TW202005959A - 液態光引發化合物及其應用 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種液態光引發化合物及其應用，其中該化合物係具下式I之結構：
於式I中，R1與R2各自獨立為H或C1-C3烷基，且R3為H或甲基。
Description
本發明係關於一種液態光引發化合物及其於可光聚合的組合物的應用。
光引發劑(photoinitiator)為一種可吸收例如可見光或紫外光能量而達激發態，並發生羅氏一型(Norrish Type I)光反應，分裂出自由基，從而引發單體或寡聚體交聯聚合，達固化效果的物質。
Ciba公司於1990年研發出第一支適用於深色UV油墨的固態引發劑產品「Irgacure® 369」(相關專利：US 5,077,402)，其化學結構顯示如下，屬於羅氏一型(Norrish Type I)光引發劑，會分裂出自由基，以引發單體或寡聚體交聯聚合，達固化效果。
Irgacure® 369之光引發性能優異，本身及照光後均不產生氣味，惟於一般UV油墨中的溶解度不佳，必須透過研磨及升溫等工序來促 進溶解。Irgacure® 369在用量多於4重量%時，即存在有析出的風險，尤其在低溫使用環境如寒帶地區時，析出現象更為明顯。最近Irgacure® 369被歐盟列為具有最高級生殖毒性的物質，此議題持續被探討並受市場關注，使其存在被禁用的風險。
Ciba公司繼Irgacure® 369後，推出具如下結構的固態光引發劑產品「Irgacure® 379」(相關專利：US 7,247,659 B2)。Irgacure® 379雖然在一些單體及樹脂內的溶解度有所改善，但仍屬固態光引發劑，還是必須經過加熱及研磨工序才能應用至油墨配方中，使用上仍不方便。此外，Irgacure® 379亦存在生殖毒性的問題。
近年來，由於數位印刷(digital printing)、凹版印刷(gravure printing)、柔版印刷(flexographic printing)等印刷技術之蓬勃發展，低黏度油墨的需求日漸增加。由於低黏度油墨通常無法提供足夠的剪切力來進行固態光引發劑所需要的研磨分散程序，因此低黏度油墨偏好使用更容易分散且溶解度較佳的液態光引發劑。
液態光引發劑的實例包括揭露於US 5,077,402中的如下化合物93、95、96及100，但彼等化合物在黑色油墨系統之光速度慢，而且使用後還有氣味，因此從未被商品化。
[US 5,077,402]
台灣公告第I277834號專利實施例3所列出之液態光引發劑雖然解決了氣味問題，但光速度僅有Irgacure® 369的十分之一，所以也沒有被商品化。
[台灣公告第I277834號專利實施例3]
此外，另有一種液態光引發劑產品，如下化合物I所示，其光速度跟Irgacure® 369接近，但照光後有嚴重氣味問題。
[化合物I]
台灣公告第I564276號專利所揭露之具下式之液態化合物IIa具有與Irgacure® 369近似的光速度，本身及照光後均無氣味，但有具口服急毒性以及本身呈棕黑色的缺點。
[台灣公告第I564276號專利之化合物IIa]
因此，目前可用於深色及黑色油墨之液態光引發劑均不完美，各有其缺點。
鑒於習知光引發劑之不足，本發明提供一種噁唑烷類(Oxazolidine)衍生物的光引發劑，其具有(1)於50℃之低溫下即呈液態、(2)光速度近似Irgacure® 369、(3)本身及照光後不產生氣味、及(4)無口服急毒性等四大優點，一舉解決之前用於黑色油墨系統之液態光引發劑所有問題。除此之外，其尚有初始顏色淺、純度高等優點，可充分滿足業界對於液態光引發劑要求。因此，本發明至少涉及以下將描述的發明目的。
於此須說明者，雖然US 5,077,402及US 7,732,504 B2揭 露之光引發劑係涵蓋具有噁唑烷結構之光引發劑，但並未教示本發明之光引發劑，且本發明所屬技術領域具通常知識者基於US 5,077,402及US 7,732,504 B2之廣泛教示並無從預期本發明光引發劑之優異功效，包括於50℃之低溫下即呈液態、光速度佳、不具氣味及毒性等，尤其無法預期本發明光引發劑不具口服急毒性之結果。
本發明之一目的在於提供一種液態光引發化合物，其具有下式I之結構：
於式I中，R1與R2各自獨立為H或C1-C3烷基，且R3為H或甲基。該C1-C3烷基包括甲基、乙基、正丙基、及異丙基。
於部分實施態樣中，前述化合物具有下式Ia之結構：
本發明之另一目的係關於一種前述化合物作為光引發劑之用途。
本發明之又一目的在於提供一種可光聚合的組合物，包含：第一光引發劑，其係前述之化合物；一可光聚合成分；以及視需要之溶劑。
於部分實施態樣中，可光聚合成分係含烯鍵之不飽和單體、含烯鍵之不飽和寡聚體、或其組合。該含烯鍵之不飽和單體之實例包括丙烯酸酯系單體，該含烯鍵之不飽和寡聚體之實例包括丙烯酸酯系寡聚體。
於部分實施態樣中，可光聚合的組合物更包含選自以下群組之第二光引發劑：醯基膦氧化物、9,10-二烷氧基蔥 (9,10-dialkyloxyanthracene；即
，其中R為烷基)、及其組合。
於本發明之部分實施態樣中，可光聚合的組合物更包含選自以下群組之光敏劑：二苯甲酮類(benzophenones)、氧硫
類(thioxanthones)、米其勒酮類(Michler’s ketones)、蒽醌(anthraquinone)、及其組合。
於部分實施態樣中，可光聚合的組合物更包含選自以下群組之添加劑：顏料、胺綜效劑(amine synergist)、及其組合。
於部分實施態樣中，以可光聚合的組合物之總重量計，第一光引發劑之含量為0.1重量%至15重量%。
為讓本發明之上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以部分具體實施態樣進行詳細說明。
以下將具體地描述根據本發明之部分具體實施態樣；惟，在 不背離本發明之精神下，本發明尚可以多種不同形式之態樣來實踐，不應將本發明保護範圍解釋為限於說明書所陳述之具體實施態樣。
除非另有說明，於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。
除非另有說明，於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)，所使用之「第一」、「第二」及類似用語僅係用區隔所描述之元件或成分，本身並無特殊涵義，且非意欲指代先後順序。
除非另有說明，於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)，所述烷基係包含具有直鏈、支鏈、或環狀、或其組合之結構的各種烷基。
液態光引發化合物
本發明之液態光引發化合物具有下式I之結構：
於式I中，R1及R2各自獨立為H或C1-C3烷基，以及R3為H或甲基。於本發明之部分實施態樣中，R1及R2各自獨立為甲基、乙基、正丙基、或異丙基，且R3為H。於後附實施例中，該第一光引發劑係具有下式Ia之結構：[式Ia]
本發明液態光引發化合物之合成方式將於後附實施例中提供具體例示說明，於此不另贅述。
液態光引發化合物之應用
本發明之液態光引發化合物，於50℃之低溫下即呈液態，可作為液態光引發劑，引發可光聚合之單體或寡聚體發生交聯聚合反應而固化，且本發明之液態光引發化合物所具備之特殊結構出乎意料地使得該化合物展現出迥異於習知光引發劑的特性而具有諸多優點。具體而言，本發明之液態光引發化合物具有優異光速度性能(photo speed performance)，且具有於50℃之低溫下即呈液態、溶解性優異、色度低等特點，添加於可光聚合系統時對系統黏度之影響甚微，具長時間儲存穩定性，因此尤其可應用於低黏度UV油墨(例如黏度低於1000厘泊(cps)的油墨)、淺色UV油墨、彩色光阻(Color resist)、黑色矩陣(Black matrix)及阻焊(Solder mask)。此外，本發明之液態光引發化合物的製造純度高，可符合各國化學物質法規註冊規範。
因此，本發明亦提供一種可光聚合的組合物，包含第一光引發劑、可光聚合成分、以及視需要之溶劑，其中第一光引發劑係具式I之化合物。
該可光聚合成分之種類並無特殊限制，可為任何在光引發劑存在下可光聚合之物質，包括常用於可光聚合系統如UV油墨的可光聚合成分。於本發明之部分實施態樣中，該可光聚合成分係含烯鍵之不飽和單 體、含烯鍵之不飽和寡聚體、或其組合。含烯鍵之不飽和單體之實例包括但不限於丙烯酸酯系單體，且含烯鍵之不飽和寡聚體之實例包括但不限於丙烯酸酯系寡聚體。
該視需要之溶劑可為任何可溶解或分散組合物各成分，但不與之反應的溶劑，包括常用於可光聚合系統如UV油墨的溶劑。溶劑之實例包括但不限於：水；脂肪烴系溶劑，例如二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、正己烷及環己烷；芳香烴系溶劑，例如甲苯、苯及二甲苯；酮系溶劑，例如丙酮、甲基乙基酮、異丁酮及環己酮；酯系溶劑，例如乙酸乙酯及乙酸丁酯；醇系溶劑，例如甲醇、乙醇、正丙醇及異丙醇；及醚系溶劑，例如二甲醚、二乙醚及甲基乙基醚。
於本發明之可光聚合的組合物中，第一光引發劑的含量並無特殊限制，可由本領域具通常知識者視需要進行調配。一般而言，為獲致所欲之光聚合固化效果，該可光聚合的組合物之總重量計，第一光引發劑之含量可為但不限於0.1重量%至15重量%，例如1重量%、2重量%、3重量%、4重量%、5重量%、6重量%、7重量%、8重量%或9重量%。
除第一光引發劑外，本發明之可光聚合的組合物亦可視需要包含其他有助於光引發效果之成分，例如光敏成分或其他光引發成分。因此，於本發明之部分實施態樣中，可光聚合的組合物係進一步包含第二光引發劑、光敏劑、或其組合。
第二光引發劑可為除第一光引發劑外之任何光引發成分，其實例包括但不限於醯基膦氧化物、9,10-二烷氧基蔥、或其組合。光敏劑之種類亦無特殊限制，其實例包括但不限於二苯甲酮類、氧硫
類、米其勒酮類、蒽醌、或其組合。於後附實施例中，可光聚合的組合物中係使用2,4-二乙基氧硫
(產品名：Chivacure® DETX)作為光敏劑。第二光 引發劑與光敏劑之含量並無特殊限制，可由本領域具通常知識者視需要進行調配。
本發明之可光聚合的組合物中可視需要進一步包含一或多種添加劑，以使得組合物固化後所得的產物可具備所欲之特性。舉例言之，可添加顏料以賦予產物顏色，或可添加胺綜效劑，以提升固化表現，例如提高組合物之表面固化速度及乾燥後的鏡面效果。顏料之實例包括但不限於二氧化鈦、碳黑、鎘紅、鉬紅、鉻黃、鎘黃、鈦黃、氧化鉻、鈦鈷綠、青藍、鈷藍、偶氮系顏料、酞青顏料(phthalocyanine pigments)、煃吖啶酮系顏料(quinacridone based pigments)、異吲哚啉酮系顏料(isoindolinone based pigments)、苝系顏料(perylene based pigments)、硫靛系顏料(thio indigo based pigments)及金屬錯合物顏料。於本說明書中，胺綜效劑係本發明所屬技術領域所具通常知識者所熟知之添加劑，泛指可促進光引發反應之反應型胺，例如低分子量三級胺。胺綜效劑之實例包括不限於甲基二乙醇胺、二丁基乙醇胺、三乙基胺、三乙醇胺，其商購可得之產品包括可購自奇鈦科技股份有限公司之Chivacure® 115、Chivacure® EPD、Chivacure® OPD等。
茲以下列具體實施態樣進一步例示說明本發明。
實施例
實施例1：具式Ia結構之液態光引發化合物之製備
取250毫升三頸圓底瓶，於室溫下依序加入34公克2-(二甲基胺基)-1-[4-[(2-羥乙基)甲基胺基]苯基]-2-(苯基甲基)-1-丁酮(CAS 862589-48-8；合成方式可參照台灣公告第I277834號專利)、13.0公克2,2-二甲氧基丁烷(CAS 3453-99-4)、0.17公克PTSA(對甲苯磺酸)以 及100毫升甲苯(toluene)以進行如下反應，反應過程中蒸發除去所產生的甲醇。
以高效能液相層析儀(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)確認反應完成後，以17公克純水萃取三次，收集有機層並在真空下進行濃縮，獲得具式Ia結構之液態光引發化合物(下稱『光引發化合物Ia』)的淡黃色黏稠狀液體，產率為95%。
對光引發化合物Ia進行核磁共振分析，結果如下：核磁共振分析：1H NMR(500MHz,CDCl3)：0.70(t,J=7.5Hz,3H),0.82(t,J=7.5Hz,3H),1.85-1.89(m,1H),1.94-1.99(m,1H),2.04-2.09(m,1H),2.13-2.18(m,1H),2.36(s,6H),3.16-3.23(m,2H),3.18(d,J=14.0Hz,1H),3.22(d,J=14.0Hz,1H),4.06-4.10(m,1H),4.12-4.26(m,1H),6.60(d,J=9.0Hz,2H),7.16-7.28(m,6H),8.34(d,J=9.0Hz,2H)
13C NMR(500MHz,CDCl3)：7.7,9.8,23.8,27.8,31.0,35.5,39.1,48.4,63.2,73.8,96.2,111.5,125.8,125.9,127.9,131.3,132.2,139.6,147.1,201.6
實施例2：具式Ib結構之液態光引發化合物之製備
取250毫升三頸圓底瓶，於室溫下依序加入34公克2-(二甲基胺基)-1-[4-[(2-羥乙基)甲基胺基]苯基]-2-(苯基甲基)-1-丁酮、12.0公克2,2-二甲氧基丙烷(CAS 77-76-9)、0.17公克PTSA(對甲苯磺酸)以及 100毫升甲苯(toluene)以進行如下反應，反應過程中蒸發除去所產生的甲醇。
以高效能液相層析儀(HPLC)確認反應完成後，以17公克純水萃取三次，收集有機層並在真空下進行濃縮，獲得具式Ib結構之液態光引發化合物(下稱『光引發化合物Ib』)的淡黃色黏稠狀液體，產率為93%。
對光引發化合物Ib進行核磁共振分析，結果如下：核磁共振分析：1H NMR(500MHz,CDCl3)：0.69(t,J=7.5Hz,3H),1.64(s,6H),1.83-1.90(m,1H),2.02-2.17(m,1H),2.36(s,6H),3.17(d,J=14.0Hz,1H),3.22(d,J=14.0Hz,1H),3.53(t,J=6.5Hz,2H),4.11(t,J=6.5Hz,2H),6.60(d,J=9.0Hz,2H),7.15-7.28(m,6H),8.35(d,J=9.0Hz,2H)
13C NMR(500MHz,CDCl3)：9.8,25.4,27.8,35.5,39.1,47.8,62.9,73.9,93.9,111.8,125.8,125.9,127.9,131.3,132.2,139.6,147.0,201.6
實施例3：溶解性測試
以如下比例配製混合物I至III。接著於混合物I至III中分別添加6重量份的光引發劑Irgacure® 369(購自Ciba公司)、光引發劑R-gen® 919(購自奇鈦科技股份有限公司)、及光引發化合物Ia，並將所 得混合物於室溫下超音波震盪1小時，觀察其溶解情形，並將結果記錄於下表1。
如表1所示，於室溫下超音波震盪1小時後，光引發化合物Ia於各混合物中均為完全溶解，顯示光引發化合物Ia的溶解性明顯優於固態光引發劑Irgacure® 369，與R-gen® 919相當。
實施例4：黏度變化測試
於混合物I至III中分別添加4重量份的光引發劑Irgacure® 369、光引發劑R-gen® 919、及光引發化合物Ia，接著將所得混合物置於0℃的環境下七天，分別量測暴露前後之黏度，並將結果記錄於下表2。
如表2所示，光引發化合物Ia對於混合物之黏度影響最低。此外，在暴露於0℃環境下七天後，添加光引發化合物Ia之混合物其黏度變化情形大致與未添加光引發劑者一致，且無析出問題。此顯示光引發化合物Ia的溶解度與樹脂相容性優於Irgacure® 369，實用性佳。
實施例5：光速度性能測試
將黑色柔版印刷油墨配方(black flexo formulation；含Oligomer 6325-100、EM2411、及碳黑；黏度：1750厘泊)與光引發劑混合，以進行光速度性能測試。具體言之，混合100重量份之黑色柔版印刷油墨配方和2重量份Chivacure® DETX(光引發劑；奇鈦科技股份有限公司)，並於所得混合物中分別添加6重量份之光引發劑Irgacure® 369、光引發劑R-gen® 998(購自奇鈦科技股份有限公司)、光引發劑R-gen® 919及光引發化合物Ia，以完成黑色柔版印刷油墨配方。接著將所得混合物塗佈於可印刷之珠光膜上(濕膜膜厚：25.15微米)，並暴露在UV燈(Fusion F300；D-bulb；300瓦/英寸)下進行固化，觀察其光速度性能。結果記錄於下表3。
理論上，含拉電子基團的光引發劑(如光引發化合物Ia屬之)具藍移效應，使光速度變慢。但如表3所示，光引發化合物Ia之光速度性能卻意外地不受影響，表現優異，與Irgacure® 369及R-gen® 919相當，且明顯優於R-gen® 998。
實施例6：光引發劑用量測試
將不含光引發劑之市售成品黑色柔版印刷油墨(由東周化學工業股份有限公司提供)與光引發劑混合，以進行光速度性能測試，並比較光引發化合物Ia添加量對光速度性能的影響。具體言之，混合100重量 份之黑色柔版印刷油墨配方和2重量份Chivacure® DETX(光引發劑；奇鈦科技股份有限公司)，並於所得混合物中分別以不同用量添加光引發劑Irgacure® 369及光引發化合物Ia，如下表4所示，以完成黑色柔版印刷油墨配方。接著將所得混合物塗佈於經附著力處理(primer)之PET上(乾膜膜厚：5微米)，並暴露在LED UV燈(波長365奈米；4瓦/英寸)下進行固化，觀察其光速度性能。結果記錄於下表4。
固化狀況描述：
如表4所表示，測試的黑色柔版印刷油墨是一種難以進行光固化之油墨系統，但可透過增加光引發劑之添加量以達到更好的光固化效率。然而，添加8重量份之光引發劑Irgacure® 369時，如同先前溶解度實驗之結果，光引發劑並無法完全溶解於測試油墨系統中，故無法進行後續光速度測試。相較之下，光引發化合物Ia在增加添加量時，即使增加到12重量份亦無溶解度問題，且隨著添加量由4重量份增加至8重量份時，光固化速度大幅改善，並在添加量為12重量份時，照光一次即完成充分固化。
實施例7：口服急毒性
根據經濟合作與發展組織(OECD)準則423口服急毒性測 試方法進行光引發劑Irgacure® 369、R-gen® 998、R-gen® 919及光引發化合物Ia的半致死劑量(LD50；Median lethal dose)測試，結果記錄如下表5。
如表5所示，光引發化合物Ia的口服急毒半致死量LD50與Irgacure® 369相當，均超過5000毫克/公斤，視為無口服急毒性。
實施例1至7之結果顯示，本發明之液態光引發化合物具有優異光速度性能，且具有於50℃之低溫下即呈液態、溶解性優異、色度低、無口服急毒性等特點，添加於可光聚合系統時對系統黏度之影響甚微，具長時間儲存穩定性，尤其可應用於低黏度UV油墨、淺色UV油墨、彩色光阻、黑色矩陣及阻焊。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，並闡述本發明之技術特徵，而非用於限制本發明之保護範疇。任何熟悉本技術者在不違背本發明之技術原理及精神下，可輕易完成之改變或安排，均屬本發明所主張之範圍。因此，本發明之權利保護範圍係如後附申請專利範圍所列。
Claims (11)
- 一種液態光引發化合物，其具有下式I之結構：
- 如請求項1所述之化合物，其中R 1及R 2各自獨立為甲基、乙基、正丙基、或異丙基。
- 如請求項2所述之化合物，其具有下式Ia之結構：
- 一種如請求項1至3中任一項所述之化合物作為光引發劑之用途。
- 一種可光聚合的組合物，包含：第一光引發劑，其係如請求項1至3中任一項所述之化合物；一可光聚合成分；以及視需要之溶劑。
- 如請求項5所述之可光聚合的組合物，其中該可光聚合成分係含烯鍵之不飽和單體、含烯鍵之不飽和寡聚體、或其組合。
- 如請求項6所述之可光聚合的組合物，其中該可光聚合成分係丙烯酸酯系單體、丙烯酸酯系寡聚體、或其組合。
- 如請求項5所述之可光聚合的組合物，更包含選自以下群組之第二光引發劑：醯基膦氧化物、9,10-二烷氧基蔥 (9,10-dialkyloxyanthracene；即，其中R為烷基)、及其組合。
- 如請求項5所述之可光聚合的組合物，更包含選自以下群組之光敏劑：二苯甲酮類(benzophenones)、氧硫類(thioxanthones)、米其勒酮類(Michler’s ketones)、蒽醌(anthraquinone)、及其組合。
- 如請求項5所述之可光聚合的組合物，更包含選自以下群組之添加劑：顏料、胺綜效劑(amine synergist)、及其組合。
- 如請求項5所述之可光聚合的組合物，其中以該可光聚合的組合物之總重量計，第一光引發劑之含量為0.1重量%至15重量%。
Priority Applications (8)
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