謝王付，黃筆武，萬(wàn)時(shí)策，雍濤，韓文娟

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3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷的合成及作為陽(yáng)離子型UV固化稀釋劑性能研究

謝王付，黃筆武*，萬(wàn)時(shí)策，雍濤，韓文娟

摘要：以3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和烯丙基溴為原料，以四丁基溴化銨為相轉(zhuǎn)移催化劑，在氫氧化鉀堿溶液作用下合成活性單體3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷，考察了原料配比、催化劑使用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響，較佳反應(yīng)條件為：n(3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷)∶n(烯丙基溴)=1∶1.4，m(3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷)∶m(四丁基溴化銨)=23.2∶1，反應(yīng)溫度為0 ℃，反應(yīng)時(shí)間為24 h。同時(shí)把3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷作為稀釋劑加入到環(huán)氧樹(shù)脂E-51中，利用三芳基锍鎓六氟銻酸鹽作為光引發(fā)劑，制備了陽(yáng)離子型紫外光固化涂料，當(dāng)活性單體投入量為20%時(shí)，其紫外光固化膜的拉伸強(qiáng)度為35.18 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為4.78%，沖擊強(qiáng)度為30 kg·cm。

關(guān)鍵詞：紫外光固化氧雜環(huán)丁烷烯丙基溴活性單體

紫外光(UV)固化技術(shù)具有固化速度快、固化產(chǎn)物性能優(yōu)異、節(jié)能、污染少等特點(diǎn)[1-2]，主要應(yīng)用在涂料、油墨、電子產(chǎn)品、快速成型等領(lǐng)域[3-5]。UV固化技術(shù)主要有自由基[6-8]和陽(yáng)離子型兩種固化機(jī)理[9-11]，自由基型光固化具有速度快、固化膜性能易于調(diào)節(jié)、單體種類(lèi)較多等優(yōu)點(diǎn)[12-13]，但也有固化膜體積收縮率大、附著力差、反應(yīng)易受氧氣阻聚等缺點(diǎn)[14]；陽(yáng)離子型光固化具有具有體積收率低、附著力強(qiáng)、耐磨和硬度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于精度要求較高的立刻光刻快速成型技術(shù)。然而可用于陽(yáng)離子UV固化材料體系的活性單體種類(lèi)目前還不多，且通常脂環(huán)族環(huán)氧活性單體合成工藝復(fù)雜，價(jià)格較昂貴，芳香族環(huán)氧活性單體中，由于苯環(huán)的存在，對(duì)環(huán)氧基產(chǎn)生吸電子效應(yīng)，影響環(huán)氧基光敏性，不利于開(kāi)環(huán)聚合，限制了其實(shí)際的應(yīng)用。筆者以3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷(EHO)和烯丙基溴為原料，以四丁基溴化銨為相轉(zhuǎn)移催化劑，在氫氧化鉀堿溶液作用下合成活性單體3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷，將其作為一種活性稀釋劑加入到含有雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂和陽(yáng)離子型光引發(fā)劑的體系中，制備了一種陽(yáng)離子型UV固化涂料。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　原料及儀器

烯丙基溴、氫氧化鉀、四丁基溴化銨、二氯甲烷、無(wú)水硫酸鎂，陽(yáng)離子光引發(fā)劑(UV-6976，即三芳基锍鎓六氟銻酸鹽)，均為分析純；雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂(E-51)為工業(yè)品。

FT-IR EQUINOX55型紅外光譜儀、AVANCE Ⅲ 600 MHz型核磁共振波譜儀，均由瑞士布魯克(Bruker)公司制造；電子拉力試驗(yàn)機(jī)，深圳市瑞格爾儀器有限公司；工字型漆膜涂布器，QCJ型沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，QHD型擺桿阻尼試驗(yàn)儀，QTX-1型彈性漆膜測(cè)定器，均由天津永利達(dá)材料試驗(yàn)機(jī)有限公司制造，INTELLI-RAY400智能控制紫外光固化機(jī)系統(tǒng)，深圳市慧碩機(jī)電有限公司。

1.2　3-乙基-3-烯丙基甲氧基的合成

先以碳酸二乙酯和三羥基丙烷在堿環(huán)境下發(fā)生酯交換反應(yīng)，生成六元環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的中間體，然后再在高溫下裂解脫去CO2即制得前驅(qū)體3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷，減壓蒸餾收集130~135 ℃/21.3 kPa的餾分。將前驅(qū)體與氫氧化鉀水溶液加入到帶有磁力攪拌子，溫度計(jì)、滴液漏斗和回流裝置的三口燒瓶中，在強(qiáng)烈攪拌下加入四丁基溴化銨，控制滴液漏斗的液滴速度，緩慢加入烯丙基溴，在0 ℃下維持24 h，使反應(yīng)進(jìn)行完全；然后取一定量二氯甲烷和蒸餾水加入到反應(yīng)產(chǎn)物中，利用分液漏斗分相，有機(jī)相再用蒸餾水洗滌兩次，然后通過(guò)無(wú)水硫酸鎂干燥過(guò)濾，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓蒸餾除去多余的烯丙基溴及萃取劑二氯甲烷，最后殘留分再進(jìn)行減壓蒸餾，收集55~60 ℃/0.4 kPa的餾分，產(chǎn)物即為3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷(AllylEHO)。

*通信聯(lián)系人,E-mail:hbwjxnc@sina.com。

2結(jié)果與討論

2.1　合成工藝參數(shù)的確定

2.1.1原料配比

本實(shí)驗(yàn)中3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷的投料固定為23.2 g(0.2 mol)，烯丙基溴的投料摩爾數(shù)按照相應(yīng)比例變化。表1為烯丙基溴的用量對(duì)收率的影響。

表1　烯丙基溴的用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響

注：50 g 50%氫氧化鉀水溶液，1.0 g相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨，溫度為0 ℃，反應(yīng)時(shí)間為24 h。

如表1所示:隨著烯丙基溴的增加，產(chǎn)物收率逐步升高，當(dāng)3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷與烯丙基溴的起始摩爾比為1.0∶1.4時(shí)為最佳。烯丙基溴用量較少時(shí)，收率較低；這可能是由于烯丙基溴很活潑，較容易揮發(fā)，同時(shí)在強(qiáng)堿的作用下很容易水解并發(fā)生脫水，從而發(fā)生副反應(yīng)。

2.1.2催化劑及其用量

3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和烯丙基溴發(fā)生威爾姆遜醚化反應(yīng)與雙酚A和烯丙基溴的醚化反應(yīng)不同。因雙酚A上的苯環(huán)可以與氧原子形成具有吸電子作用的大π鍵，從而使酚羥基顯弱酸性，兩者之間的反應(yīng)相對(duì)較容易進(jìn)行；而3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷上的羥基不易失去氫原子，兩者之間的反應(yīng)相對(duì)較難。故通常用NaOH、KOH濃溶液或NaH固體等強(qiáng)堿性物質(zhì)處理脂肪醇，使其成為溶于水的醇鈉(鉀)鹽，再將烯丙基溴滴加到醇鈉(鉀)鹽水溶液中。由于有機(jī)物難溶于水，故反應(yīng)通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，反應(yīng)不完全且通常收率不高，故通常會(huì)采用相轉(zhuǎn)移催化法。上述反應(yīng)中，在相轉(zhuǎn)移催化劑存在下，于一定溫度下，通過(guò)相轉(zhuǎn)移催化劑的作用，通?？梢燥@著縮短反應(yīng)時(shí)間，提高收率。

在冰水浴環(huán)境下，控制3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷與烯丙基溴的投料摩爾比為1∶1.4，向50 g 50%的氫氧化鉀水溶液中加入3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷0.2 mol，反應(yīng)時(shí)間為24 h，分別考察了芐基三乙基氯化銨和四丁基溴化銨的不同用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：該反應(yīng)選用四丁基溴化銨作為相轉(zhuǎn)移催化劑優(yōu)于芐基三乙基氯化銨，反應(yīng)產(chǎn)物收率明顯較高，較佳投料比為四丁基溴化銨/3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷(摩爾比)0.015。

圖1　四丁基溴化銨及芐基三乙基氯化銨的用量對(duì)收率的影響

2.1.3反應(yīng)溫度

固定3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷用量23.2 g，50 g50%氫氧化鉀水溶液，烯丙基溴與3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷的摩爾比為1.4∶1，1 g四丁基溴化銨，反應(yīng)時(shí)間24 h，考察反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響

由圖2可知：隨著溫度的升高，產(chǎn)物收率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在初始階段，收率的下降相對(duì)平緩，但當(dāng)溫度超過(guò)5 ℃時(shí)，收率有較明顯的下降，主要原因可能是烯丙基溴是一種很活潑的物質(zhì)，較容易揮發(fā)，同時(shí)在強(qiáng)堿作用下很容易水解并發(fā)生脫水醚化反應(yīng)，與主反應(yīng)屬于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，故而影響產(chǎn)物收率。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)較佳反應(yīng)溫度為0 ℃。

2.1.4反應(yīng)時(shí)間

3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷與烯丙基溴的投料分別為23.20 g和33.88 g，加入1 g相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨和50 g 50%氫氧化鉀水溶液，反應(yīng)在0 ℃下進(jìn)行，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：較佳反應(yīng)時(shí)間為24 h。

圖3　反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響

2.2　反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征分析

2.2.1FT-IR

圖4為EHO與產(chǎn)物3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷(AllylEHO)的紅外光譜。由圖4可知：EHO曲線中，3 418 cm-1為處O—H的吸收峰；2 964，2 866，1 478 cm-1處為甲基中C—H吸收峰；2 934 cm-1處為亞甲基中C—H吸收峰；827 cm-1處是氧雜環(huán)丁烷四元環(huán)的對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)吸收峰；982 cm-1為氧雜環(huán)丁烷四元環(huán)的反對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)吸收峰。在產(chǎn)物AllylEHO曲線中，可以明顯觀察到3 418 cm-1處羥基的吸收峰消失，而在3 080、1 645、926 cm-1處出現(xiàn)烯丙基的特征吸收峰。說(shuō)明產(chǎn)物就是3-乙基-3烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷。

圖4　EHO與3-乙基-3羥甲基氧雜環(huán)丁烷的紅外光譜

2.2.21H NMR

圖5為采用CDCl3作為氘代溶劑時(shí)測(cè)得的3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷核磁共振氫譜。由圖5可知，產(chǎn)物的核磁共振氫譜有8個(gè)吸收峰，具體分析為(δ)：0.790~0.836 (q， 3H, CH3)，1.600~1.762 (m，2H, CH2)，3.502~3.542(s， 2H, CH2)，3.946~4.088(t， 2H, CH2)，4.292~4.314(t，2H,CH2)，4.359~4.382 (t， 2H,CH2)，5.142~5.308(m，2H,CH2)，5.812~5.952(m，H,CH)

8個(gè)吸收峰的峰面積比為3∶2∶2∶2∶2∶2∶1∶2。符合3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷分子結(jié)構(gòu)式上氫原子的種類(lèi)數(shù)目及個(gè)數(shù)比。間接驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)所得的最終產(chǎn)物基本為3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷。

圖5　3-乙基-3-烯丙基氧雜環(huán)丁烷的核磁共振氫譜

2.3　AllylEHO改性紫外光固化材料體系探討

2.3.1稀釋效應(yīng)

雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E-51在室溫(25 ℃)黏度達(dá)到9 937 mPa·s，其黏度較大，流動(dòng)性較差，使用困難，通常需加入稀釋劑調(diào)節(jié)其黏度，圖6表示25 ℃時(shí)在一系列100 g雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E-51中加入不同量的AllylEHO對(duì)其體系黏度影響的曲線。

圖6 AllylEHO加入量對(duì)其體系黏度的影響

從圖6可知：隨著稀釋劑AllylEHO的加入，其體系黏度逐漸下降，從而使其紫外光固化材料涂布施工變得較為方便。當(dāng)加入AllylEHO達(dá)到12 g時(shí)，其光敏材料體系的黏度已將為5 953 mPa·s，即6 000 mPa·s以下，已達(dá)到了可進(jìn)行涂布施工的較佳黏度值范圍內(nèi)，這說(shuō)明3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷是一種優(yōu)良的陽(yáng)離子型紫外光固化材料稀釋劑。

2.3.2光敏性

在100 g雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E-51中，加入12 g AllylEHO和5 g UV-6976，配制成陽(yáng)離子型紫外光固化光敏樹(shù)脂，然后取一系列樣品放于紫外光固化機(jī)中，曝光不同的時(shí)間后，利用凝膠率法[15]對(duì)其光敏性進(jìn)行了探討。從圖7可知：這種陽(yáng)離子型紫外光固化光敏樹(shù)脂在曝光1~6 min內(nèi)，隨著曝光時(shí)間的加長(zhǎng)，凝膠率顯著增加，在4 min時(shí)，凝膠率已達(dá)到97%以上，這說(shuō)明這種光敏樹(shù)脂只需4 min就能基本固化完全，這也說(shuō)明用3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷作為稀釋劑配制的光敏樹(shù)脂的光敏性較好。

2.3.3活性稀釋劑的含量對(duì)紫外光固化材料的影響

將新合成的活性稀釋劑AllylEHO與E-51按照不同質(zhì)量比為混合均勻，另外一組為純E-51，再分別加入等量的陽(yáng)離子光引發(fā)劑UV-6976，引發(fā)劑的量為整個(gè)固化體系的5%，然后將各固化體系放入超聲波振蕩儀超聲振蕩約3 min。根據(jù)各類(lèi)試樣制作要求，利用工字型漆膜涂布機(jī)制樣，涂層厚度為0.400 mm。把制好的試樣放入紫外光固化機(jī)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)光強(qiáng)為90%，輻射時(shí)間為4 min，考察不同活性稀釋劑含量的紫外光固化材料的性能變化，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖7 曝光時(shí)間對(duì)光敏樹(shù)脂光固化凝膠率的影響

表2　不同E-51與活性稀釋劑投料比對(duì)固化材料沖擊性能、柔韌性的影響

由表2可知：隨著固化體系中3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷含量的增加，固化材料的抗沖擊強(qiáng)度、柔韌性、拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率顯著提升，當(dāng)體系中無(wú)活性稀釋劑的加入時(shí)，純E-51配制而成的光敏樹(shù)脂固化后，固化材料的沖擊強(qiáng)度僅為5 kg·cm，拉伸強(qiáng)度僅為25.13 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率僅為3.96%，且固化材料較脆，柔韌性較差，而當(dāng)AllylEHO與E-51的投料比為1∶1時(shí)，固化物沖擊強(qiáng)度提升至50 kg·cm，拉伸強(qiáng)度可達(dá)45.23 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)5.69%，固化膜可通過(guò)軸棒7的彎曲測(cè)試。這主要是由于3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷分子量較低，且鏈段旋轉(zhuǎn)度高，分子結(jié)構(gòu)中引入較多柔性基團(tuán)醚鍵，固化材料中顯剛性的苯環(huán)占比降低，使得固化材料柔軟抗沖擊，受拉時(shí)可進(jìn)行分子鏈重排，故呈現(xiàn)出較優(yōu)的綜合性能。

2.3.4固化物的紅外光譜分析

圖8為固化前后的紅外光譜。由圖8可見(jiàn)：3 486 cm-1為—OH的伸縮振動(dòng)峰，3 057 cm-1和1 648 cm-1為烯丙基的特征吸收峰，2 966、2 929、2 872 cm-1為CH3與—CH2中C—H伸縮振動(dòng)峰，1 607、1 509、1 458、1 406 cm-1為苯環(huán)4條特征譜帶，1 247 cm-1為芳香醚的伸縮振動(dòng)特征峰，976 cm-1為氧雜環(huán)丁烷的環(huán)醚吸收峰，829 cm-1為對(duì)位取代苯環(huán)的吸收峰。對(duì)比固化前后紅外吸收光譜，976 cm-1處環(huán)醚吸收峰消失，是由于氧雜環(huán)丁烷中的環(huán)醚開(kāi)環(huán)聚合，同時(shí)說(shuō)明固化較完全，而1 648 cm-1處吸收峰減弱，是由于陽(yáng)離子光引發(fā)劑光解反應(yīng)中會(huì)同時(shí)產(chǎn)生陽(yáng)離子與自由基，部分碳碳雙鍵斷開(kāi)參加聚合的結(jié)果。

圖8　固化前后的紅外光譜

3結(jié)論

a.以3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和烯丙基溴為原料，以四丁基溴化銨為相轉(zhuǎn)移催化劑，在氫氧化鉀堿溶液作用下合成活性單體3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷，得到了較佳的合成工藝參數(shù)為：n(3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷)∶n(烯丙基溴)=1∶1.4，m(3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷)∶m(四丁基溴化銨)=23.2∶1，反應(yīng)溫度為0 ℃，反應(yīng)時(shí)間為24 h。

b.把體3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷作為活性稀釋劑加入到環(huán)氧樹(shù)脂E-51中，然后加入陽(yáng)離子光引發(fā)劑UV-6976，制備陽(yáng)離子型光敏樹(shù)脂。3-乙基-3-烯丙基甲氧基氧雜環(huán)丁烷是一種良好的陽(yáng)離子型UV固化稀釋劑，在陽(yáng)離子型UV固化領(lǐng)域?qū)⒕哂幸欢ǖ耐茝V應(yīng)用價(jià)值。

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SYNTHESIS OF 3-ETHYL-3-ALLYLOXYMETHYL OXETANE AND

STUDY ON ITS PROPERTIES AS CATIONIC TYPE UV-CURING DILUENT

Xie Wangfu, Huang Biwu, Wan Shice, Yong Tao, Han Wenjuan

(SchoolofMaterialScienceandEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,Jiangxi,China)

Abstract:A new reactive monomer called 3-ethyl-3-allyloxymethyl oxetane was synthesized with 3-ethyl-3-hydroxymethyl oxetane and allyl bromide as raw materials, tetrabutyl ammonium bromide as phase transfer catalyst, under the aqueous solution of potassium hydroxide. The effects of feed ratio of the raw materials, amount of catalyst, reaction temperature and reaction time on the yield were researched. The optimal reaction conditions were obtained as that n(3-ethyl-3-hydroxymethyl oxetane)∶n(allyl bromide)=1∶1.4, m(3-ethyl-3-hydroxymethyl oxetane)∶m(tetrabutyl ammonium bromide)=23.2∶1, the reaction temperature was 0 ℃ and the reaction time was 24 h. Meanwhile, the cationic type UV-curing coating was prepared with 3-ethyl-3-allyloxymethyl oxetane, epoxy resin(E-51) and triphenylsulphonium hexafluoroantimonate(UV-6976). The tensile strength was 35.18 MPa, elongation at break was 4.78% and the impact strength was 30 kg·cm when the amount of activated monomer was 20%.

Key words:UV-curing; oxetane; allyl bromide; activated monomer

基金項(xiàng)目：江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB206029)。

作者簡(jiǎn)介：謝王付(1989-)，碩士研究生，主要從事紫外光固化材料研究。E-mail:742993759@qq.com。

收稿日期:2015-05-20;修改稿收到日期:2015-10-28。

中圖分類(lèi)號(hào):TQ630.4+93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A