一种单组分可见光引发剂及在混杂光固化的应用的制作方法

本发明涉及一种单组分可见光引发剂及在混杂光固化的应用，属于光引发剂技术领域。

背景技术：

光固化技术是指在光源辐照下液态树脂发生聚合反应而固化的光加工技术，此技术具有“5E”特点：节能、经济、环保、高效、适应性广，因而在光固化涂料、光固化油墨、光刻胶、3D打印等领域有广泛的应用。

光固化体系有自由基光固化体系、阳离子光固化体系、阴离子光固化体系。每类光固化体系有各自的优缺点：自由基光固化体系固化速度快，但存在氧阻聚和较大的体积收缩；阳离子光固化体系固化速度适中，存在暗反应，不足的是对基材有严重的腐蚀问题；阴离子光固化体系没有腐蚀问题和氧阻聚，但固化速度慢。为融合不同光固化体系的优点，近年来混杂光固化体系受到了研究者的青睐，其中混杂型光引发剂的研究显得至关重要。

混杂型光引发剂包括多组分型和单组分型。多组分型采用复配的方式，通过混合多种引发剂、光敏剂、染料等成分[CN 105218708 A]达到混杂固化的目的。此类型通常存在光源难匹配、引发效率低、成分复杂等问题。单组分型为单一光引发剂分子能同时产生多种活性基团并能引发不同机理的聚合反应。王涛等人[CN101624430]报道了一类单组分自由基/阳离子混杂型光引发剂。对于环氧化合物的阳离子光固化体系和丙烯酸酷类化合物的自由基型光固化体系都具有很好的引发性能，可用于阳离子型和自由基型紫外光固化(或辐射固化)聚合体系的光引发剂。

而单组分自由基/阴离子混杂型光引发剂还鲜有报道。已有报道的单组分自由基/阴离子混杂型光引发剂，此类光引发剂主要吸收峰在紫外光区，且引发效率有待改善。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一类单组分自由基/阴离子混杂型光引发剂及其制备方法。该类单组分光引发剂能同时光解产生活性自由基及碱性物种，能引发自由基/阴离子混杂光固化体系。本发明在光引发剂芳环上引入富电子原子，在400nm附近有较强吸收，可由可见光光源诱发光固化。此类光引发剂在实验中呈现出良好的引发效率。

本发明的第一个目的是提供一种单组分混杂型可见光引发剂，其有如下结构通式：

其中，X为O、N、S原子中的一种；Base为如下结构中的一种：

本发明的第二个目的是提供一种单组分混杂型可见光引发剂的制备方法。

制备路线如下所示：

在一种实施方式中，所述制备方法，具体制备步骤是：(1)将硫代水杨酸加入到硫酸中，搅拌溶解，然后在搅拌下加入苯乙酸衍生物，于密封、避光环境中，搅拌反应，反应液滴加于水中，抽滤得沉淀，重结晶、干燥得到固体粉末；(2)将固体粉末混与水中，加入碱，室温搅拌、离心，取上层清液，用乙酸乙酯洗至有机层无色，取水层用氯仿萃取三次，真空除去氯仿得产品。

在一种实施方式中，所述硫代水杨酸与苯乙酸衍生物的摩尔比为1:10～10:1。

在一种实施方式中，所述苯乙酸衍生物为苯硫乙酸或苯氧乙酸。

在一种实施方式中，所述硫代水杨酸与碱的摩尔比为1:10～10:1。

在一种实施方式中，所述反应，温度为20～30℃，时间为12～120h。

在一种实施方式中，所述反应，是在圆底烧瓶中进行。

本发明的第三个目的是提供一种光固化反应液，所述光固化反应液是利用本发明的单组分混杂型可见光引发剂制备得到的。

所述光固化反应液的制备方法如下：

(1)配置巯基/环氧单体混合物及巯基/炔基单体混合物，搅拌均匀；(2)称取本发明的单组分混杂型可见光引发剂，加入无水甲醇溶解，加入巯基/环氧单体混合物及巯基/炔基单体混合物，混合均匀得实时红外测试样品，其中光引发剂含量为2wt％-4wt％。

在一种实施方式中，光固化反应液为巯基单体/炔基单体/环氧单体混合物。

本发明的第四个目的是提供一种成膜方法，是使用本发明的光固化反应液，采用405nm LED光源辐照固化，无需后烘。

本发明的第五个目的是提供所述单组分混杂型可见光引发剂的应用。

在一种实施方式中，所述应用包括应用于光固化加工技术领域。

在一种实施方式中，所述应用，包括但不限于用于光固化涂料、光固化油墨、光刻胶、3D打印等方面。

本发明的有益效果：

(1)本发明的单组分混杂型可见光引发剂，融合了自由基引发和阴离子引发体系的优点，在巯基/环氧/炔基的混杂光固化中，呈现良好的引发效率，巯基转化率可达85％、环氧最终转化率可达87％、炔基最终转化率可达99％；且不同机理的聚合反应基本同步进行，固化时间仅需200s左右。

(2)本发明的单组分混杂型可见光引发剂，在可见光区具有较强吸收，可由LED可见光光源诱发聚合，可避免传统汞灯热量大、光能利用率低、生成臭氧等不足。

附图说明

图1为本发明实施例1中光引发剂的合成路线；

图2为本发明实施例2中光引发剂的合成路线；

图3为本发明实施例1中光引发剂的核磁氢谱图；

图4为本发明实施例3中光引发剂的紫外-可见吸收图谱；

图5为本发明实施例3中光引发剂光解过程中pH值的变化；

图6为本发明实施例3中光引发剂光解后ESR表征；

图7为本发明实施例4中光引发剂引发巯基/环氧/炔基混杂固化的实时转化率曲线。

图8为本发明实施例4中不同光引发剂引发巯基/环氧固化的实时巯基转化率曲线。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

实施例1：TX-S-TBD的合成

TX-S-TBD的合成路线如图1所示。

将35mL硫酸加入圆底烧瓶，加入0.772g(5.0mmol)硫代水杨酸，使其充分溶解。分批加入2.524g(15.0mmol)苯硫乙酸，30min加完。反应体系密封、避光，室温搅拌，反应3天。反应液滴加于水中并抽滤得沉淀。沉淀用乙醚洗三次。沉淀溶于适量热的二氧六环，取上层清液加水析出沉淀，抽滤干燥得黄色固体粉末(TX-S-COOH)0.801g，产率52.9％。

称取186mg(0.62mmol)TX-S-COOH，加入20mL水，加78mg(0.56mmol)1,5,7，-三杂氮二环[4.4.0]十一-5-烯(TBD)，室温搅拌10min。反应液离心后取上层清液用乙酸乙酯洗至有机层无色。取水层用氯仿萃取三次，真空除去氯仿得淡黄色固体粉末(TX-S-TBD)239mg，产率96.6％。

核磁氢谱(400MHz,CDCl₃)如图3所示。核磁氢谱数据：¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ10.51(s,2H),8.60–8.54(m,2H),7.65(dd,J＝8.5,2.2Hz,1H),7.62–7.53(m,2H),7.42–7.47(m,2H),3.82(s,2H),3.28(td,J＝5.9,2.4Hz,4H),3.22(t,J＝6.0Hz,4H),2.42(s,1H),1.98–1.91(m,4H)。

实施例2：TX-O-TBD的合成

TX-O-TBD的合成路线图2所示。

将60mL硫酸加入圆底烧瓶，加入1.545g(10.0mmol)硫代水杨酸，使其充分溶解。分批加入4.106g(27.0mmol)苯氧乙酸，30min加完。反应体系密封、避光，室温搅拌，反应3天。反应液滴加于水中并抽滤得沉淀。沉淀溶于适量热的二氧六环，取上层清液加水析出沉淀，抽滤干燥，最后过柱得黄色固体粉末(TX-O-COOH)1.543g，产率53.9％。

称取285mg(1.0mmol)TX-O-COOH，加入20mL水，加109mg(0.80mmol)TBD，室温搅拌10min。反应液离心后取上层清液用乙酸乙酯洗至有机层无色。取水层用氯仿萃取三次(20mL×3)，真空除去氯仿得淡黄色固体粉末(TX-O-TBD)316mg，产率94.8％。核磁氢谱数据：¹HNMR(400MHz,CDCl₃)δ10.50(s,2H),8.61–8.57(m,1H),8.12(d,J＝2.8Hz,1H),7.61–7.53(m,2H),7.50–7.40(m,3H),4.61(s,2H),3.28(td,J＝5.9,2.5Hz,4H),3.23(t,J＝6.0Hz,4H),2.53(s,1H),1.99–1.91(m,4H)。

实施例3：TX-S-TBD的性能检测

1、紫外-可见吸收测试：配制3.6×10^-5mol/L的本发明合成的TX-S-TBD的乙腈溶液，采用日本Lambda公司的TU1901型紫外可见分光光度计测试紫外-可见吸收。紫外-可见吸收图谱如图4所示，由图4可见，光引发剂在400nm附近有较强吸收峰，说明本发明的光引发剂可作为可见光光引发剂使用。

2、pH变化测试：配制0.02mol/L的TX-S-TBD甲醇溶液，加3mL于内径2cm的10mL透明玻璃瓶中。采用OmniCure S1000 UV/可见光点光源辐照，固定UV/可见光点光源光纤与玻璃瓶的距离，并用紫外辐照计测得玻璃瓶处的辐照功率为132mw/cm²。用数显pH计测得不同光照时间下的pH值。pH值的变化曲线如图5所示，从图5可知：TX-S-TBD在光照下会发生光解，产生碱性物种。且随着光产碱浓度的降低，光解速率逐渐下降，最后趋于平稳。

3、电子自旋共振波谱(ESR)测试：核磁管中充氮气2min，再依次加入1mg TX-S-TBD、2mg N-叔丁基苯硝酮(PBN)、1mL苯，超声10min充分溶解，随后充氮气5min。测试前进行光照，样品采用电子自旋共振波谱仪测得电子自旋共振实验图谱，并用软件拟合得模拟图谱。TX-S-TBD的ESR测试结果如图6所示，图6中实线为测试图谱，出现一组三重峰信号，可以证实自由基的存在。图中虚线是软件模拟计算所得ESR图谱，与实验所得ESR图谱一致，佐证了自由基的存在。

实施例4：TX-O-TBD混杂聚合动力学测试

先按一定摩尔比配好巯基/环氧单体混合物(四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯/E51型环氧树脂＝1:2)及巯基/炔基单体混合物(四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯/1,7-辛二炔＝1:1)，搅拌均匀。再称取TX-O-TBD光引发剂12mg，加入1滴无水甲醇溶解，加入巯基/环氧单体混合物及巯基/炔基单体混合物各150mg，混合均匀得实时红外测试样品，其中光引发剂含量为4wt％。样品涂抹于KBr盐片上，采用OmniCure S1000 UV/可见光点光源辐照，由UV-A型紫外辐照计(365nm探测头)测得辐射能量密度为142mw/cm²，辐照固化时间1000s，采用美国赛默飞世尔科技有限公司的Nicolet6700型傅立叶变换红外光谱仪实时监测巯基、环氧官能团的转化率。巯基峰面积区间取2602cm^-1-2522cm^-1；环氧峰面积区间取924cm^-1-903cm^-1；炔基峰面积区间取2125cm^-1-2104cm^-1。

如图7所示是光引发剂引发巯基/环氧/炔基混杂固化的实时转化率曲线。其中巯基最终转化率达85％，环氧最终转化率达87％，炔基最终转化率达99％。且可见两不同机理的聚合反应基本同步进行，固化时间在200s左右反应基本完成。说明此光引发剂能有效引发巯基/环氧/炔基混杂固化反应。

发明人还对比了主链未引入富电子原子的TX-TBD和主链引入氧原子的TX-O-TBD两种引发剂的引发效率。实验条件如下：先按四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯/E51型环氧树脂＝1:2的摩尔比配好巯基/环氧单体混合物，搅拌均匀。再称取TX-O-TBD光引发剂12mg，加入1滴无水甲醇溶解，加入巯基/环氧单体混合物300mg，混合均匀得实时红外测试样品，其中光引发剂含量为4wt％。如图8所示，为不同光引发剂引发巯基/环氧固化的实时环氧转化率曲线。由如8可知，与TX-TBD相比，TX-O-TBD反应速率更快，且最终环氧转化率由60％增加至77％。这是因为氧原子的引入导致TX-O-TBD的吸收波长红移，使其吸收峰与光源的发射峰更好地匹配，提高了光吸收效率，进而使反应速率和转化率增加。

此外，分子结构中碱性基团作为光解后引发反应的活性物种，其的碱性强弱影响引发剂的效率，发明人尝试使用了多种碱性物质，最终选取如下多种碱性物质为碱性基团：

因为此类物质皆为强碱，在实验都有较好的引发效率。

分子结构中X基团采用S、N、O这些不同的原子，此三种原子都为富电子原子，在结构中具有推电子效应，因起到的作用基本一致，使得引发剂都有良好的引发效率。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。