CN114874260B - 一种光引发剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光引发剂及其制备方法与应用;属于光固化技术领域;本发明的光引发剂结构式为;本发明制备的光引发剂具有低迁移性,光引发效率高,作为UV‑LED光引发剂用于光固化涂料、油墨、胶黏剂、平面艺术设计及3D打印等,可实现深层固化,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光固化技术领域,具体涉及一种光引发剂及其制备方法与应用。
背景技术
酰基膦氧类光引发剂是一种I型自由基裂解型高引发效率的光引发剂,其紫外-可见吸收光谱中有效吸收波段为350-400nm,经光照后可生成自由基引发聚合,可深层固化,综合性能优的光引发剂。
目前,TPO(2,4,6-(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦)是工业化应用最广泛的I型裂解自由基光引发剂,其引发效率高、在单体中溶解度高、深层固化优,主要应用领域有木材用家具涂料、油墨,但随着光固化技术不断向更加绿色环保领域发展,在家具涂料、食品包装油墨、烟包油墨及人体可接触到的涂层中,对光引发剂提出新的需求,降低光固化体系固化后涂层中光引发剂的迁移率,已成为光引发剂领域发展趋势。TPO应用于环保光固化体系存在迁移率高的问题,在众多低迁移领域应用受限,研发具有低迁移、高引发效率的酰基膦氧类光引发剂迫在眉睫。新型酰基膦氧类低迁移光引发剂的研究与应用,将增加该类光引发剂的在环保领域的应用。
应用最广泛的酰基膦氧光引发剂2,4,6-(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(TPO),应用于高端环保家具涂料、食品外包装油墨、烟包油墨中存在迁移率高、引发效率低的问题。随着UV-LED光固化技术不断发展,世界各国对光固化后漆膜涂层引发剂的迁移率提出更高要求,限制了酰基膦氧类UV-LED光引发剂的应用。本发明的光引发剂,具有低迁移性、引发效率高、溶解性优,提升了酰基膦氧类光引发剂的应用范围,拓展了光固化技术在环保涂料、油墨中的应用。
专利CN 113372386 A制备的酰基膦氧光引发剂TPO具有引发效率高、溶解性好被广泛使用,但因其在光固化涂层中易迁移至表面,对人体及环境造成潜在危害,目前在低迁移要求较高领域应用少,而酰基膦氧类引发剂整体引发剂效率均较高,开发具有低迁移的酰基膦氧类光引发剂已成为发展趋势。本发明的光引发剂,具有低迁移性、引发效率高的特点,将增加酰基膦氧类光引发剂在环保涂料、油墨中的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服光引发剂在涂层中高迁移率问题,提供一类具有低迁移、高引发效率的UV-LED光引发剂及其制备方法,应用于UV-LED光固化涂层,其具有低迁移率、高引发速率的特点。
本发明的低迁移酰基膦氧类I型可自由基聚合的光引发剂及其制备方法,该引发剂适用于,应用波段为350nm-420nm,是一种低迁移、光引发效率高的UV-LED光引发剂,作为紫外光引发剂应用于UV-LED光固化涂料、油墨、胶黏剂、平面艺术设计及3D打印等。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种光引发剂,结构式如下:
R1为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R2为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R3为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R4为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R5为:其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10。
优选的,所述光引发剂的结构式如下:
上述的光引发剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将无机碱与对羟基苯甲醛衍生物,溶于溶剂1中,加入溴衍生物R5-Br后,TLC监测反应至完全;提纯得产物1;产率≥75%;
(2)将产物1加入二苯基氧磷中,TLC监测反应至完全,得产物2;产率≥80%;
(3)将产物2溶于溶剂2中,加入氧化剂后搅拌,TLC监测反应至完全,提纯得光引发剂;产率≥75%;
所述对羟基苯甲醛衍生物的结构式为:
R1为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R2为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R3为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R4为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
所述溴衍生物R5-Br的结构式为:
其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
所述产物1的结构式如下:
R5为:其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
所述产物2的结构式如下:
优选的,步骤(1)中,所述对羟基苯甲醛衍生物与溴衍生物R5-Br的摩尔比1:1-4.5;
优选的,步骤(1)中,所述无机碱为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种;
优选的,步骤(1)中,所述对羟基苯甲醛衍生物与无机碱的物质的量比1:1-4;
优选的,步骤(1)中,所述对羟基苯甲醛衍生物与溶剂1的物质的量比为1:40-70;
优选的,步骤(1)中,所述溶剂1为丙酮、乙醇、乙腈、四氢呋喃、乙酸乙酯、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、甲基丁酮、甲基异丁酮中的一种或多种;
优选的,步骤(1)中,所述反应的温度为50℃到100℃;所述反应的时间为10-48小时;
优选的,步骤(1)所述提纯为用去离子水淬灭反应;用乙酸乙酯萃取3-5次,合并有机相,无水硫酸钠干燥,过滤,减压下除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯混合溶剂为流动相,进行柱层析。
进一步优选的,所述无水硫酸钠干燥,是将无水硫酸钠加入到含产物的有机相中,混合搅拌均匀,观察硫酸钠为流动粉体后,静置30分钟-2小时至体系无明显水分;
进一步优选的,所述石油醚与乙酸乙酯混合溶剂体积比为(5-20):1。
优选的,步骤(2)中,所述产物1与二苯基氧磷的物质的量比1:1.5-5;
优选的,步骤(2)中,所述反应的温度为80-150℃;所述反应的时间为18-48小时。
优选的,步骤(3)中,所述产物2与溶剂2的物质的量比1:35-150;
优选的,步骤(3)中,所述溶剂2为乙酸乙酯、二氯甲烷、四氢呋喃、丙酮、1,2-二氯乙烷、醋酸甲酯、氯苯中的一种或多种;
优选的,步骤(3)中,所述产物2与氧化剂的物质的量比1:1-30;
优选的,步骤(3)中,所述氧化剂为活性二氧化锰、过氧化氢、戴斯-马丁试剂、高锰酸钾中的一种或2种;
优选的,步骤(3)中,所述反应的温度为10℃-40℃;所述反应的时间为10-48小时;
优选的,步骤(3)所述提纯为减压蒸馏除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯混合溶剂为流动相,进行柱层析后,干燥。
进一步优选的,所述干燥为真空吸干;
进一步优选的,所述石油醚与乙酸乙酯混合溶剂体积比为(0.5-10):1。
上述的光引发剂在UV-LED光固化中的应用。
优选的,所述光引发剂的吸收波长在350-420nm。
与现有技术相比,本发明的优点与有益效果为:
(1)为了解决UV-LED类光引发剂在光固化后残留光引发剂的迁移率高的难题,本发明提供一类具有低迁移酰基膦氧类的UV-LED光引发剂,应用于UV-LED光固化涂料、油墨涂层,可有效降低涂层光引发剂迁移,本发明酰基膦氧类光引发剂有优异的深层固化特点。本发明具有低迁移率,可应用于低迁移领域光固化体系。
(2)本发明的化合物是一种低迁移、高引发效率、深层固化的UV-LED光引发剂。
(3)本发明的化合物合成工艺简单。
附图说明
图1为实施例1中酰基膦氧衍生物的核磁氢谱图。
图2为实施例1中酰基膦氧衍生物的核磁碳谱图。
图3为实施例1中酰基膦氧衍生物的核磁磷谱图。
图4为实施例2中酰基膦氧衍生物的核磁氢谱图。
图5为实施例2中酰基膦氧衍生物的核磁碳谱图。
图6为实施例2中酰基膦氧衍生物的核磁磷谱图。
图7为实施例3中酰基膦氧衍生物的核磁氢谱图。
图8为实施例3中酰基膦氧衍生物的核磁碳谱图。
图9为实施例3中酰基膦氧衍生物的核磁磷谱图。
图10为实施例4中酰基膦氧衍生物的核磁氢谱图。
图11为实施例4中酰基膦氧衍生物的核磁碳谱图。
图12为实施例4中酰基膦氧衍生物的核磁磷谱图。
图13为TPO和实施例1-4中酰基膦氧衍生物的紫外-可见图谱图。
图14为TPO和实施例1-4引发剂在LED@385nm下的C=C转换率曲线。
图15为TPO和实施例1-4引发剂在LED@420nm下的C=C转换率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式和保护范围不限于此。
实施例1
(1)在常温下,将氢氧化钾(1mol)与2,6-二甲基4-羟基苯甲醛(1mol),溶于丙酮(40mol)中,加入4-溴甲基联苯(1.5mol)后,调节温度至50℃,反应一段时间(48h)后,TLC监测反应完全。用去离子水淬灭反应,用乙酸乙酯分三次萃取,合并有机相,无水硫酸钠干燥,过滤,减压下除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)混合溶剂体积比为5:1为流动相,进行柱层析,得产物1,产率:80%。
(2)将产物1(1mol)与二苯基氧磷(1.5mol)混合搅拌,升高温度至80℃反应48小时后,TLC监测反应完全,产率80%。
(3)将产物2(1mol)溶于二氯甲烷(150mol)中,加入活性二氧化锰(30mol)后25℃搅拌,反应一段时间(48h)后,TLC监测反应完全,减压蒸馏除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)体积比为4:1混合溶剂为流动相,进行柱层析后,干燥得产物3,产率90%。
本实施例所得产物3的核磁氢谱图如图1、图2、图3所示。说明本申请制备得到的目标产物。
本实施例所得产物3的紫外-可见图谱图如图13所示。说明了产物3有效吸收波段在350-420nm之间。
实施例2
(1)在常温下,将碳酸钠(2mol)与2,6-二甲基4-羟基苯甲醛(1mol),溶于乙醇(60mol)中,加入2-(溴甲基)萘(3mol)后,调节温度至90℃,反应一段时间(24h)后,TLC监测反应完全。用去离子水淬灭反应;用乙酸乙酯分5次萃取,合并有机相,无水硫酸钠干燥,过滤,减压下除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)混合溶剂体积比为20:1为流动相,进行柱层析,得产物1,产率:97%。
(2)将产物1(1mol)加入二苯基氧磷(4mol)中搅拌,在120℃下反应36小时后,TLC监测反应完全,干燥后得产物2,产率92%。
(3)将产物2(1mol)溶于二氯甲烷(120mol)中,加入活性二氧化锰(20mol)后30℃搅拌,反应一段时间(24h)后,TLC监测反应完全,用硅藻土过滤,再减压蒸馏除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)体积比为7.5:1混合溶剂为流动相,进行柱层析后,干燥得产物3,产率80%。
本实施例所得产物3的核磁氢谱图如图4、图5、图6所示。说明本申请制备得到的目标产物。
本实施例所得产物3的紫外-可见图谱图如图13所示。说明了产物3吸收光谱有效吸收波段为350-420nm。
实施例3
(1)在常温下,将碳酸钾(3mol)与2,6-二甲基4-羟基苯甲醛(1mol),溶于乙醇(58mol)中,加入3-丙氧基溴丙烷(3mol)后,调节温度至70℃,反应一段时间(36h)后,TLC监测反应完全。用去离子水淬灭反应;用乙酸乙酯分四次萃取,合并有机相,无水硫酸钠干燥,过滤,减压下除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)混合溶剂体积比为15:1为流动相,进行柱层析,得产物1,产率:86%。
(2)将产物1(1mol)加入二苯基氧磷(4mol)中搅拌,在150℃下反应一段时间(18小时)后,TLC监测反应完全,干燥后得产物2,产率86%。
(3)将产物2(1mol)溶于乙酸乙酯(40mol)中,加入10wt%过氧化氢(2mol,H2O2)后30℃搅拌,反应一段时间(15h)后,TLC监测反应完全,减压蒸馏除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)体积比为3:1混合溶剂为流动相,进行柱层析后,干燥得产物3,产率83%。
本实施例所得产物3的核磁氢谱图如图7、图8、图9所示。说明本申请制备得到的目标产物。
本实施例所得产物3的紫外-可见图谱图如图13所示。说明了产物3吸收光谱有效吸收波段为350-420nm。
实施例4
(1)在常温下,将碳酸氢钠(3mol)与2,6-二甲基4-羟基苯甲醛(1mol),溶于四氢呋喃(70mol)中,加入3,5-二甲基溴苄(4mol)后,调节温度至60℃,反应一段时间(36h)后,TLC监测反应完全。所述提纯为用去离子水淬灭反应;用乙酸乙酯分四次萃取,合并有机相,无水硫酸钠干燥,过滤,减压下除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)混合溶剂体积比为15:1为流动相,进行柱层析,得产物1,产率:85%。
(2)将产物1(1mol)加入二苯基氧磷(2mol)中搅拌,在135℃下反应一段时间(24小时)后,TLC监测反应完全,干燥后得产物2,产率86%。
(3)将产物2(1mol)溶于乙酸乙酯(130mol)中,加入戴斯-马丁试剂(1mol)后常温搅拌,反应一段时间(10h)后,TLC监测反应完全,减压蒸馏除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯(V/V)体积比为10:1混合溶剂为流动相,进行柱层析后,干燥得产物3,产率80%。
本实施例所得产物3的核磁氢谱图如图10、图11、图12所示。说明本申请制备得到的目标产物。
本实施例所得产物3的紫外-可见图谱图如图13所示。说明了产物3吸收光谱有效吸收波段为350-420nm。
性能测试:
(1)迁移性测试
将质量比为光引发剂:二氯甲烷:TMPTA=2:5:98的混合物均匀地铺展在250mL平底的锥形瓶中,将锥形瓶抽放氮气三次后用385nm的LED点光源照射6min确保固化完全。将固化膜取下,研磨成粉末。称取固化膜粉末放入5mL的乙腈中搅拌48h后过滤,将滤液定容至10mL。测试溶液的吸光度,依据朗伯-比尔定律,按照如下公式计算迁移率:
A是光引发剂最大吸收波长处的吸光度,Mr是光引发剂的相对分子质量,ε是最大吸收波长处的摩尔消光系数,l是吸收池的长度(1cm),m0是固化膜粉末的质量。
表1光引发剂迁移率
光引发剂 | 迁移率 |
竞品TPO | 0.48% |
实施例1 | 0.09% |
实施例2 | 0.39% |
实施例3 | 0.11% |
实施例4 | 0.10% |
(2)双键转换率:将引发剂1wt%加入单体三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)中搅拌均匀;将一滴混合物均匀地铺展在溴化钾盐片上,上表面再覆盖一层薄而透明的溴化钾盐片以防止氧阻聚。用波长为385nm和420nm的LED点光源照射,傅里叶变换实时红外光谱仪Nico letiS50测试双键转换率。
表2光引发剂双键转换率
光引发剂 | 添加量 | LED光源 | 双键转换率 |
竞品TPO | 1wt% | 385nm | 80.81% |
实施例1 | 1wt% | 385nm | 73.96% |
实施例2 | 1wt% | 385nm | 75.91% |
实施例3 | 1wt% | 385nm | 82.72% |
实施例4 | 1wt% | 385nm | 76.53% |
竞品TPO | 1wt% | 420nm | 67.67% |
实施例1 | 1wt% | 420nm | 71.73% |
实施例2 | 1wt% | 420nm | 67.2% |
实施例3 | 1wt% | 420nm | 70.06% |
实施例4 | 1wt% | 420nm | 66.04% |
实施例1-4制备的引发剂在LED@385nm下的C=C转换率曲线如图14所示。实施例1-4制备的引发剂在LED@420nm下的C=C转换率曲线如图15所示。
以上实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光引发剂,其特征在于,结构式如下:
;
R1为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n= 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R2为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R3为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R4为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R5为:、/>、/>,其中n= 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10。
2.根据权利要求1所述的光引发剂,其特征在于,结构式如下:
。
3.权利要求1或2所述的光引发剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将无机碱与对羟基苯甲醛衍生物,溶于溶剂 1中,加入溴衍生物R5-Br后,TLC监测反应至完全;提纯得产物1;
(2)将产物1加入二苯基氧磷中,TLC监测反应至完全,得产物2;
(3)将产物2溶于溶剂2中,加入氧化剂后搅拌,TLC监测反应至完全,提纯得光引发剂;
所述对羟基苯甲醛衍生物的结构式为:
;
R1为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n= 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R2为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R3为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
R4为-H、-Cn H(2n+1),-OCn H(2n+1),其中n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
所述溴衍生物R5-Br的结构式为:
、/>、/>,其中n= 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
所述产物1的结构式如下:
;
R5为:、/>、/>,其中n= 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10;
所述产物2的结构式如下:
。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述对羟基苯甲醛衍生物与溴衍生物R5-Br的摩尔比1:1-4.5;
步骤(1)中,所述无机碱为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种;
步骤(1)中,所述对羟基苯甲醛衍生物与无机碱的物质的量比1:1-4;
步骤(1)中,所述对羟基苯甲醛衍生物与溶剂1的物质的量比为1:40-70;
步骤(1)中,所述溶剂1为丙酮、乙醇、乙腈、四氢呋喃、乙酸乙酯、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、甲基丁酮、甲基异丁酮中的一种或多种;
步骤(1)中,所述反应的温度为50℃到100℃;所述反应的时间为10-48小时;
步骤(1)所述提纯为用去离子水淬灭反应;用乙酸乙酯萃取3-5次,合并有机相,无水硫酸钠干燥,过滤,减压下除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯混合溶剂为流动相,进行柱层析。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述无水硫酸钠干燥,是将无水硫酸钠加入到含产物的有机相中,混合搅拌均匀,观察硫酸钠为流动粉体后,静置30分钟-2小时至体系无明显水分;
所述石油醚与乙酸乙酯混合溶剂体积比为(5-20):1。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述产物1与二苯基氧磷的物质的量比1:1.5-5;
步骤(2)中,所述反应的温度为80-150℃;所述反应的时间为18-48小时。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述产物2与溶剂2的物质的量比1:35-150;
步骤(3)中,所述溶剂2为乙酸乙酯、二氯甲烷、四氢呋喃、丙酮、1,2-二氯乙烷、醋酸甲酯、氯苯中的一种或多种;
步骤(3)中,所述产物2与氧化剂的物质的量比1:1-30;
步骤(3)中,所述氧化剂为活性二氧化锰、过氧化氢、戴斯-马丁试剂、高锰酸钾中的一种或2种;
步骤(3)中,所述反应的温度为10℃-40℃;所述反应的时间为10-48小时;
步骤(3)所述提纯为减压蒸馏除去溶剂,用石油醚与乙酸乙酯混合溶剂为流动相,进行柱层析后,干燥。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述干燥为真空吸干;所述石油醚与乙酸乙酯混合溶剂体积比为(0.5-10):1。
9.权利要求1或2所述的光引发剂在UV-LED光固化中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述光引发剂的吸收波长在350-420nm。
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