香豆素肟酯类可见光引发剂:分子设计、合成及应用研究

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具有“5E”特点(高效、适应性广、经济、节能、环保)的光固化技术已在涂层、胶黏剂、油墨等传统领域及3D打印等高新技术中得到了广泛应用。近年来,节能高效的LED光源已逐步取代传统的UV汞灯,成为光固化领域的主流辐射源。然而,由于LED光源发射谱带窄,且发射波长主要集中在UV-A及可见光等长波区域,因此,传统的短波UV光引发剂难以与之有效匹配。如何通过合理的分子设计以构筑高效的LED光引发剂是光固化领域极富挑战的基础难题之一。本课题以香豆素肟酯为核心结构,通过调控肟酯末端基团的结构和取代位点,以及增加体系共轭长度的方式,设计并合成了一系列高效的可见光香豆素肟酯类光引发剂,在系统研究其结构-性能关系的基础上,进一步探究该类光引发剂在厚层材料光固化及3D打印中的应用。本文第一部分以二乙胺基香豆素作为生色团,肟酯作为裂解基团,通过在肟酯末端引入具有不同结构及不同取代位点的五元杂环制备了四种新型杂环香豆素肟酯类光引发剂(2-O,2-S,3-O,3-S)。该类引发剂的主吸收峰在400-480 nm之间,能有效匹配常见的405 nm和450 nm的LED光源。辐照下激发态肟酯分子发生N-O键均裂,经过快速脱羧后形成的杂环(呋喃和噻吩)自由基可高效引发丙烯酸酯类单体聚合,其中2号位取代的噻吩自由基的引发效率最高,其引发活性与苯环自由基相当。杂环香豆素肟酯类光引发剂具有良好的热稳定性(热分解温度高于160℃),且在稀溶液和树脂体系中均展示了优异的光漂白特性,可用于制备光固化深度达10 mm的厚层材料,在齿科修复领域具有潜在的应用价值。本文第二部分通过在香豆素7号位引入对二甲胺基苯乙炔结构以增加体系共轭长度的方式,设计并合成了三种长共轭香豆素基肟酯类光引发剂(OEC4,OEC3-1和OEC3-2),系统研究了不同取代位点(OEC4与OEC3-1)以及末端基团种类(OEC3-1与OEC3-2)对其光引发性能的影响。该类引发剂的主要吸收波长在380-480 nm,其中,具有较好分子平面性的3号位取代肟酯(OEC3-1)的εmax是4号位取代肟酯OEC4的2倍。与末端含苯环结构的OEC3-1相比,含乙烯基结构的OEC3-2具有更快的光解速率。在450 nm的LED光辐照下,该类光引发剂可有效引发丙烯酸酯聚合,其中OEC3-2的引发效率最高,其引发活性优于商品化光引发剂Lucirin TPO。此外,该类长共轭香豆素基肟酯引发剂具有较大的双光子吸收截面(208-536 GM),通过双光子3D打印可构筑一系列亚微米级的三维精细结构。本文第三部分针对目前因光引发剂残留和迁移导致的使用安全问题,通过在肟酯末端引入碳碳双键的方式,合成了一种可聚合的香豆素肟酯光引发剂(DCCA),并以末端含苯基的肟酯引发剂(DCCB)作为参比。在450 nm的LED光源辐照下,DCCA可高效引发丙烯酸酯和巯-烯体系光聚合,其引发效率高于DCCB和商品化光引发剂Lucirin TPO。进一步将DCCA用于DLP 3D打印,可构建高精度的江南大学三维校徽模型。由于含末端碳碳双键的DCCA可参与聚合反应,因此,未光解的引发剂分子会被锁定在聚合物网络中,其打印制件的光引发剂迁出率远小于DCCB。该类可聚合的香豆素肟酯光引发剂在生物医药、食品包装等领域具有潜在的应用价值。
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