第34卷第6期 影像科学与光化学 Vo1.34 No.6 2016年11月 aaging Science and Photochemist Nov.,2016 http .yxkxyghx.org 光固化阳离子活性稀释剂研究进展 张 娜 ,陈 媛。,聂 俊 ,杨金梁 (1_北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029; 2.北京化工大学常州先进材料研究院,江苏常州213000;3.常州强力光电材料有限公司,常州213000) 摘要:随着光固化技术的发展,当前广泛使用的自由基光固化逐渐显示出一些弊端,与自由基 光固化相比,阳离子光固化逐渐显示出其固有的优势,如体积收缩小、附着力强、无氧阻聚等。 活性稀释剂作为阳离子光固化配方中的重要组成,对配方的固化及最终产品的机械物理性能具 有显著影响,因此开发可快速固化的活性稀释剂具有重要的意义。本文介绍了阳离子活性稀释 剂的作用原理及特点,并对其发展前景和方向进行了展望。 关键词:阳离子光固化;活性稀释剂;快速固化 doi:lO.7517/j.issn.1674—0475.2016.06.491 文章编号:1674—0475(2016)06—0491 14 光固化是指在紫外或可见光的作用下,光敏 光固化体系主要由光引发剂、低聚物和活性 基团吸收能量产生活性物种,使液态低聚物或单 稀释剂组成。光引发剂吸收特定波长的光后产生 体产生交联形成固态产物的过程,在日常环境下 引发体系聚合的活性物种,占整个组分的1 ~ 即可固化,整个过程只需几秒就可完成,具有固化 5 ,含量虽少,却对光固化速率及整个配方体系 速度快、低温可操作的特点,对于那些要求低温操 的经济效益有着显著的影响。低聚物指含有光固 作的加工过程,具有很好的适用性。在过去的三 化反应基团的感光性树脂,占整个体系的30 ~ 十多年里,光固化吸引了众多科研者的兴趣_1 ]。 60 _1引。活性稀释剂通常是含有可参与交联固化 20世纪6O年代,德国拜耳公司成功开发出光固化 反应的官能团,因而习惯上也称为单体,占整个体 木器涂料,使这个新领域得到了快速的发展_6]。 系的40 ~60 9/6。调节树脂粘度是活性稀释剂的 目前,光固化技术主要应用在涂料、印刷油墨、胶 基础作用,此外,它还具有以下作用I】 :(1)它同光 黏剂、光刻胶、微电子、隐形眼镜、生物材料以及齿 引发剂一起影响着光固化配方的固化速度;(2)它 科修复材料等方面[7-1e3。 对体系中不同聚合度的预聚物分子具有桥梁的作 2016-08—05收稿,2016—09—14录用 江苏省自然科学基金青年基金(BK2O15O272)项目资助 *通讯作者,E-mail:niejun@mail.buct.edu.cn(聂俊),jinliang.yang@gmail.com(杨金梁) 491 492 影像科学与光化学 第34卷 用,将不同分子量的预聚物连在一起。不同官 活性稀释剂种类远没有自由基光固化所用的活性 稀释剂种类丰富。本文就阳离子光固化活性稀释 剂的研究进行阐述。 能度的单体对体系固化速度有显著影响,双官 能度或多官能度活性稀释剂可形成交联网络结 构;(3)它可以改善固化后涂膜的机械性能。根 据光固化反应机理,按照光解产生活性物种的 不同,可以将光固化分为自由基光固化、阳离子 光固化和阴离子光固化。自由基光固化具有速 1乙(丙)烯基醚类活性稀释剂 乙烯基醚类化合物是一种高稀释效果的活性 率快、单体和引发剂种类多的特点,但存在氧气 阻聚、固化体积收缩大的缺陷;阳离子光固化具 有活性种存活时间长、体积收缩小、不受氧阻聚 影响的特点,但是受反应过程中外界湿气的影 响 15 19]。 稀释剂,能显著降低体系的粘度,同时毒性和气味 均较低[20,21],但其价格较贵。目前,用于辐射固化 的乙烯基醚单体主要有羟丁基乙烯基醚 (HBVE)、三乙二醇二乙烯基醚(DVE-3)、1,4一环 己基二甲醇二乙烯基醚(CHVE)、丁基乙烯基醚 不同于自由基光固化,阳离子光固化可用的 (BVE)等,其结构式如图l。 \/\ 图1乙烯基醚单体的结构式 The structure of vinyl ether monomers 从结构上来说,乙烯基醚具有特殊的结构,分 子中氧原子和双键相邻,氧原子的孤对电子可以 Fang等人 ̄19,25 合成了含硅的乙烯基醚和烯丙 基醚杂化单体,这种单体不仅在可见光下具有稳定 性,而且具有低粘度、低表面能(小于15 rnJ・m- )、 良好的热稳定性和光固化特点,适合于纳米印刷 和光刻胶方面的应用,其合成过程如图3。 与碳碳双键产生共轭作用,从而使双键的电子云 密度增大,因此乙烯基醚的碳碳双键是富电子双 键,亲核性显著增强[2 。在适当的条件下可进行 多种类型的反应且反应活性高,也可按不同的机 理进行反应,如能进行自由基聚合、阳离子聚合、 电荷转移复合物交替共聚,因此,乙烯基醚类化合 2杂环类活性稀释剂 一物可在多种光固化体系中应用。1一丙烯基醚单体 与乙烯基醚类似,从结构上来说,1一丙烯基醚比乙 烯基醚J3碳上多一个甲基,增加了双键的电子云 般来说,用于阳离子光固化反应的杂环单 体,其反应活性主要由3个因素决定[26,27]:(1)杂 原子的本性,如它的亲核性和与它相连的邻近碳 原子的键力常数;(2)环张力;(3)空间位阻。基于 以上因素,两类环醚类化合物在阳离子光固化方 密度,提高了双键的活性,此外,这类单体的制备 方法简单,可以用烯丙基异构化的方法制得_2 。 以乙烯基醚为例,这类单体的阳离子引发机理如 图2E243。 面得到了广泛的研究:环氧乙烷类化合物和氧杂 环丁烷类化合物。环氧乙烷和氧杂环丁烷的环张 第6期 张娜等:光固化阳离子活性稀释剂研究进展493 力分别为27.3 kcl/mol和25.5 kcl/mol,它们的 pKb值分别为7.4和3.1 Ez8-3o ̄,尽管这两种环醚化 合物具有相似的的空间位阻和环张力,但它们的 c==cH+H十X一 0R 碱性有明显的差别,后者的碱性明显强于前者,也 意味着亲核性更强,因此有更高的反应活性,如图 4c3l_。 H2C—cH;x oR l H3C——cH +H1C=CH C IOR H =CH l0R l H--CH2- l 一 OR OR l 0R H 一c1I c OR OR 一 图2乙烯基醚类化合物的阳离子聚合机理 J I J 入,,o一{ 一o、/\0 l I / ll Cl-Si—Si—Cl 0卜- 卜0\/\ Il d—Si-O- a II 10/ l l\0/、\/oH II 一。 la—SIi 1l l l l li-O-ji-o—j‘。a l I I \\/0_{卜 i卜o_i‘_0v/\、0/ I ll I c 一{l 一。一}l 一。一{l i—o一;I 卜c 入√p—i—o—ji-O-;卜 {r 0/ 图3含硅乙烯基醚单体的合成 The synthesis of silicon-containing vinyl ethers monomer 2.1环氧乙烷类活性稀释剂 环氧乙烷类活性稀释剂主要分为脂肪族环氧 乙烷类和脂环族环氧乙烷类,下面针对这两种活 性稀释剂做逐一介绍。 2.1.1脂肪族环氧乙烷 脂肪族环氧乙烷广泛的应用在阳离子光固化 体系中,其原料丰富易得,合成方法简单。双酚A 环氧树脂是阳离子光固化体系中使用最多的一类 图4亲核性反应示意图 Schematic illustration of nucleophilic reaction 树脂,其固化后可得到整体性能优异的涂层,具有 广泛的应用价值。但双酚A环氧树脂在应用方面 494 影像科学与光化学 第34卷 存在一个主要的问题,那就是粘度高、施工不便, 对此,黄笔武等人[32,33]以缩水甘油醚为基本骨架 开环聚合机理 ̄36,37],聚合过程如图5。首先,阳离 子光引发剂光解(eq1)产生超强质子酸,随后是3 个暗反应步骤——质子化步骤(eq2)和阳离子开 合成了可用于阳离子光固化配方的活性稀释 剂——叔丁基酚缩水甘油醚和正丁基缩水甘油醚 活性稀释剂,调节配方中活性稀释剂的百分含量, 环聚合(eq3和eq4),对脂肪族环氧乙烷类的阳离 子单体来说,发生阳离子光固化时具有明显的诱 导期,而诱导期的形成是因为所形成的中间 可调节体系粘度达到最佳施工条件。 此外,与丙烯酸酯光固化体系相比,脂肪族环 氧乙烷固化速率慢,不能满足特定需求的应用,这 是由其聚合机理所决定的。有学者用光学高温仪 体——二级氧箱盐的稳定性高,使其存活寿命相 对比较长_3 ,因此,这类环氧乙烷类单体的阳离子 光固化速率控制步骤并不是引发剂的光解步骤 (eq1),而是取决于(eq2)和(eq3)。 (OP)[3 ]研究这类单体聚合时的热性能变化并从 活化能的角度分析E353,提出了这类单体的阳离子 在恒定不变的外界条件下,中间体即二级氧 ————— Ar2I MIx:—业 —————,————— HMtX ——0==] H一6==]MtX; Ⅱ H一6==]MtX;+0==] 一/一H。一/Ⅲ 6==] 6==]… 。==]一H.}-。 6 eq4 ∞图5环氧乙烷类阳离子光固化单体的四步聚合机理 Four-step mechanism for the photoinitiated cationic ring-opening polymerization of ethylene oxide 翁盐可长时间存在,进而降低了聚合速率,不能满 足快速光固化的要求。研究发现_39]这种中间体以 氢键的作用和质子酸相连接,所以引发剂产生超 强质子酸后,只要给予体系微量的热,便可以打破 这种以氢键作用相连的平衡而发生快速聚合[4 。 此外,中间体与质子酸以氢键连接时,不同的结构 的结构也解释了水对阳离子光固化的影响,因为 水合的质子酸如H。O+或H O 也可参与中间体 的形成,影响聚合速度E ,如图6中5所示。 2.1.2脂环族环氧乙烷 相对与脂肪族环氧乙烷单体,脂环族环氧乙 烷单体的聚合速率快,无明显的诱导期。这与其 也呈现出不同的稳定性,如单官能团的烷基环氧 丙醚中间体不稳定,不能长时间存在,诱导期短; 多官能团的烷基环氧丙醚形成的中间体稳定,可 长时间存在,在一定时间内存在的中间体较多,反 聚合机理有关,脂环族环氧乙烷单体与脂肪族环 氧乙烷单体有相同的聚合机理,不同的是脂环族 环氧单体所形成的中间体(二级氧翁盐(Ⅱ)和三 级氧箱盐(Ⅲ))受环张力、空间相互作用和电荷分 散能力的影响,具有高度的不稳定性和活泼性,因 应中间体浓度高,一旦给予微量的热作用,便能迅 速发生反应[3引,不同官能团烷基环氧丙醚的中间 此,这类单体的速率控制步骤通常是引发剂光解 产生超强质子酸步骤(eq1)[4引。因其聚合后具有 体结构式如图6中1~4所示。此外,这种中间体 第6期 张娜等:光固化阳离子活性稀释剂研究进展495 优异的附着力、良好的耐化学性和机械性能_4引,设 的聚合速率,是因为这些单体除进行一般的阳离 子聚合外,单体中含具有活泼氢的结构单元,可以 和光解产生的自由基发生反应,再进一步和碘翁 盐发生氧化还原反应,生成稳定的碳正离子引发 计并合成新型脂环族环氧乙烷类单体、使其有更 高的聚合速率,具有很大的应用前景。 Crivello等l_4 “5]设计并合成了一系列含有烯 丙基醚、苄基醚、丙烯基醚和炔丙基醚的脂环族环 氧化合物,结构式如图7所示。这类单体有较高 环氧乙烷的阳离子开环聚合。以苄基醚取代的脂 环族环氧乙烷为例,其机理如图8。 Alkyl/o\、古,/o l ‘O、 、、, , / > ,, ~O、 3 4 5 图6不同烷基环氧丙醚的中间体结构式 0/^\Ph O ◇ , O 图7新型脂环族环氧乙烷单体结构式 The monomer structures of new cycloaliphatic epoxides Ortiz等人l_4。]通过氢硅化反应合成了含硅的 其合成过程如图9。 以二环戊二烯为骨架合成的阳离子光固化脂 环族环氧单体具有潜在的应用价值,如,光固化防 护涂层、装饰涂层、印刷油墨和胶黏剂等_4 。二环 脂环族环氧乙烷活性单体,并在这种活性单体中 引入了苄基醚,实时红外(FT1R)动力学研究表 明,这类单体具有较不含苄基醚的单体更高的聚 合活性,且在苯环中引入给电子基团如甲氧基时, 戊二烯中两个双键具有不同的反应活性,降冰片 烯双键的活性显著大于环戊烯双键,因此,和醇类 发生加成反应时,优先和反应活性大的降冰片烯 双键发生加成反应E483。正是基于这种选择性反应 聚合活性提高,这是由其聚合机理所决定的,甲氧 基作为给电子基团,对反应形成的中间体苄基碳 正离子具有稳定性,因此有利于提高聚合速率。 496 影像科学与光化学 第34卷 I+Mt)( — 1『 I MtX 11 【 』 Ar.+o \/ /\r0/\ ArH+0==\『八r0八Ph \一 。 r。 h— 。 r Ph 0"/ ̄Ph )/\ H ,r/ 图8新型脂环族环氧乙烷单体的阳离子开环聚合机理 Photoinitiated cationic ring-opening polymerization of new eyeloaliphatic epoxides …Ⅱ A A r B 一 @ A A 卜 订 H +H. —CSIl Hi一03 一SCI iH— H————’ CH3 CH3 @ 的特点,Rajaraman等设计和合成了基于二环戊二 烯的一系列不同的环氧乙烷类化合物用于阳离子 光固化,考虑到单体中刚性基团的存在,因此聚合 一 O 图9含硅环氧乙烷单体的合成过程 The synthesis of silicone-epoxy monomers 类化合物粘度低、固化后膜的附着力高、固化收缩 率小、固化速率快、毒性低、不易挥发[51,527。因此, 这类单体具有一些特殊的应用,如光固化喷墨印 刷涂料、胶黏剂、压敏胶和立体光刻等方面[5 。此 后材料的机械性能和玻璃化温度也会提升。其合 成原理如图10E∞]。 2.2氧杂环丁烷类化合物 外,氧杂环丁烷的合成过程较简单,毒性也较 低[ ,以3一乙基一3一羟甲基氧杂环丁烷(EHMO)、 3一乙基一3一苯氧基甲基氧杂环丁烷(POX)、3,3一(氧 基双亚甲基)一双一(3一乙基)氧杂环丁烷(DOX)和 氧杂环丁烷是一类四元环醚的化合物,包括 单官能团氧杂环丁烷、双官能团氧杂环丁烷以及 改性氧杂环丁烷,相对于三元环,其环张力更小, 1,4一双[(3一乙基一3一氧亚甲基氧杂环丁)甲基]苯 (XDO)的合成为例,常见的合成方法包括以下3 种[55,56],如图11。 因此更稳定、不易开环。但研究证明[5 ,这类化合 物仍具有光敏性,可以进行阳离子开环聚合,且这 第6期 张娜等:光固化阳离子活性稀释剂研究进展 497 OR ROH 0R 图l0二环戊二烯环氧乙烷的合成过程 The synthesis of dicyc10pentadiene oxide 方法一 H △ +o OH H。 c即 。c ・CO2 EHM0 0 H2 一Br—CH, CH 一Br NaOH 2 一 XD0 方法二 O H H+2 K2CO3 A C {50 OC2H5‘2 50H 0 D0X 方法三 OH HCl NaOH HO CH3COOH H0 0H NaOH + O P0X 0H 图11不同氧杂环丁烷的合成 The synthesis of different soxetanes 498 影像科学与光化学 第34卷 虽然氧杂环丁烷类单体有众多优势,但其阳 离子光固化速率不能达到一定要求从而限制了它 是3个暗反应步骤:质子化步骤(eq2)和阳离子开 环聚合(eq3和eq4)。形成的三级氧翁(III)盐具 有较高稳定性,因此其明显的诱导期是整个反应 的速率控制步骤 盯]。 的使用范围,从机理来分析,氧杂环丁烷单体同环 氧乙烷单体有类似的引发机理(如图12):首先阳 离子光引发剂的光解(eq1)产生超强质子酸,随后 诱导期的存在是影响氧杂环丁烷聚合速率低 —------- Ar2I Mtx: __+----------HMtX - 。q1 x一+A A d r ◇一 ◇ H一◇ +◇一一◇ A 卜 A 订 邮 一◇ +◇一一。 ◇ e 图12氧杂环丁烷的阳离子开环聚合机理[53] 的本质原因,因此如何降低这类单体的诱导期具 有重要的意义。根据聚合机理,可以从3个方面 化环己烯类化合物,主要包括氧化环己烯及它的 不同取代物、不同氧化程度的柠檬烯及它的不同 取代物;(2)不同取代的环氧乙烷类化合物,如不 同程度的烷基取代和苯基取代;(3)乙烯基环氧乙 烷类化合物。这些化合物能有效降低氧杂环丁烷 类化合物的诱导期,主要是由其聚合机理所决定 的,以3,4一环氧一1一丁烯(EB)为例,其机理如图14。 在质子酸的作用下EB可形成稳定的碳正离子,增 降低这类单体的诱导期l_5。 :(1)在比较高的温度 下引发光固化,借助外界作用破坏其平衡态;(2) 与活泼单体共聚,如环氧乙烷或乙烯基醚类化合 物,这类活泼单体可以优先聚合而释放出热量促 进氧杂环丁烷单体的聚合;(3)使用自由基引发剂 作为增效剂。以自由基引发剂651为例,降低这 类单体诱导期主要来自于两方面:首先,651光解 产生苯甲酰自由基和烷氧基自由基,苯甲酰自由 基可作为还原剂和翁盐自由基发生氧化还原反应 加了体系中活性物种的占有率,由于共振效应和 空间位阻的影响,结构不同的化合物对诱导期的 效应不尽相同,它们可以急剧降低甚至是消除氧 杂环丁烷的诱导期,因此具有广阔的应用前景。 这种效应称为“kick-starting”,这类环氧乙烷试剂 称为“kick—starting”试剂_5 。 体积收缩是光固化中普遍存在的问题,体积 收缩主要是因为分子间的作用力由聚合前的范德 华力变为共价键的形式,聚合前后原子间排列的 产生碳正离子,同时可起到对翁盐增感的作用;其 次,形成的碳正离子和鲻盐光解产生的超强质子 酸具有相同的效果,可引发氧杂环丁烷开环类化 合物聚合。其机理如图13。 最近几年,Crivello等[60,61]设计出许多能显著 降低氧杂环丁烷诱导期的化合物。将这些化合物 与氧杂环丁烷共聚能显著提高氧杂环丁烷单体的 紧密程度发生变化_6。];体积收缩导致的内应力收 缩可能会造成材料的一些缺陷,如微缝隙或微 聚合速率。这些化合物大致可以分为3类:(1)氧 第6期 张娜等:光固化阳离子活性稀释剂研究进展 499 \ O I 十 ’ 0 / 0/ / :+・{ + { 0\ \ ArEI‘ \ 0 \ 0 l+ i。 {一◇ O / /O \ 一◇ +。◇ \入,,O ◇ / 图13 自由基光引发剂651作为增效剂的引发机理 The mechanism for free radical ph0t0initiat0r(651)as photosensitize hv一『 ArI +.MtX …At,]j二… H H、HMtX H H H 图14 EB作为“kick-starting”试剂的作用机理 The mechanism of‘‘kick-starting”for EB 孔 。 ,这种缺陷限制了光固化在一些精确成型方 能度单体,其聚合后体积收缩<3 ,远小于相同 面的应用,如光盘、光纤、透镜、印刷电路板 ]。在 分子重量的二甲基丙烯酸单体(根据丙烯酸单体 这种需求的推动下,发展低收缩率的光固化单体 的不同,体积收缩可达6%0~25 ),此类化合物在 得到了广泛的关注。Verstegen等人 。 以双酚A 精密光学部件方面具有潜在的应用价值,这些单 为骨架合成了一系列热稳定性的氧杂环丁烷双官 体的结构式如图15。 第6期 张娜等:光固化阳离子活性稀释剂研究进展 501 3总结与展望 目前,阳离子光固化研究还处于起步阶段,用 于阳离子光固化的活性稀释剂种类还比较少,广 泛使用的主要是环氧乙烷类和氧杂环丁烷类,其 中氧杂环丁烷是近年来阳离子光固化活性稀释剂 的研究热点。但两者存在一个共同的问题就是固 化速率慢,本文就阳离子活性单体固化速率慢的 问题进行了详细的分析并提出了一些解决方案。 近年来,光固化混杂体系的研究成为一个研 究热点,通过调节合适的配比,混杂体系可同时兼 具自由基和阳离子光固化的优点,满足一些特殊 的应用,但目前混杂体系多是单独的自由基和阳 离子配方的混合,而并没有一类活性单体能同时 进行自由基和阳离子光聚合,因此开发一类新型 活性稀释剂可同时进行自由基光聚合和阳离子光 聚合,使得固化前后产物性能满足实际应用,将是 今后的研究方向。 致谢:本研究感谢江苏省自然科学基金青年 基金(BK20150272)的资助。 参考文献: [13 Sang S L,Luciani A,M ̄nson J A E.A rheological charac— terisation technique for fast UV-curable systems[J].PrfJ— gressin Organic Coatings,2000,38(3-4):193—197. 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Reactive diluentas are one of important formulations of cationic photopolymerization,which has a notable effect on curing of formulations and the mechanical properties of the final product.So,exploiting reactive diluent with rapid curing has a vital significance.This paper introduces the mechanisms and properties of cationic reactive diluents.And the prospect and research directions of it are also presented. Key words:cationic photopolymerization;reactive diluent;rapid curing *Corresponding author,E-mail:niejun@mail.buct.edu.cn(NIE Jun),jinliang.yang@gmail.com(YANG Jinliang)