光固化樹(shù)脂除了光引發(fā)劑和阻聚劑，還有…… 光引發(fā)阻聚劑

文/光固化新材料  
自由基聚合是制造高分子的一種重要聚合方式,，它是由自由基來(lái)引發(fā)的聚合反應(yīng),。自由基聚合也是光固化反應(yīng)的主要反應(yīng)機(jī)理(另外一種機(jī)理是離子聚合),，在商業(yè)化的光固化技術(shù)中占據(jù)極高的比例,。在光固化反應(yīng)中，自由基由光引發(fā)劑來(lái)產(chǎn)生,。光引發(fā)劑根據(jù)其自由基產(chǎn)生的機(jī)理不同而分為I型和II型,。I型為裂解型，如2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮(Darocur 1173),，2,4,6-三甲基苯甲�,；�-二苯基氧化膦(TPO)等。II為奪氫型,，如二苯甲酮(BP),，2-異丙基硫雜蒽酮(ITX)等。

阻聚劑一種可以和自由基結(jié)合形成穩(wěn)定化合物或不會(huì)再引發(fā)聚合反應(yīng)的低活性自由基的物質(zhì),，如氫醌(HQ),，對(duì)羥基苯甲醚(MEHQ)等。在光固化反應(yīng)中，氧氣也是一種阻聚劑,，會(huì)使得光固化的自由基聚合反應(yīng)中止,，這也就是我們常說(shuō)的氧阻聚現(xiàn)象。

在光固化反應(yīng)中,，我們可以說(shuō),，光引發(fā)劑和阻聚劑是一對(duì)矛盾體。光引發(fā)劑產(chǎn)生自由基使光固化反應(yīng)得以進(jìn)行,，而阻聚劑消耗自由基使得光固化反應(yīng)變慢甚至完全中止,。在光固化反應(yīng)中，光引發(fā)劑前期產(chǎn)生的自由基也會(huì)先被原材料在生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)先添加進(jìn)去的阻聚劑所消耗,，然后之后產(chǎn)生的自由基才會(huì)引發(fā)聚合反應(yīng)而使得涂料或者油墨固化,。這一段自由基被阻聚劑消耗(也可以說(shuō)阻聚劑被自由基消耗)的時(shí)間也就是光固化反應(yīng)中的誘導(dǎo)期。

這看似水火不容的兩種物質(zhì),，就不能地讓它們同時(shí)發(fā)生積極的作用嗎,？華中科技大學(xué)的解孝林教授工作組提出了光引發(fā)阻聚劑(Photoinitibitor)的概念，并將其成功用于全息聚合物分散液晶(H-PDLCs)材料的制造中,，大大改善了制造工藝,，改進(jìn)了材料性能。

顧名思義,，光引發(fā)阻聚劑在光固化反應(yīng)中可以同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)分別具有引發(fā)功能和阻聚功能的自由基,，來(lái)達(dá)到對(duì)光固化反應(yīng)進(jìn)程的良好控制，從而得到特定性能的光固化材料,。

在全息材料的制造中,，需要制造間距為1微米左右的光柵來(lái)重現(xiàn)全息圖像。采用光固化技術(shù)來(lái)對(duì)全息聚合物分散液晶材料進(jìn)行制造的過(guò)程,，其中包含了多種反應(yīng)進(jìn)程,，包括分子的聚合、液晶的擴(kuò)散以及體系分相等若干過(guò)程,。因此只有對(duì)反應(yīng)進(jìn)程中的光聚合動(dòng)力學(xué)和/或凝膠過(guò)程的時(shí)間和/或空間控制,，才能得到令人滿意的精度，從而達(dá)到對(duì)單體轉(zhuǎn)換率,、聚合物分子量及分子量分布,、納米結(jié)構(gòu),、體系架構(gòu),、熱力學(xué)機(jī)械性能，以及光學(xué)性能等的良好控制,。

解教授等人在這里所使用的光引發(fā)阻聚劑,，是由光敏劑3,3’-羰基二(7-二乙胺香豆素)(KCD)和助引發(fā)劑N-苯基甘氨酸(NPG)所形成的一個(gè)組合。

這一組合在光照射下激發(fā)后,，經(jīng)過(guò)電子轉(zhuǎn)移,、質(zhì)子轉(zhuǎn)移以及脫二氧化碳,，就形成了一個(gè)具有阻聚效果的羰自由基，和具有引發(fā)效果的氨烷基自由基,。其反應(yīng)機(jī)理如下圖,。

這里的H-PDLCs配方，是由2-乙基己基丙烯酸酯(EHA),，N-乙烯基吡咯烷酮(NVP),，超支化丙烯酸酯單體6361-100，液晶混合物P0616A,，N-苯基甘氨酸(NPG)和3,3’-羰基二(7-二乙胺香豆素)(KCD)所組成,。

圖1 KCD濃度為0.6wt%條件下，NPG濃度變化時(shí)的P-DSC曲線圖

在這一體系中,，KCD通過(guò)電子轉(zhuǎn)移,，使得NPG變?yōu)榫哂幸�發(fā)活性的自由基，而自身則變?yōu)橐粋�(gè)具有阻聚作用的自由基,。體系中NPG的濃度對(duì)于反應(yīng)的影響不大(如圖1),，因?yàn)镹PG只是單純的產(chǎn)生自由基。而KCD在體系中其濃度的變化對(duì)反應(yīng)的整體影響很大,。

如圖2所示,，將EHA，NVP,，6361-100,，P0616A和NPG比例固定在18:9:25:26:1時(shí)，KCD的濃度從0.3 x 10-3增加到1.4 x 10-3 mol•L-1時(shí),，光聚合速度增加了73%(從4.5增加到7.8s-1),，同時(shí)轉(zhuǎn)換率也得到了提高。而KCD濃度的進(jìn)一步增加則反而會(huì)使得反應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換率都大大降低,。當(dāng)KCD濃度增加到11.0 x 10-3 mol•L-1時(shí),，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)和KCD濃度為0.3 x 10-3 mol•L-1時(shí)的表現(xiàn)類似，即使他們的KCD濃度有35.7倍的差別,。在KCD濃度超過(guò)13.7 x 10-3 mol•L-1后,，其動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)不再有明顯的變化。

圖2 雙鍵轉(zhuǎn)換率為5%時(shí),，KCD濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響,。插小圖：當(dāng)KCD濃度小于1.4 x 10-3 mol•L-1時(shí)，反應(yīng)速度和KCD濃度的平方根成正比關(guān)系

光引發(fā)阻聚劑的反應(yīng)機(jī)理,，我們可以分為6個(gè)主要步驟(如圖3),。即：(a)光照情況下產(chǎn)生引發(fā)聚合反應(yīng)的氨烷基自由基(R•)和產(chǎn)生阻聚效果的羰自由基，(b)引發(fā)，(c)鏈增長(zhǎng),，(d)聚合物自由基雙分子結(jié)合的終止反應(yīng),，(e)聚合物自由基雙分子歧化終止反應(yīng)，和(f)羰自由基對(duì)聚合物自由基的阻聚反應(yīng),。

圖3 由KCD和NPG所組成的光引發(fā)阻聚劑的基本反應(yīng)步驟

解孝林教授等人的工作表明,，將KCD+NPG這種光引發(fā)阻聚劑體系用于制造全息聚合物分散液晶(H-PDLC)材料時(shí)，通過(guò)改變KCD的濃度,，可以有效地控制反應(yīng)速度,、凝膠時(shí)間，得到很好的H-PDLC光柵的偏析度和衍射效率,，并大大降低驅(qū)動(dòng)電壓,。

來(lái)源： 光固化新材料