the fluorinated solid material whose surface is coated with fluorine It is.
In the technical field of surface functionalization for producing a highly functional material by surface-treating the surface of a solid material, in recent years, in addition to mechanical properties such as toughness, water repellency and wear resistance With the wide variety of new applications that require high functionality such as performance, chemical resistance, low friction properties, and non-adhesiveness, ultra-stable perfluoro radicals are used as fluorine coating agents. no environmental impact, in the process of low emissions, conveniently, and reproducibly, prepared how novel fluorinated solid material which allows the surface to produce a fluorinated solid material that is coated with fluorine It is useful as a thing to provide.
材料の高機能化は、その材料表面の高機能化によって効率的になされる。材料開発の表面機能化という分野では、例えば、耐摩耗性、耐酸化性などを有し、かつ高強度を有する材料に工業的な感心が寄せられている。また、材料表面の修飾による更なる高機能化が、その応用範囲の拡大を目指して検討されている。それらの中でも、材料のフッ素化処理による更なる高機能化は、その用途が、例えば、磁気記録媒体などのナノテクノロジー分野にも拡大するために特に重要視されている。 The enhancement of the function of the material is efficiently achieved by enhancing the function of the material surface. In the field of surface functionalization of material development, for example, industrial appreciation is given to materials having wear resistance, oxidation resistance, and the like and having high strength. In addition, further enhancement of functionality by modifying the material surface is being studied with the aim of expanding its application range. Among them, further enhancement of functionality by fluorination treatment of materials is particularly important because its application extends to the nanotechnology field such as magnetic recording media.
先行技術文献では、例えば、磁気記録媒体の強磁性金属薄膜上にDLC膜を形成するときに、炭化水素に加えてフッ化炭素化合物を含む放電ガスを用いてフッ素化する方法が提案されている(特許文献1、2参照)。また、同様な方法を用いて種々の磁気記録媒体にフッ素化したDLC膜を形成する方法が提案されている(特許文献3、4参照)。
In the prior art documents, for example, when a DLC film is formed on a ferromagnetic metal thin film of a magnetic recording medium, a method of fluorination using a discharge gas containing a fluorocarbon compound in addition to hydrocarbon is proposed. (See
特許文献以外にも、多くの文献に、フッ素化炭化水素をフッ素源として用い、フッ素化材料を作製する方法が提案されている(非特許文献1〜4参照)。しかしながら、これらの方法では、膜形成のための装置が複雑になることや実験条件の設定の難しさにあいまって、形状、大きさによる生成膜の性状の均一性や性状のコントロール、また、再現性の面で大きな障害がある。
In addition to patent literature, many literatures have proposed methods for producing fluorinated materials using fluorinated hydrocarbons as a fluorine source (see Non-Patent
フッ素ガスによる表面処理は、フッ素という極めて反応性の高い危険な物質を使うという欠点があるだけでなく、フッ素化により撥水表面だけでなく、親水性表面を形成したりする場合があり、反応の制御を再現性良く行うことが難しい。従って、当技術分野においては、安全で、簡単な方法で、再現性良く、固体表面をフッ素化することが可能な新しいフッ素化処理技術の開発が強く望まれていた。 Surface treatment with fluorine gas not only has the disadvantage of using a highly reactive and dangerous substance called fluorine, but it may form not only a water-repellent surface but also a hydrophilic surface by fluorination. It is difficult to perform control with good reproducibility. Therefore, development of a new fluorination treatment technique capable of fluorinating a solid surface in a safe and simple manner with good reproducibility has been strongly desired in this technical field.
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、安全で、簡単な方法で、再現性良く、しかも、環境への負荷が無い、ローエミッションのプロセスで固体表面をフッ素化することが可能な新しいフッ素化固体材料の製造方法を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、固体材料基材の表面を極安定パーフルオロアルキルラジカルと呼ばれる一群のパーフルオロ系の化合物で処理することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。
本発明は、固体材料の表面に撥水・撥油性や非粘着性などの高機能特性を付与するためのフッ素化処理を、その基材を全く犯すことが無い温和な条件で、簡単に、しかも安全に、再現性良く、環境に優しい方法で行うことを可能とする新規フッ素化固体材料の製造方法を提供することを目的とするものである。
Under such circumstances, in view of the above-described conventional technology, the present inventors formed a solid surface by a low-emission process that is safe and simple, has good reproducibility, and has no environmental impact. As a result of intensive research aimed at developing a new method for producing fluorinated solid materials that can be fluorinated, the surface of a solid material substrate is made of a group of perfluoro-based radicals called extremely stable perfluoroalkyl radicals. It has been found that the intended purpose can be achieved by treating with a compound, and further studies have been made to complete the present invention.
In the present invention, the fluorination treatment for imparting high-functional properties such as water repellency / oil repellency and non-adhesiveness to the surface of the solid material can be easily performed under mild conditions without violating the substrate at all. Moreover safely, reproducibly, it is an object to provide a manufacturing how novel fluorinated solid material which makes it possible to perform in an environmentally friendly manner.
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)固体材料基材の表面に、気相系及び/又は液相系で、パーフルオロ系の化合物に良く溶解し、化学的にも物理的にも極めて安定である極安定パーフルオロアルキルラジカルを反応させてESCAスペクトルによりフッ素化の進行していることが確認できるフッ素化処理を施して基材表面の水の接触角を変え、該基材表面に撥水性及び撥油性を付与した固体材料を製造する固体材料の製造方法であって、
1)極安定パーフルオロアルキルラジカルを、不活性媒体であるパーフルオロ系化合物に分散又は溶解させた溶液に、固体材料を浮遊又は沈めた状態で外部より熱を加えることにより反応させる、
2)極安定パーフルオロアルキルラジカルと、固体材料を密閉容器に入れ、熱を加えることにより反応させる、又は、
3)加熱した固体材料に、極安定パーフルオロアルキルラジカルを、そのままで、あるいは、これをパーフルオロ系化合物に分散又は溶解させた溶液を吹き付けることにより反応させる、
ことを特徴とする固体材料の製造方法。
(2)極安定パーフルオロアルキルラジカルが、パーフルオロ−2,4−ジメチル−3−イソプロピル−3−ペンチル、パーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチル、又はパーフルオロ−3−エチル−3,4−ジメチル−4−ヘキシルである、前記(1)に記載の撥水性及び撥油性を付与した固体材料の製造方法。
(3)固体材料が、金属、二成分以上の組成からなる金属の合金、無機系化合物、あるいはそれらの材料で被覆した材料、有機系の高分子、又はこれらの有機無機複合体、あるいはそれらの材料で被覆した材料のいずれかである、前記(1)又は(2)に記載の固体材料の製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) Extremely stable perfluoroalkyl radicals that are well-dissolved in perfluoro compounds in the vapor phase and / or liquid phase on the surface of a solid material substrate and are extremely chemically and physically stable. provide Reinforced the fluorination treatment can be confirmed that the proceeding of the fluorination changing the contact angle of water on the substrate surface by ESCA spectra were reacted to impart water repellency and oil repellency to the substrate surface solid a method of manufacturing a solid material you produce materials,
1) A reaction in which a very stable perfluoroalkyl radical is dispersed or dissolved in a perfluoro compound, which is an inert medium, by applying heat from outside in a state where the solid material is suspended or submerged, is caused to react.
2) Put a very stable perfluoroalkyl radical and a solid material in a sealed container and react by applying heat, or
3) The heated solid material is reacted with the extremely stable perfluoroalkyl radical as it is or by spraying a solution in which this is dispersed or dissolved in a perfluoro compound,
A method for producing a solid material.
(2) The extremely stable perfluoroalkyl radical is perfluoro-2,4-dimethyl-3-isopropyl-3-pentyl, perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl, or perfluoro-3. -The manufacturing method of the solid material which provided the water repellency and oil repellency as described in said (1) which is ethyl-3,4-dimethyl- 4-hexyl.
( 3 ) The solid material is a metal, a metal alloy composed of two or more components, an inorganic compound, or a material coated with these materials, an organic polymer, or an organic-inorganic composite thereof, or a combination thereof. is either coated material with a material, a manufacturing method of the solid material according to (1) or (2).
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、固体材料、すなわち、固体材料ないし固体材料基材の表面を極安定パーフルオロアルキルラジカルで表面処理することにより、表面にフッ素コートされた固体材料を製造することを特徴とするものである。本発明で用いる固体材料としては、好適には、例えば、鉄、アルミニウム、金、銀、白金などの金属、二成分又はそれ以上の組成からなる金属の合金、無機系化合物、例えば、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ホウ素などの炭化物系の無機物質、窒化ケイ素などの窒化物系の無機物質、カーボンナノチューブフラーレンなどの炭素同族体、金属酸化物及びそれらで被覆した表面、有機系の高分子又は無機有機複合体、又はそれらで被覆した表面などが例示されるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効のもの、あるいはこれらと類似のものであれば同様に使用することができる。また、本発明において、固体材料基材とは、これらの材料を任意の形状、構造に加工した部材を意味するが、本明細書では、これらを含めて固体材料と記載する。また、本発明で用いる極安定パーフルオロアルキルラジカルは、パーフルオロ系の物質であり、また、反応溶媒として用いる溶媒もパーフルオロ系の溶媒であるが、これらのパーフルオロ系の物質は、化学的に不活性であり、あらゆる固体材料と相互作用を起こさないために、固体材料基材に関する制約が生じることが無い。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention is characterized in that the surface of a solid material, that is, a solid material or a solid material base material, is surface-treated with an extremely stable perfluoroalkyl radical to produce a solid material whose surface is fluorine-coated. is there. As the solid material used in the present invention, for example, a metal such as iron, aluminum, gold, silver, or platinum, an alloy of a metal composed of two or more components, an inorganic compound such as silicon carbide, Carbide-based inorganic materials such as titanium carbide and boron carbide, nitride-based inorganic materials such as silicon nitride, carbon homologues such as carbon nanotube fullerene, metal oxides and surfaces coated with them, organic polymers or inorganics Examples thereof include organic composites or surfaces coated with them, but are not limited to these, and any of those having the same effect or similar to these can be used. Further, in the present invention, the solid material base means a member obtained by processing these materials into an arbitrary shape and structure. In the present specification, these are described as a solid material. The extremely stable perfluoroalkyl radical used in the present invention is a perfluoro-based substance, and the solvent used as a reaction solvent is also a perfluoro-based solvent. These perfluoro-based substances are chemically Inactive, and does not interact with any solid material, so there are no restrictions on the solid material substrate.
本発明では、極安定パーフルオロアルキルラジカルとして、基本的には、室温で化学的にも物理的にも安定なパーフルオロアルキルラジカルで、温和な条件(室温−150℃)、望ましくは(室温−120℃)でパーフルオロアルキルラジカルを徐々に発生するものが用いられる。このような性質のパーフルオロアルキルラジカルとしては、好適には、例えば、パーフルオロ−2,4−ジメチル−3−イソプロピル−3−ペンチル、パーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチル、パーフルオロ−3−エチル−3,4−ジメチル−4−ヘキシルなどが挙げられる。これらのうち、パーフルオロ−2,4−ジメチル−3−イソプロピル−3−ペンチル及びパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチルが、安価に、高い収率で合成できることから、また、パーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチルが、リサイクル使用が可能であることから、特に好ましい。 In the present invention, the extremely stable perfluoroalkyl radical is basically a perfluoroalkyl radical that is chemically and physically stable at room temperature, and is mild (room temperature-150 ° C.), preferably (room temperature- Those that gradually generate perfluoroalkyl radicals at 120 ° C. are used. The perfluoroalkyl radical having such properties is preferably, for example, perfluoro-2,4-dimethyl-3-isopropyl-3-pentyl, perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3- Examples include pentyl and perfluoro-3-ethyl-3,4-dimethyl-4-hexyl. Among these, since perfluoro-2,4-dimethyl-3-isopropyl-3-pentyl and perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl can be synthesized at low cost and in high yield, Perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl is particularly preferable because it can be recycled.
極安定パーフルオロアルキルラジカルの反応方法としては、例えば、(1)そのまま溶媒で希釈することなしに気相系で反応する方法、(2)溶媒で希釈して液相系で反応する方法、及び、(3)気相液相の両相が存在する系で反応する方法、により使用可能であり、どの反応方法を用いるかは、固体材料基材の性質によって適宜選択する。例えば、基材が金属であれば、基材ごと加熱し、加熱された基材表面に極安定パーフルオロアルキルラジカルをそのまま無希釈で、又はパーフルオロ系溶媒で希釈したものを、直接又は霧状にして吹きつける方法が用いられる。また、気相で基材の表面処理を行うには、基材を密閉容器に入れ脱気し、真空下で容器ごと適当な温度に加熱した後に、容器内に極安定パーフルオロアルキルラジカルを導入するか、又は極安定パーフルオロラジカルを導入してから容器に熱を加える方法が用いられる。このとき、表面処理は、好適には、例えば、真空下、あるいは、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの不活性気体が存在する中で実施される。 Examples of the reaction method of the extremely stable perfluoroalkyl radical include (1) a method of reacting in a gas phase system without diluting with a solvent as it is, (2) a method of reacting in a liquid phase system with dilution with a solvent, and (3) A method of reacting in a system in which both phases of a gas phase and a liquid phase are present, and the reaction method to be used is appropriately selected depending on the properties of the solid material substrate. For example, if the base material is a metal, the whole base material is heated, and a very stable perfluoroalkyl radical is directly diluted or diluted with a perfluoro solvent on the heated base surface. The method of spraying is used. For surface treatment of the substrate in the gas phase, the substrate is put in a sealed container, degassed, and the container is heated to an appropriate temperature under vacuum, and then an extremely stable perfluoroalkyl radical is introduced into the container. Alternatively, a method of applying heat to the container after introducing a very stable perfluoro radical is used. At this time, the surface treatment is preferably performed, for example, under vacuum or in the presence of an inert gas such as nitrogen, helium, argon, or xenon.
また、液相での表面処理は、極安定パーフルオロアルキルラジカルをパーフルオロ系の溶媒に溶解又は分散して行う。すなわち、基材を密閉容器に入れ、基材が全部液面に沈むように、又は液面の上に出る形で、極安定パーフルオロアルキルラジカルを溶解又は分散させたパーフルオロ系の溶媒を加え、密閉容器内部を完全に脱気した状態で容器を密閉し、外部から加温することで表面処理反応を行う。より簡便な方法としては、パーフルオロ系の溶媒として沸点が高いもの、例えば、市販されているEF−L102(沸点102℃)、FC−3283(沸点128℃)、EF−155(沸点155℃)、EF−L174(沸点174℃)、EF−L215(沸点215℃)などを用いることで、密閉系、あるいは還流条件下で、表面処理反応を行い得る。 The surface treatment in the liquid phase is performed by dissolving or dispersing a very stable perfluoroalkyl radical in a perfluoro solvent. That is, the base material is put in a sealed container, and a perfluoro solvent in which a very stable perfluoroalkyl radical is dissolved or dispersed is added so that the base material is completely submerged on the liquid surface or comes out above the liquid surface. The container is sealed with the inside of the sealed container completely deaerated, and the surface treatment reaction is performed by heating from the outside. As a simpler method, a perfluoro solvent having a high boiling point, for example, commercially available EF-L102 (boiling point 102 ° C.), FC-3283 (boiling point 128 ° C.), EF-155 (boiling point 155 ° C.) By using EF-L174 (boiling point 174 ° C.), EF-L215 (boiling point 215 ° C.) or the like, the surface treatment reaction can be performed in a closed system or under reflux conditions.
パーフルオロ系の溶媒は、いずれも市販されているか、あるいは工業的に利用されている一般的な化合物である。例えば、後記する実施例で用いたFC−72(パーフルオロヘキサンを主成分とする)、FC43(パーフルオロ−トリ−n−ブチルアミン)などは、工業的に生産されている。 All perfluoro solvents are commercially available or industrially utilized general compounds. For example, FC-72 (based on perfluorohexane), FC43 (perfluoro-tri-n-butylamine) and the like used in Examples described later are industrially produced.
極安定パーフルオロアルキルラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチルについては、ヘキサフルオロプロペン三量体のパーフルオロ−2,4―ジメチル−3−エチル−3−ペンテン及びパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−2−ペンテンの混合物を直接フッ素化することで合成することができる(K. V. Scherer, T. Ono, K. Yamanouchi, R. Fernandez, P. Henderson, J.
Am. Chem. Soc., 107, 718-719 (1985))。また、パーフルオロ−2,4−ジメチル−3−イソプロピル−3−ペンチルについては、パーフルオロ−2,4―ジメチル−3−イソプロピル−3−ペンテンを直接フッ素化することで合成することができる(小野他、特願2001−352474)。更に、パーフルオロ−3−エチル−3,4−ジメチル−4−ヘキシルについては、テトラフルオロエチレン五量体を直接フッ素化することで合成することができる(U.
Gross et al. J. Fluorine Chem. 76, 139-144 (1996))。
For the very stable perfluoroalkyl radical perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl, the hexafluoropropene trimer perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentene and It can be synthesized by direct fluorination of a mixture of perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-2-pentene (KV Scherer, T. Ono, K. Yamanouchi, R. Fernandez, P. Henderson, J.
Am. Chem. Soc., 107, 718-719 (1985)). Perfluoro-2,4-dimethyl-3-isopropyl-3-pentyl can be synthesized by directly fluorinating perfluoro-2,4-dimethyl-3-isopropyl-3-pentene ( Ono et al., Japanese Patent Application 2001-352474). Further, perfluoro-3-ethyl-3,4-dimethyl-4-hexyl can be synthesized by directly fluorinating a tetrafluoroethylene pentamer (U.
Gross et al. J. Fluorine Chem. 76, 139-144 (1996)).
上記ヘキサフルオロプロペン三量体のパーフルオロ−2,4―ジメチル−3−エチル−3−ペンテン及びパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−2−ペンテンの混合物は、文献(W. Dmowski, W. T. Flowers, R. N. Haszeldine, J. Fluorine Chem., 9, 94-96 (1977) )に記載の方法で合成することができる。 A mixture of the hexafluoropropene trimer perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentene and perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-2-pentene is described in the literature (W. Dmowski , WT Flowers, RN Haszeldine, J. Fluorine Chem., 9, 94-96 (1977)).
極安定パーフルオロアルキルラジカルであるパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチルについては、例えば、Schererらが、1985年に、ヘキサフルオロプロペン三量体(パーフルオロ−2,4―ジメチル−3−エチル−3−ペンテン及びパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−2−ペンテンの混合物)を直接フッ素化することで高収率に得られることを報告している(K. V. Scherer, T. Ono, K. Yamanouchi, R. Fernandez, P. Henderson, H.
Goldwhite, J. Am. Chem. Soc., 107, 718-719 (1985))。
Perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl, which is a very stable perfluoroalkyl radical, is described, for example, by Scherer et al. In 1985 in hexafluoropropene trimer (perfluoro-2,4 (A mixture of dimethyl-3-ethyl-3-pentene and perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-2-pentene) is reported to be obtained in high yield by direct fluorination ( KV Scherer, T. Ono, K. Yamanouchi, R. Fernandez, P. Henderson, H.
Goldwhite, J. Am. Chem. Soc., 107, 718-719 (1985)).
このラジカルは、温和な条件でβ開裂によりトリフルオロメチルラジカルを発生する性質がある。この性質のために、本ラジカルは、高分子合成におけるラジカル開始剤として使用可能であることが報告されている(例えば、K. V. Scherer, T. Ono, K. Yamanouchi, 米国特許第4626608号明細書)。また、フッ素にさえ反応しない極安定パーフルオロアルキルラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−イソプロピル−3−ペンチルを定量的な収率で合成できる方法が開発されている(小野他、特願2001−352474号)。このパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−イソプロピル−3−ペンチルも、温和な条件でβ開裂をしてトリフルオロメチルラジカルを発生する性質があることが知られており、高分子合成におけるラジカル開始剤としての利用に関する特許出願がなされている(小野他、特願2001−352475号)。 This radical has the property of generating a trifluoromethyl radical by β-cleavage under mild conditions. Because of this property, this radical has been reported to be usable as a radical initiator in polymer synthesis (eg, KV Scherer, T. Ono, K. Yamanouchi, US Pat. No. 4,626,608). . In addition, a method has been developed that can synthesize perfluoro-2,4-dimethyl-3-isopropyl-3-pentyl, a very stable perfluoroalkyl radical that does not react even with fluorine in a quantitative yield (Ono et al. Application No. 2001-352474). This perfluoro-2,4-dimethyl-3-isopropyl-3-pentyl is also known to have a property of generating a trifluoromethyl radical by β-cleavage under mild conditions. A patent application regarding use as an initiator has been filed (Ono et al., Japanese Patent Application No. 2001-352475).
これらの極安定ラジカルは、物理的に非常に安定であるだけでなく、化学的にも非常に安定であることから、従来、知られているペルオキシド系(W. H. Gumprecht, R. H. Dettre,
J. Fluorine Chem., 5, 245-263 (1975) )、又はニトロソ系(T. Umemoto,
A. Ando, Bull. Chem. Soc. Jpn., 59, 447 (1986))のトリフルオロメチルラジカル発生試薬のような爆発の危険性も無く、理想的なトリフルオロメチルラジカル発生試薬となり得ると考えられる。
These extremely stable radicals are not only physically very stable, but also chemically very stable, so that conventionally known peroxide systems (WH Gumprecht, RH Dettre,
J. Fluorine Chem., 5, 245-263 (1975)), or nitroso (T. Umemoto,
A. Ando, Bull. Chem. Soc. Jpn., 59, 447 (1986)) is considered to be an ideal trifluoromethyl radical generating reagent without the danger of explosion as the trifluoromethyl radical generating reagent. It is done.
一般に、基材表面をフッ素化することにより、非粘着性や撥水性などの高機能性を付与できることが知られている。従来、このような基材表面のフッ素化表面処理には、フッ素ガスを使う方法やプラズマ装置を使う方法などが知られているが、危険性、再現性などに問題がある上、複雑な装置を必要とする。高度に機能化したフッ素化固体材料を製造するためには、より簡便で、再現性が良く、安価に、安全に扱え、しかも環境負荷が無い、ローエミッションのプロセスによるフッ素化処理方法の開発が望まれる。 In general, it is known that high functionality such as non-adhesiveness and water repellency can be imparted by fluorinating the substrate surface. Conventionally, for such a fluorinated surface treatment of the substrate surface, a method using a fluorine gas or a method using a plasma apparatus has been known, but there are problems in terms of danger and reproducibility, and a complicated apparatus Need. In order to manufacture highly functionalized fluorinated solid materials, it is necessary to develop a fluorination treatment method by a low emission process that is simpler, more reproducible, cheaper, safe to handle, and has no environmental impact. desired.
含フッ素アルキルラジカルは、非常に反応性の高い反応活性種であるので、このような活性種を発生する試薬は、例えば、DLC膜を形成するsp2炭素に結合する可能性がある。このような背景のもとに、本発明者らは、極安定パーフルオロアルキルラジカルを用いて固体材料をフッ素化する方法について、表面のぬれに関する指標(水の接触角)を基に種々検討したところ、この方法が、上述の全ての問題をクリアすることが可能な理想的なフッ素化処理方法として使用可能であることを見出した。 Since the fluorine-containing alkyl radical is a highly reactive reactive species, there is a possibility that a reagent that generates such an active species binds to, for example, sp2 carbon that forms a DLC film. Against this background, the present inventors have studied various methods for fluorinating solid materials using extremely stable perfluoroalkyl radicals on the basis of an index (surface contact angle of water) relating to surface wetting. However, it has been found that this method can be used as an ideal fluorination treatment method capable of clearing all the above-mentioned problems.
含フッ素アルキルラジカルを発生する試薬には、パーフルオロアシルパーオキシドやN−パーフルオロアルキルーN−ニトロソスルホンアミド系の化合物などが考えられ、基材表面のフッ素化に適応できる可能性がある。しかしながら、これらの化合物は、化学安定性に問題があり、工業的に用いるのは危険である。上述の極安定パーフルオロアルキルラジカルは、化学的に極めて安定で、取り扱いが容易なパーフルオロアルキルラジカル発生試薬となり得る。また、パーフルオロ系の化合物であることから、パーフルオロ系の溶媒に溶解する。 Perfluoroacyl peroxide, N-perfluoroalkyl-N-nitrososulfonamide-based compounds, and the like are conceivable as reagents for generating fluorine-containing alkyl radicals, which may be applicable to fluorination of the substrate surface. However, these compounds have problems in chemical stability and are dangerous for industrial use. The above-mentioned extremely stable perfluoroalkyl radical can be a chemically extremely stable and easy-to-handle perfluoroalkyl radical generating reagent. Further, since it is a perfluoro compound, it is dissolved in a perfluoro solvent.
ここで、極安定パーフルオロアルキルラジカルが、パーフルオロ系の化合物に良く溶解することが本発明の方法において重要である。この性質のために、基材の液相での処理が可能になる。すなわち、パーフルオロ系の化合物は、化学的にも物理的にも極めて安定であることが知られており(A. V. Grosse and G. H. Cady, Ind. Eng. Chem.,
1947, 39, 367-374; D. D. Dixon and D.
G. Holland, Fed. Proc. 1975, 34, 1444-1448; K. C. Lowe, Sci.
Prog. 1997, 80, 169-193; J. G. Riess,
Chem. Rev. 2001, 101, 2797-2019, )、この化学的不活性性は、パーフルオロ系以外のあらゆる物質を溶解しないだけでなく、プラスチックなどの樹脂を溶解することも、膨潤させることもない。従って、基材が、樹脂を含む場合でも、全く問題なくパーフルオロ系の溶媒を用いて、液相での基材表面の改質が可能になる。パーフルオロ系の溶媒の不活性性は、極安定パーフルオロアルキルラジカルから温和な条件で発生するトリフルオロメチルラジカルに対する水素引き抜き反応によるラジカルの失活の可能性を与えない。従って、ラジカルーラジカル再結合による失活過程以外では、表面修飾のフッ素源として極めて有効に使われる反応場を提供できる。
Here, it is important in the method of the present invention that the extremely stable perfluoroalkyl radical is well dissolved in the perfluoro compound. This property allows processing in the liquid phase of the substrate. That is, it is known that perfluoro compounds are extremely stable both chemically and physically (AV Grosse and GH Cady, Ind. Eng. Chem.,
1947, 39, 367-374; DD Dixon and D.
G. Holland, Fed. Proc. 1975, 34, 1444-1448; KC Lowe, Sci.
Prog. 1997, 80, 169-193; JG Riess,
Chem. Rev. 2001, 101, 2797-2019,), this chemical inertness not only dissolves all materials other than perfluoro, but also dissolves and swells resins such as plastics. Absent. Therefore, even when the base material contains a resin, the base material surface can be modified in the liquid phase using a perfluoro solvent without any problem. The inertness of perfluoro-based solvents does not give the possibility of radical deactivation due to hydrogen abstraction reaction with trifluoromethyl radicals generated from mildly stable perfluoroalkyl radicals under mild conditions. Therefore, except for the deactivation process due to radical-radical recombination, it is possible to provide a reaction field that is extremely effectively used as a fluorine source for surface modification.
また、パーフルオロ系の溶媒は、人工血液(酸素運搬輸液)としての応用(L. Clark and F. Gollan, Science, 1966, 152, 1755-1756; 横山和正、津田良夫、酸素運搬輸液“フルオゾール”in 水島裕編DDS
の進歩、1995−96,東京:中山書店、1995, 228-231; 山内紘一、パーフルオロケミカル酸素運搬体の開発状況と展望、in人工臓器1994-96.東京:中山書店,1994,
22, 955-963;仲井邦彦、佐久間一郎、福島昭二、竹内由和、佐藤洋、北畠顕、人工血液, 2000, 8, 43-51)や微生物の培地(K. C.
Lowe, J. Fluorine Chem., 2002, 118, 19-26 )、液体呼吸(松田兼一、平澤博之、医薬の門、2000, 10,
287-294; 松田兼一、平澤博之、平山陽、救急医学、2002,
26, 1557-1562 )、あるいは臓器保存(E. Klar, Th
Kraus, P. Reuter, A. Mehrabi, L. P. Fernandes, M. Angelescu, M. M. Gebhard and Ch Herfarth,
Transplantation Proc., 1998, 30, 3707-3710)に利用されるほどに毒性が無いことが知られているが、これらの点も、実際の工業的な表面処理工程を構成するときに重要な点となる。
Perfluoro solvents are also used as artificial blood (oxygen-carrying infusion) (L. Clark and F. Gollan, Science, 1966, 152, 1755-1756; Kazumasa Yokoyama, Yoshio Tsuda, oxygen-carrying infusion “Fluozole” in Hiroshi Mizushima DDS
Progress, 1995-96, Tokyo: Nakayama Shoten, 1995, 228-231; Junichi Yamauchi, Development Status and Prospects of Perfluorochemical Oxygen Carrier, in Artificial Organs 1994-96. Tokyo: Nakayama Shoten, 1994,
22, 955-963; Kunihiko Nakai, Ichiro Sakuma, Shoji Fukushima, Yukazu Takeuchi, Hiroshi Sato, Akira Kitakuma, Artificial Blood, 2000, 8, 43-51) and microbial media (KC)
Lowe, J. Fluorine Chem., 2002, 118, 19-26), liquid breathing (Kenichi Matsuda, Hiroyuki Hirasawa, Pharmaceutical Gate, 2000, 10,
287-294; Kenichi Matsuda, Hiroyuki Hirasawa, Yo Hirayama, Emergency Medicine, 2002,
26, 1557-1562) or organ preservation (E. Klar, Th
Kraus, P. Reuter, A. Mehrabi, LP Fernandes, M. Angelescu, MM Gebhard and Ch Herfarth,
Transplantation Proc., 1998, 30, 3707-3710) are known to be not toxic enough to be used, but these points are also important when constructing actual industrial surface treatment processes. It becomes.
また、パーフルオロ系の化合物は、分子間力が小さいことが知られているが(M. Howe-Grant,
Ed., Kirk-Othmer, Fluorine Chemistry: A Comprehensive
Treatment, Encyclopedia Reprint Series, John Wiley & Sons, 1995, 260 )、そのために、固体状物質の分散が容易で、かつ撹拌が容易となる。更に、蒸留又は気化させることでエネルギー効率の高い回収が可能となるという利便性も持ち合わせている。この分子間力の小さいことに関連して、表面エネルギーが小さいことは、複雑形状を有する基材の表面処理においては特に重要になる。すなわち、これらの化合物は、複雑形状の狭い間隙や微細構造などにも容易に侵入するために、基材表面の均一な膜面処理が可能になる。
Perfluoro compounds are known to have low intermolecular forces (M. Howe-Grant,
Ed., Kirk-Othmer, Fluorine Chemistry: A Comprehensive
Treatment, Encyclopedia Reprint Series, John Wiley & Sons, 1995, 260). For this reason, it is easy to disperse the solid substance and to facilitate stirring. Furthermore, it has the convenience that it can be recovered with high energy efficiency by distillation or vaporization. In relation to the small intermolecular force, the small surface energy is particularly important in the surface treatment of a substrate having a complicated shape. That is, since these compounds easily penetrate into narrow gaps and fine structures with complicated shapes, a uniform film surface treatment on the substrate surface becomes possible.
更に、パーフルオロ系の化合物は、通常のハイドロカーボン系の有機溶媒と異なり、比重が大きく、粉末状固体を簡単に浮揚させることが可能であることも、撹拌による粉末状固体粒子の分散を容易にする。本発明は、以上に述べたような知見を得て完成されたものであり、本発明によれば、ほとんど全ての基材の表面を、容易に、かつ再現性良く、効率的にフッ素化処理することが可能となる。 Furthermore, unlike ordinary hydrocarbon organic solvents, perfluoro compounds have a large specific gravity and can easily float powdered solids, which facilitates dispersion of powdered solid particles by stirring. To. The present invention has been completed by obtaining the knowledge described above, and according to the present invention, almost all the surfaces of the base material can be easily, reproducibly and efficiently fluorinated. It becomes possible to do.
本発明により、(1)種々の固体材料基材の表面を、その形状によらず、極めて簡単に、かつ再現性良く、フッ素化処理することにより、基材に高機能性を付与することができる、(2)処理したい基材の形状や複雑性に係わらず、均質に表面をフッ素化できる、(3)プロセス自体が、安全で、再現性が高く、しかもフッ素コートのパーフルオロ系の化合物がリサイクルできるため、ローエミッションで、環境への負荷が無い、(4)基材のフッ素化処理による、新しい表面処理技術及び高機能化技術を提供できる、(5)複雑な装置や難しい実験条件の設定等を必要としない、(6)従来の有機溶媒を用いた産業が、グリーンケミストリーの観点から見直されるようになると、回収が容易で、毒性、爆発性などの危険因子を回避できる媒体であるパーフルオロ系の化合物を溶媒として用いる本発明の工業的プロセスの実用化が期待される、という格別の効果が奏される。 According to the present invention, (1) it is possible to impart high functionality to a substrate by fluorinating the surface of various solid material substrates, regardless of their shapes, extremely easily and with good reproducibility. (2) The surface can be uniformly fluorinated regardless of the shape and complexity of the substrate to be treated. (3) The process itself is safe, highly reproducible, and fluorine-coated perfluoro compounds. Because it can be recycled, it has low emissions and has no environmental impact. (4) New surface treatment technology and advanced technology can be provided by fluorination of the base material. (5) Complex equipment and difficult experimental conditions (6) When the industry using conventional organic solvents is reconsidered from the viewpoint of green chemistry, it is easy to recover and can avoid risk factors such as toxicity and explosiveness. Practical industrial process of the present invention using a perfluorinated compound as a solvent is expected, the significant effect that is achieved is.
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by these Examples.
(1)フッ素化固体材料基材の製造
DLC膜をその表面に成膜したSUS試料片(DLC膜厚500nm,SUS板の厚さ1mm,SUS板の大きさ8×8mm)、パーフルオロ系溶媒(FC−72、10ml)、極安定ラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチル(0.6mmole)を、パイレックス(登録商標)製のアンプル(20mmφ×100mm)に入れた。アンプルの内部をfreeze−and−thawを三回繰り返し、アルゴンに置換した後に、真空下で熔封した。アンプルを100℃に加温した油浴に浸し、10分間加熱し、固体材料の表面を極安定パーフルオロアルキルラジカルで表面処理することにより、フッ素化試料を製造した。
(1) Production of fluorinated solid material base material SUS sample piece (DLC film thickness 500 nm,
(2)試験方法及び結果
室温に戻したアンプルを開封し、SUS試料片を取り出し、表面の接触角を測定した。基材表面の接触角は、2μlの蒸留水を基材表面に載せて、4箇所測定した。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:65.5,65.5,62.0,66.0°;平均値64.8°。
(2) Test method and result The ampoule returned to room temperature was opened, the SUS sample piece was taken out, and the contact angle of the surface was measured. The contact angle of the substrate surface was measured at 4 points by placing 2 μl of distilled water on the substrate surface. The results were as follows. Contact angle of substrate surface: 65.5, 65.5, 62.0, 66.0 °; average value 64.8 °.
実施例1と同様の実験を加温時間30分で行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:76.0,76.0,76.5,76.0°;平均値76.1°。 The same experiment as in Example 1 was performed with a heating time of 30 minutes. The results were as follows. Contact angle of substrate surface: 76.0, 76.0, 76.5, 76.0 °; average value 76.1 °.
実施例1と同様の実験を加温時間1時間で行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:77.0,78.0,75.0,77.0°;平均値76.8°。 The same experiment as in Example 1 was performed with a heating time of 1 hour. The results were as follows. Contact angle on substrate surface: 77.0, 78.0, 75.0, 77.0 °; average value 76.8 °.
実施例1と同様の実験を加温時間2時間で行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:85.0,84.0,86.0,84.0°;平均値84.8°。 The same experiment as in Example 1 was performed with a heating time of 2 hours. The results were as follows. Contact angle on substrate surface: 85.0, 84.0, 86.0, 84.0 °; average value 84.8 °.
実施例1と同様の実験を加温時間3時間で行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:91.0,87.5,92.0,88.0°;平均値89.6°。 The same experiment as in Example 1 was performed with a heating time of 3 hours. The results were as follows. Contact angle on substrate surface: 91.0, 87.5, 92.0, 88.0 °; average value 89.6 °.
(1)フッ素化固体材料の製造
DLC膜をその表面に成膜したSUS試料片(DLC膜厚500nm,SUS板の厚さ1mm,SUS板の大きさ8×8mm)、パーフルオロ系溶媒(FC−72、10ml)、極安定ラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチル(0.12mmole)を、パイレックス(登録商標)製のアンプル(20mmφ×100mm)に入れた。アンプルの内部をfreeze−and−thawを三回繰り返し、アルゴンに置換した後に、真空下で熔封した。アンプルを110℃に加温した油浴に浸し、3時間加熱し、固体材料の表面を極安定パーフルオロアルキルラジカルで表面処理することにより、フッ素化試料を製造した。
(1) Production of fluorinated solid material SUS sample piece (DLC film thickness 500 nm,
(2)試験方法及び結果
室温に戻したアンプルを開封し、SUS試料片を取り出し、表面の接触角を測定した。基材表面の接触角は、2μlの蒸留水を基材表面に載せて、4箇所測定した。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:79.0,79.0,80.5,79.0°;平均値79.4°。
(2) Test method and result The ampoule returned to room temperature was opened, the SUS sample piece was taken out, and the contact angle of the surface was measured. The contact angle of the substrate surface was measured at 4 points by placing 2 μl of distilled water on the substrate surface. The results were as follows. Contact angle of substrate surface: 79.0, 79.0, 80.5, 79.0 °; average value 79.4 °.
実施例6と同様の実験を極安定ラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチル(0.24mmole)を用いて行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:85.0,84.5,84.5,84.5°;平均値84.6°。 An experiment similar to Example 6 was performed using the extremely stable radical perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl (0.24 mmole). The results were as follows. Contact angle on substrate surface: 85.0, 84.5, 84.5, 84.5 °; average value 84.6 °.
実施例6と同様の実験を極安定ラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチル(0.48mmole)を用いて行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:87.0,86.5,87.0,86.5°;平均値86.8°。 An experiment similar to Example 6 was performed using the extremely stable radical perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl (0.48 mmole). The results were as follows. Contact angle on substrate surface: 87.0, 86.5, 87.0, 86.5 °; average value 86.8 °.
実施例6と同様の実験を極安定ラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチル(0.96mmole)を用いて行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:89.3,88.0,90.5,89.5°;平均値89.3°。 An experiment similar to Example 6 was performed using the extremely stable radical perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl (0.96 mmole). The results were as follows. Contact angle of substrate surface: 89.3, 88.0, 90.5, 89.5 °; average value 89.3 °.
実施例6−9に対する対照実験
実施例6の実験で極安定ラジカルのパーフルオロ−2,4−ジメチル−3−エチル−3−ペンチルを含まない対照実験を行った。その結果は、次の通りであった。基材表面の接触角:73.0,70.0,72.0,72.0°;平均値71.8°。
Control Experiment for Example 6-9 A control experiment was conducted in the experiment of Example 6 that did not include the perstable radical perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl. The results were as follows. Contact angle on substrate surface: 73.0, 70.0, 72.0, 72.0 °; average value 71.8 °.
実施例6でフッ素化処理した基材表面のESCA測定
実施例6の実験で得たSUS試料片表面のESCAスペクトルを図1に示す。688.5,532.7,285.0eVに、F1s,O1s,C1sに由来するピークが観察された。それぞれの面積から計算した比率は、3.56,14.95,81.49%であり、この条件では、フッ素化の進行は少ないことがわかる。尚、極安定ラジカルの使用量を増やすことにより、フッ素化は進行した。
ESCA measurement of the surface of the substrate fluorinated in Example 6 FIG. 1 shows the ESCA spectrum of the surface of the SUS sample piece obtained in the experiment of Example 6. Peaks derived from F1s, O1s, and C1s were observed at 688.5, 532.7, and 285.0 eV. The ratio calculated from each area is 3.56, 14.95, 81.49%, and it can be seen that under these conditions, the progress of fluorination is small. In addition, fluorination progressed by increasing the usage-amount of a very stable radical.
実施例8でフッ素化処理した基材表面のESCA測定
実施例8の実験で得たSUS試料片表面のESCAスペクトルを図2に示す。688.5,532.7,285.0eVに、F1s,O1s,C1sに由来するピークが観察された。それぞれの面積から計算した比率は、20.60,10.40,68.99%であり、かなりフッ素化が進行していることが確認できた。これは、同試料の基材表面の水の接触角は、ほぼテフロン(登録商標)並の数値まで増大している事実と矛盾しない結果を示すものである。
ESCA measurement of the surface of the substrate fluorinated in Example 8 FIG. 2 shows the ESCA spectrum of the surface of the SUS sample piece obtained in the experiment of Example 8. Peaks derived from F1s, O1s, and C1s were observed at 688.5, 532.7, and 285.0 eV. The ratio calculated from each area was 20.60, 10.40, 69.99%, and it was confirmed that fluorination was proceeding considerably. This indicates a result consistent with the fact that the contact angle of water on the surface of the base material of the sample has increased to a value almost equal to that of Teflon (registered trademark).
以上詳述したように、本発明は、フッ素化固体材料の製造方法に係るものであり、本発明により、種々の固体表面を、その形状によらず、極めて簡単に、かつ再現性良く、フッ素化処理できる。従来、固体表面の修飾は、情報産業の担い手である磁気記録媒体などのナノテクノロジーの先端的なものから、表面特性が重要な人工骨のような生体材料、果ては、パチンコの玉の表面処理まで、極めて多方面での利用があり、近年、強靭性などの機械的な特性に加えて、撥水性や耐摩耗性、耐薬品性、低摩擦特性、非粘着性などの高機能化も同時に求められるような極めて多岐にわたる用途が広がっている中で、本発明の方法は、固体材料基材の表面を、安定で、取り扱いが容易な極安定パーフルオロアルキルラジカルで、気相や液相で表面処理することにより、処理したい基材の形状や複雑性に係わらず、均質に表面をフッ素化でき、プロセス自体が、安全で、再現性が高く、しかも処理剤のパーフルオロ系化合物がリサイクルできるため、ローエミッションで、環境への負荷が無い。このように、本発明は、環境に優しい技術であるため、様々な産業応用が期待されるが、特に、これからの発展が見込まれるナノテク産業分野における新産業創出を可能とするものとして有用である。 As described above in detail, the present invention according to the manufacturing how fluorinated solid material, the present invention, a variety of solid surfaces, regardless of its shape, very easily, and reproducibly, Can be fluorinated. Conventionally, the modification of solid surfaces has ranged from the leading edge of nanotechnology such as magnetic recording media, which plays a key role in the information industry, to biomaterials such as artificial bones, whose surface characteristics are important, and finally to the surface treatment of pachinko balls. However, in recent years, in addition to mechanical properties such as toughness, high functionality such as water repellency, wear resistance, chemical resistance, low friction properties, and non-adhesiveness is also required in recent years. In this wide range of applications, the method of the present invention is applied to the surface of a solid material substrate with a stable and easy-to-handle extremely stable perfluoroalkyl radical in the gas phase or liquid phase. By processing, regardless of the shape and complexity of the substrate to be processed, the surface can be homogeneously fluorinated, the process itself is safe, highly reproducible, and the perfluoro-based compound of the processing agent can be recycled. , With low emissions, there is no load on the environment. As described above, since the present invention is an environmentally friendly technology, various industrial applications are expected. In particular, the present invention is useful for enabling the creation of new industries in the field of nanotech industries where future development is expected. .
Claims (3)
1)極安定パーフルオロアルキルラジカルを、不活性媒体であるパーフルオロ系化合物に分散又は溶解させた溶液に、固体材料を浮遊又は沈めた状態で外部より熱を加えることにより反応させる、
2)極安定パーフルオロアルキルラジカルと、固体材料を密閉容器に入れ、熱を加えることにより反応させる、又は、
3)加熱した固体材料に、極安定パーフルオロアルキルラジカルを、そのままで、あるいは、これをパーフルオロ系化合物に分散又は溶解させた溶液を吹き付けることにより反応させる、
ことを特徴とする固体材料の製造方法。 On the surface of a solid material substrate, a very stable perfluoroalkyl radical that reacts well with a perfluoro compound in a gas phase and / or a liquid phase and is extremely stable chemically and physically is reacted. producing advanced by that changing the contact angle of water facilities to the substrate surface fluorination process can be confirmed that the solid material imparted with water repellency and oil repellency to the substrate surface of the fluorinated by ESCA spectrum Te a method of manufacturing a solid material you,
1) A reaction in which a very stable perfluoroalkyl radical is dispersed or dissolved in a perfluoro compound, which is an inert medium, by applying heat from outside in a state where the solid material is suspended or submerged, is caused to react.
2) Put a very stable perfluoroalkyl radical and a solid material in a sealed container and react by applying heat, or
3) The heated solid material is reacted with the extremely stable perfluoroalkyl radical as it is or by spraying a solution in which this is dispersed or dissolved in a perfluoro compound,
A method for producing a solid material.
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