光化聚合

光化聚合

又稱光聚合,是指化合物吸收光而引起分子量增加的化學過程。是20世紀60年代問世的新型綠色環保技術。與傳統熱聚合相比,光聚合具有環境友好,無溶劑揮發,生產效率高,適應性廣,成本低,能耗低等優點。

歷史

1845年,有人首次觀察到苯乙烯光聚合成為玻璃狀的樹脂,但當時並不了解光聚合的本質。

1895年首次觀察到肉桂酸的光化學的二聚作用(當肉桂酸酯基被結合到聚乙烯分子中,聚合物就成為了可光交聯的反應物)。

Ostromislenski是光聚合的第一個研究者,在研究溴乙烯光聚合時,注意到生成的聚合物分子量大大超過了單體溴乙烯所吸收的光子數,故認為其中包含一個鏈反應過程。

光聚合反應特徵

與普通化學法引發的聚合反應相比不同之處:引發聚合的活性種的產生方式。活性種是由光化學反應產生的聚合反應稱為光聚合反應。因此,就鏈式反應而言光聚合只有在鏈引發階段需要吸收光能。

特點

1.活化能低,易於低溫聚合。

2.實驗中,可獲得不含引發劑殘基的純的高分子。

3.量子效率高。吸收一個光子導致大量單體分子聚合為大分子的過程

能發生光化學反應的條件

1、聚合體系中必須有一個組分能吸收某一波長範圍的光能。

2、吸收光能的分子能進一步分解或與其它分子相互作用而生成初級活性種。

3、過程中所生成的大分子的化學鍵應是能經受光輻射的關鍵在於:選擇適當能量的光輻射。

光聚合反應分類

依機理分為兩類:

1. 鏈式過程聚合反應

該反應的主要模式:自由基反應光引發自由基聚合發生的三種方式:

1、光直接激發單體或激髮帶有發色團的聚合物分子而產生的反應活性種引發聚合。單體吸收光產生激發態單體分子,由該受激分子產生自由基。如:溴乙烯、烷基乙烯基酮。單體吸收光被激發後生成單線態激發態,可發出螢光,也可系間竄躍為三線態激發態(此時可認為是雙自由基biradical)(如:苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯)。

2、光激發分子複合物(大多為電荷轉移複合物),由受激發分子複合物解離產生自由基、離子等活性種引發聚合

3、光活性分子(光引發劑、光敏劑)引發光聚合。由它們斷裂產生的活性種或把能量傳遞給單體或能夠形成引發活性種的其它分子,再引發聚合。

光引發劑 (Photoinitiator)作用機理 :一般為它吸收適當波長及強度的光能,發生光物理過程至其某一激發態,若該激發態能量大於斷裂鍵所需能量,就能產生初級活性種,通常為自由基 。

光敏劑(photosensitizer)作用機理:在吸收光能發生光物理過程至它的某一激發態後,發生分子內或分子間能量轉移,傳遞至另一分子(單體或引發劑)產生初級活性種(一般也是自由基)。在這類能量轉移機理中,光敏劑本身並不消耗或改變結構,因此,光敏劑可以看作是光化學反應的催化劑,其作用在於提高光化學反應的量子效率。

2.非鏈式過程聚合反應-局部聚合

特點:反應速度慢(快速光固化體系不適用)。用於這類光交聯得反應有其特殊光化學要求,儲存期長。重要套用:光致抗蝕劑(高解析度、良好尺寸穩定性和高抗刻蝕性能)。

光聚合反應的影響因素

1.光聚合反應是與鏈段運動有關的雙分子反應。只有在某一反應基團激發態壽命期間內,兩個反應基團必須處於適當距離和適當取向位置才有可能發生反應。

2.重要的是提高光聚合高分子的感光性 。

3.分子量、鏈的柔順性、分子運動轉變溫度及其聚集態結構等都將產生影響。

光聚合套用領域

套用領域有:塗料、粘合劑、圖飾材料(油墨、印刷板等)、光刻膠、齒科醫用材料、直接雷射成像技術、三維模具加工技術等。

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