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UV 固化中氧阻聚作用

   2021-07-27 1460
核心提示:UV固化中氧阻聚作用氧阻聚對 UV 固化過程危害很大,幾乎所有的輻射固化反應都會受到空氣中氧的影響。光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基 R與 O
 UV 固化中氧阻聚作用

 


     氧阻聚對 UV 固化過程危害很大,幾乎所有的輻射固化反應都會受到空氣中氧的影響。光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基 R·與  O?的反應速率常數(shù)是它與單體的 10000—100000 倍,少量的氧也可能導致自由基光引發(fā)劑的失效,當體系與外界相通時, 隨著體系內部氧的消耗,空氣中的氧氣還會通過擴散作用進入涂層內部,不斷地起著阻聚效果。這個過程通常會使固化材料出現(xiàn)表里不一的狀況,即涂層里面的氧氣濃度低,先固化、表層氧氣濃度高,照射很長時間仍未固化而發(fā)粘。此外氧氣還會導致表層出現(xiàn)大量類似于碳基、羥基、過氧基的不穩(wěn)定結構,從而出現(xiàn)黃變、針孔等問題,影響材料性能。從能量角度來講,由于氧阻聚的影響,表層固化耗能更高,例如:在清漆體系中同樣是固化 1 微米的厚度,表層和相距 5 微米的里層能耗相差 20 倍。氧阻聚的存在影響了材料的性能、延長了固化時間、加大了能量的損耗。為了能找到解決氧阻聚的辦法,就必須從其阻聚機理開始研究。通常氧阻聚主要包括三種方式:(1)淬滅,(2)清除,(3)氧化。

(1) 光引發(fā)劑 PI 受紫外光輻射逐步變?yōu)槿€態(tài)激發(fā)態(tài) ³(pl)*,它能與三線態(tài)氧氣 ³(O?)形成配合物,導致光引發(fā)劑從激發(fā)態(tài)回到穩(wěn)定的基態(tài),難以進一步產(chǎn)生自由基,引發(fā)單體和低聚物聚合。

     光引發(fā)劑中裂解型的淬滅幾率較小,因為該類型三線態(tài)激發(fā)態(tài) ³(PI)*在極短時間內就裂解為自由基,氧氣來不及與之發(fā)生作用。

 

(2) 三線態(tài)激發(fā)態(tài) ³(PI)*不穩(wěn)定通過奪氫或裂解進一步生成活性自由基 R*, 它容易和氧氣快速加成,形成穩(wěn)定的過氧化自由基 RO?*,不能引發(fā)聚合。我們一般認為基態(tài)的三線態(tài) ³(O?)分子中有兩個自旋方向相同的未成對電子,電子本質上是雙自由基,活性很高。氧氣競爭活性自由基對單體(M)聚合影響在氧阻聚的三種方式中大。

(3) 氧氣進一步與單體聚合的自由基 P1*作用,形成過氧化物 PO?*,影響聚合。

    由上述氧阻聚的三種方式可知,氧氣的存在不僅淬滅了激發(fā)態(tài)光引發(fā)劑,清除了活性自由基,還氧化產(chǎn)生過氧化物,使固化效果變差,影響固化后材料的性能。

     為了解決氧阻聚難題,人們發(fā)明了各種抗氧阻聚的方法。常使用的物理解決方法有氮氣惰化法、蠟油覆膜法、強光輻射法、增加引發(fā)劑計量法等。以及化學解決方法:加入抗氧劑,使用能產(chǎn)生惰性氣體的光引發(fā)劑,用胺、硫醇、硅烷等氫供體還原過氧化物再次得到活性自由基。

     使用氮氣惰性法操作直接,但難以擴大到工業(yè)規(guī)模;蠟油覆膜法能防止表面刮花,但要考慮體系相容性,容易受限于溫度;強光輻射發(fā)法能一定程度提高聚合率,但容易導致黃變。提高光引發(fā)劑量和多組分光引發(fā)劑組合使用能起到阻礙氧氣阻聚作用,但會產(chǎn)生光引發(fā)劑碎片和小分子物質,可能會從材料表層中遷移出來,難以應用于醫(yī)療食品包材及高精度光學元器件。

    Shenoy 和 Bowman 等人提出了將 9,10-二甲基蒽作為抗氧化劑,Zn(ttp)作為光敏劑,使空氣中三線態(tài)氧轉化為穩(wěn)定的單線態(tài)氧,減少氧阻聚效果。該方法適用于丙烯酸酯體系。但該方面研究還處于剛開始的階段。

 

     一些自由基引發(fā)劑分解后提供引發(fā)自由基和氮氣、二氧化碳等具有抗氧阻聚的效果的氣體。例如肟酯能進行光裂解,提供自由基和一分子 CO?。

     PDO 是曾成功的應用于液晶顯示器(LCD)中的彩色濾光片中肟酯類光引發(fā)劑。雖然其吸光度比其他的光引發(fā)劑低,但氧阻聚的降低能得到優(yōu)越的性能。在肟酯分子中引入二苯基硫醚或咔唑基團可極大的提高這類肟酯化合物的穩(wěn)定性和感光活性,這些基團中有較大的共軛體系和較強的分子內電子轉移特性;目前應用廣泛的兩個代表性肟酯類光引發(fā)劑是 OXE-1,和 OXE-2。該類光引發(fā)劑在應用于薄層固化中未發(fā)現(xiàn)氣泡,較厚涂層時可能有所影響。肟酯類光引發(fā)劑普遍價格昂貴。

    氫給體 DH 也叫鏈轉移試劑,它能釋放氫原子,使穩(wěn)定的過氧化自由基還原為活性自由基,引發(fā)單體聚合。由前面氧阻聚機理可知過氧化自由基主要包括RO?*, PO?*。他們不具備和(甲基)丙烯酸單體反應的能力,而還原成的自由基(R*,Pl*)活性很強能和單體結合形成聚合物。氫給體有胺、硫醇、硅烷等種類。其中胺類和 NorrishII 型光引發(fā)劑組合反應速率高,并且胺類價格低可以克服氧阻聚,這使得低分子量的胺類化合物應用較多。通常選用的胺助引發(fā)劑都是叔胺,其分子結構中含 a-H 能為光引發(fā)劑提供氫,而自身和氧結合來阻止氧阻聚。然而胺具有刺激氣味、容易分解和黃變、能吸水, 對于材料有較大的不良影響,限制了其使用。


 
 









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