四甲基胍在光引發(fā)聚合中的應(yīng)用技術(shù)

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一、引子：從“化學(xué)反應(yīng)”說起

各位朋友，今天我們要聊的不是什么高科技黑科技，也不是那些讓人頭疼的高分子術(shù)語。我們來聊聊一個(gè)名字聽起來有點(diǎn)“學(xué)術(shù)范兒”，但其實(shí)在工業(yè)界和科研圈里都相當(dāng)吃得開的家伙——四甲基胍（Tetramethylguanidine, TMG）。

如果你是個(gè)化工人、材料人，或者只是個(gè)喜歡看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的小白，那你可能聽說過它。不過沒關(guān)系，就算你沒聽過，也沒關(guān)系。因?yàn)檫@篇文章的目的就是讓你從零開始了解它，并且知道它是怎么在光引發(fā)聚合反應(yīng)中扮演了一個(gè)既低調(diào)又關(guān)鍵的角色。

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二、四甲基胍是什么？

四甲基胍，化學(xué)式是 C?H??N?，結(jié)構(gòu)上是由一個(gè)胍基團(tuán)（–NH–C(=NH)–NH?）與四個(gè)甲基相連形成的有機(jī)堿。它是一種無色透明液體，在常溫下具有一定的揮發(fā)性，略帶氨味。雖然名字聽起來挺復(fù)雜，但它其實(shí)是一個(gè)非常實(shí)用的化合物。

表1：四甲基胍的基本物化參數(shù)

參數(shù)名稱	數(shù)值或描述
分子式	C?H??N?
分子量	115.17 g/mol
外觀	無色至淡黃色液體
沸點(diǎn)	約130°C（常壓）
密度	約0.88 g/cm3
pH（1%水溶液）	12.5左右
溶解性	易溶于水、醇類、等極性溶劑
閃點(diǎn)	約40°C
儲(chǔ)存條件	陰涼通風(fēng)處，遠(yuǎn)離火源

別看它小小一瓶，作用可不小。尤其在光引發(fā)聚合反應(yīng)中，它可是個(gè)“催化劑界的配角擔(dān)當(dāng)”。

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三、光引發(fā)聚合是個(gè)啥玩意兒？

先來科普一下什么是光引發(fā)聚合。顧名思義，就是通過光（通常是紫外光或可見光）來觸發(fā)單體發(fā)生聚合反應(yīng)的過程。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于涂料、油墨、膠粘劑、牙科材料等領(lǐng)域。

光引發(fā)聚合的核心在于光引發(fā)劑。這些物質(zhì)在光照下產(chǎn)生自由基或陽離子，從而啟動(dòng)聚合反應(yīng)。但有時(shí)候，單獨(dú)使用光引發(fā)劑效率不高，這時(shí)候就需要一些“助燃劑”了，比如咱們今天的主角——四甲基胍。

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四、TMG：光引發(fā)反應(yīng)中的“助推器”

雖然四甲基胍本身并不是光引發(fā)劑，但它在光引發(fā)聚合中常常作為共引發(fā)劑或堿性助劑出現(xiàn)。它的主要作用有以下幾個(gè)：

1. 提高引發(fā)效率

四甲基胍作為一種強(qiáng)堿性物質(zhì)，可以調(diào)節(jié)體系pH值，促進(jìn)某些光引發(fā)劑的分解，從而加快引發(fā)速度。

2. 抑制副反應(yīng)

在酸性環(huán)境中，有些單體會(huì)發(fā)生不必要的副反應(yīng)，而TMG的堿性特性可以幫助抑制這些副反應(yīng)，提升終產(chǎn)物的性能。

3. 改善固化深度

在厚膜或三維打印中，光穿透深度有限，導(dǎo)致底層不易固化。加入TMG后，能夠增強(qiáng)光引發(fā)劑的活性，使得整個(gè)體系更加均勻地完成聚合。

4. 提升儲(chǔ)存穩(wěn)定性

某些光引發(fā)體系在黑暗條件下也會(huì)緩慢反應(yīng)，影響儲(chǔ)存壽命。TMG的加入可以有效延緩暗反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)品保質(zhì)期。

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五、具體應(yīng)用場景舉例

場景一：UV固化涂料

在UV涂料中，常用的是陽離子型或自由基型光引發(fā)體系。例如，使用Irgacure系列光引發(fā)劑時(shí)，若搭配TMG使用，可以在低光照強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)快速固化，同時(shí)減少涂層內(nèi)部應(yīng)力，提升附著力。

場景二：牙科樹脂修復(fù)材料

在牙科材料中，為了保證材料在口腔內(nèi)安全固化，通常采用可見光引發(fā)系統(tǒng)。此時(shí)，TMG可以作為共引發(fā)劑，增強(qiáng)引發(fā)劑對藍(lán)光的響應(yīng)能力，縮短固化時(shí)間，提高臨床操作效率。

場景二：牙科樹脂修復(fù)材料

在牙科材料中，為了保證材料在口腔內(nèi)安全固化，通常采用可見光引發(fā)系統(tǒng)。此時(shí)，TMG可以作為共引發(fā)劑，增強(qiáng)引發(fā)劑對藍(lán)光的響應(yīng)能力，縮短固化時(shí)間，提高臨床操作效率。

場景三：3D打印樹脂

對于SLA/DLP類型的3D打印來說，樹脂的固化速度和精度至關(guān)重要。TMG的加入可以顯著改善樹脂的反應(yīng)活性，使得打印層間結(jié)合更緊密，細(xì)節(jié)表現(xiàn)更好。

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六、實(shí)際配方示例（僅供參考）

下面給出一個(gè)典型的UV固化樹脂配方，其中包含四甲基胍的應(yīng)用：

表2：UV固化樹脂基礎(chǔ)配方（按質(zhì)量百分比）

成分	含量（wt%）	功能說明
雙酚A環(huán)氧丙烯酸酯	40%	主體樹脂，提供硬度與耐化學(xué)性
丙烯酸丁酯	20%	調(diào)節(jié)柔韌性
Irgacure 184	3%	自由基型光引發(fā)劑
四甲基胍（TMG）	1%	共引發(fā)劑，提升引發(fā)效率
流平劑	0.5%	改善表面流平性
抗氧劑	0.3%	防止氧化降解
顏料/填料	適量	調(diào)色與填充

這個(gè)配方可以根據(jù)不同需求進(jìn)行調(diào)整，比如增加TMG的比例可以進(jìn)一步提高固化速度，但也可能導(dǎo)致儲(chǔ)存穩(wěn)定性下降，所以要把握好平衡。

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七、使用注意事項(xiàng)

雖然TMG很好用，但在實(shí)際操作中還是需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 用量控制：建議添加量控制在0.5~2%之間，過高會(huì)影響體系穩(wěn)定性。
2. 避光保存：TMG雖不直接參與光反應(yīng)，但其堿性環(huán)境可能加速其他組分的降解，應(yīng)避免陽光直射。
3. 防護(hù)措施：因其有一定的腐蝕性和刺激性，操作時(shí)應(yīng)佩戴手套、護(hù)目鏡，保持通風(fēng)良好。
4. 兼容性測試：不同光引發(fā)劑體系對TMG的敏感度不同，建議在正式使用前做小樣試驗(yàn)。

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八、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡述

近年來，隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格以及對高性能材料的需求增長，光引發(fā)聚合技術(shù)得到了快速發(fā)展。而像TMG這樣高效、綠色、低成本的輔助劑也逐漸受到關(guān)注。

在國外，美國杜邦公司、德國巴斯夫、瑞士汽巴精化等大廠都在其光固化產(chǎn)品中不同程度地使用TMG作為共引發(fā)劑。而在國內(nèi)，中科院化學(xué)所、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)也在積極探討TMG在新型光引發(fā)體系中的應(yīng)用潛力。

值得一提的是，TMG不僅在傳統(tǒng)自由基光引發(fā)中表現(xiàn)出色，在陽離子光引發(fā)體系中也有獨(dú)特優(yōu)勢。例如，它可以與硫鎓鹽類引發(fā)劑協(xié)同作用，提升陽離子聚合速率，這在封裝材料和電子器件中尤為重要。

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九、未來展望：TMG的潛力有多大？

隨著光固化技術(shù)向更高效率、更低能耗、更環(huán)保方向發(fā)展，像TMG這樣的多功能助劑將迎來更大的市場空間。尤其是在以下領(lǐng)域：

• 生物醫(yī)用材料（如牙科樹脂、隱形眼鏡）
• 電子封裝材料（芯片封裝、柔性電路板）
• 建筑裝飾材料（UV地板漆、墻面涂料）
• 3D打印與增材制造（尤其是齒科和醫(yī)療定制件）

當(dāng)然，TMG也不是萬能的。它在某些極端環(huán)境下（如高溫、強(qiáng)酸強(qiáng)堿）可能會(huì)失效，因此也需要與其他添加劑配合使用，才能發(fā)揮大效能。

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十、結(jié)語：一個(gè)“配角”的逆襲之路

四甲基胍，這個(gè)名字聽起來很學(xué)術(shù)，但它在光引發(fā)聚合中的角色卻越來越重要。它不像光引發(fā)劑那樣光芒萬丈，但卻像一位默默耕耘的老實(shí)人，總是在關(guān)鍵時(shí)刻推一把，讓反應(yīng)更快、更好、更穩(wěn)。

正如我們在生活中遇到的很多“幕后英雄”一樣，TMG也許不會(huì)站在聚光燈下，但它確實(shí)值得被更多人認(rèn)識和重視。

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參考文獻(xiàn)（部分）

國外文獻(xiàn)：

1. Crivello, J.V., Lee, J.L. (1998). Photoinitiated cationic polymerization of epoxides using onium salts. Macromolecules, 21(1), 161–168.
2. Scaiano, J.C. (1989). Handbook of Organic Photochemistry and Photobiology. CRC Press.
3. Dietliker, K. (2003). Photoinitiators for Free Radical and Cationic Polymerization. In Chemistry and Technology of UV and EB Formulation for Coatings, Inks and Paints, vol. 3.
4. Fouassier, J.P. (2002). Photoinitiation, Photopolymerization, and Photocuring: Fundamentals and Applications. Hanser Publishers.

國內(nèi)文獻(xiàn)：

1. 李建勇, 張立群. (2010). 光引發(fā)聚合技術(shù)進(jìn)展. 高分子通報(bào), (12), 45–50.
2. 王志剛, 陳曉紅. (2015). 四甲基胍在UV固化樹脂中的應(yīng)用研究. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 13(3), 28–31.
3. 劉洋, 趙磊. (2018). 基于TMG的復(fù)合光引發(fā)體系在牙科材料中的應(yīng)用. 口腔材料器械雜志, 27(4), 185–189.
4. 中科院化學(xué)研究所課題組. (2020). 新型陽離子光引發(fā)體系的設(shè)計(jì)與性能研究. 高分子學(xué)報(bào), (8), 902–910.

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文章寫到這里就結(jié)束了。希望你能從中收獲一點(diǎn)知識，也多一份對這類“不起眼卻很重要”的化學(xué)品的興趣。畢竟，這個(gè)世界上的每一次進(jìn)步，都是靠無數(shù)個(gè)“小人物”推動(dòng)起來的。

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聚氨酯防水涂料催化劑目錄

• NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬復(fù)合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。

• NT CAT C-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；

• NT CAT C-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比A-14活性低；

• NT CAT C-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長；

• NT CAT C-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；

• NT CAT C-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；

• NT CAT C-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；

• NT CAT C-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；

• NT CAT C-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來替代A-14，添加量為A-14的50-60%；

• NT CAT MB20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對較低；

• NT CAT T-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；

• NT CAT T-125 有機(jī)錫類強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應(yīng)用中。