Richtlinien für die Auswahl von Photoinitiatoren in UV-Lackformulierungen

Überblick über Photoinitiatoren

- In lichthärtenden Produkten sind Photoinitiatoren ein wichtiger Bestandteil. Dabei handelt es sich um Stoffe, die in der Lage sind, Strahlungsenergie zu absorbieren und durch chemische Reaktionen reaktive Zwischenprodukte (freie Radikale oder Kationen) zu erzeugen, die die Polymerisation einleiten können.

- In der praktischen Produktion werden vor allem radikalische Photoinitiatoren verwendet, die freie Radikale erzeugen, während kationische Photoinitiatoren, die Kationen erzeugen, äußerst selten sind. Dieser Artikel konzentriert sich auf radikalische Photoinitiatoren.

Klassifizierung von Photoinitiatoren

• Radikale Photoinitiatoren werden hauptsächlich in zwei Typen eingeteilt, die auf ihrem Mechanismus der Erzeugung aktiver Radikale beruhen: radikale Photoinitiatoren mit Spaltungscharakter (auch als Typ-I-Photoinitiatoren bezeichnet) und radikale Photoinitiatoren mit Wasserstoffspülung (auch als Typ-II-Photoinitiatoren bezeichnet).
• Gängige Fotoinitiatoren vom Spalttyp sind strukturell überwiegend Arylalkylketonverbindungen. Zu den häufig erhältlichen Sorten gehören: 184, 2959, 651, 907, 369, 1173, 819, TPO, MBF, 754, usw.
• Gängige wasserstoffabspaltende Photoinitiatoren leiten sich strukturell von Benzophenonen oder heterocyclischen Ketonen ab. Zu den häufig erhältlichen Sorten gehören: BP, ITX, 2-EA. Zusätzlich benötigen wasserstoffbindende Photoinitiatoren Co-Initiatoren zur Aktivierung. Derzeit werden als Co-Initiatoren hauptsächlich reaktive Amine und Benzoesäureester vom tertiären Amintyp verwendet.

Auswahl der Photoinitiatoren

Die Wirksamkeit von Fotoinitiatoren bei der Auslösung von Polymerisationsreaktionen in lichthärtbaren Produkten - und damit das Erreichen der gewünschten Leistung - hängt vom harmonischen Zusammenspiel zwischen dem Fotoinitiatorsystem, den Bestrahlungsbedingungen und den Produktkomponenten ab. Daher ist die Auswahl geeigneter Fotoinitiatoren auf der Grundlage spezifischer Produktionsprozesse und Produktformulierungen besonders wichtig.

In den folgenden Abschnitten werden die Screening-Methoden für Photoinitiatoren detailliert beschrieben, indem ihre Eigenschaften untersucht und anhand spezifischer Fallstudien veranschaulicht werden.

Das Absorptionsspektrum des Fotoinitiators muss mit dem Emissionsspektrum der Lichtquelle übereinstimmen.

Zu den gängigen Lichtquellen auf dem Markt gehören Quecksilberdampflampen, LED-Lampen, Induktionslampen und Halogenmetalldampflampen. Unter diesen sind Quecksilberlampen am weitesten verbreitet, die ein Spektrum zwischen 200-450 nm emittieren und als Allzweck-Lichtquelle dienen. LED-Lampen werden häufig in Niedrigenergie-Härtungsanwendungen eingesetzt, wobei sich die Emissionswellenlängen auf 365/375/385/395/405 nm konzentrieren.

Bei der Auswahl eines Fotoinitiators ist darauf zu achten, dass dieser im entsprechenden Wellenlängenbereich des Emissionsspektrums der Lichtquelle signifikante Absorptionseigenschaften aufweist.

Fallstudie:

Bei Gelpoliermitteln ist die Auswahl des Fotoinitiators stark von der Lichtquelle abhängig. Übliche Nagellampen verwenden zwei Arten von Röhren: Leuchtstoffröhren und LED. Leuchtstoffröhren emittieren im Bereich von 370-420 nm, während LED-Röhren im Bereich von 365nm/395nm emittieren. Beide emittieren im langwelligen Bereich und erfordern Initiatoren, die längere Wellenlängen absorbieren.

In Tabelle 1 sind die Absorptionsspitzen verschiedener gängiger Fotoinitiatoren aufgeführt. Um eine optimale Initiierung zu erreichen, sollten Fotoinitiatoren mit Absorptionspeaks über 365 nm gewählt werden, wie TPO und 819. Obwohl 784 eine längere Absorptionspeak-Wellenlänge hat, schränken seine hohen Kosten seine Marktakzeptanz ein.

Im Praxistest zeigten TPO und 819 die beste Leistung unter allen Fotoinitiatoren, was den vorhergesagten Ergebnissen entsprach.

Auswahl von Photoinitiatoren für die Tiefenhärtung in farbigen Systemen

• In farbigen Systemen, insbesondere in dunklen, absorbieren die Pigmente selbst einen Teil der UV-Energie und verhindern so das Eindringen von UV-Licht in den Lackfilm. Dadurch können die Fotoinitiatoren in den tiefen Schichten nicht genügend Energie absorbieren, um die Polymerisation einzuleiten, was letztlich zu einer unzureichenden Tiefenhärtung führt. In leichten Fällen kann die Haftung beeinträchtigt sein, in schweren Fällen kann es zu Faltenbildung auf der Oberfläche kommen, wodurch sowohl das Aussehen des Lackfilms als auch seine physikalischen und chemischen Eigenschaften beeinträchtigt werden.
• Innerhalb des UV-Spektrums haben längere Wellenlängen ein höheres Durchdringungsvermögen, so dass sie tiefere Schichten des Beschichtungsfilms besser erreichen können. Umgekehrt haben kürzere Wellenlängen Schwierigkeiten, in diese Tiefen einzudringen. Ohne langwellige Fotoinitiatoren, die die Energie dieser längeren Wellenlängen in den tieferen Schichten absorbieren, wird die Einleitung der Polymerisation daher schwierig. Daher sind tief eindringende Fotoinitiatoren in pigmentierten Systemen unverzichtbar. Tabelle 1 zeigt, dass die Kombination von langwelligen Fotoinitiatoren wie TPO/819/651 mit kurzwelligen Fotoinitiatoren wie 184/1173 zu günstigen Ergebnissen führt.

Fallstudie:

Bei UV-Einschichtfarbsystemen weisen schwarze Formulierungen oft eine schlechte Haftung und Kreuzschraffur auf. Die Zugabe von 1,5% 819 zur Formulierung verbesserte die Filmhaftung erheblich, was die Rolle von 819 bei der Förderung der Tiefenhärtung belegt.

In Schwarz-Weiß-Systemen lieferten die Kombinationen 907/ITX + 184 und 369/ITX + 184 ebenfalls hervorragende Ergebnisse.

Auswahl von Photoinitiatoren für Systeme mit Vergilbungsanforderungen

Bei bestimmten Lacken und weißen Systemen ist die Vergilbungsbeständigkeit ein entscheidender Indikator für die Bewertung der Leistung des Beschichtungsfilms. Neben der Auswahl von Harzen und Monomeren mit ausgezeichneter Vergilbungsbeständigkeit sollte auch die Vergilbungsneigung von Photoinitiatoren minimiert werden. Photopolymerisationsinitiatoren, die Substituenten wie N-Dimethylamino in ihren konjugierten Strukturen enthalten, weisen im Allgemeinen eine höhere strahleninduzierte Vergilbungstendenz auf. Auch das Vorhandensein solcher Substituenten in reaktiven Aminstrukturen verschlimmert die Vergilbung.

Tabelle 2 zeigt die Vergilbungsindizes verschiedener Photopolymerisationsinitiatoren unter Verwendung von Propyloxid-Pentaerythritoltriacrylat als Basismaterial und ohne jeglichen Initiator als Blindwert.

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, sind 184, 1173, 754 und MBF allesamt Fotoinitiatoren mit minimaler Vergilbung, was sie zur optimalen Wahl für Lack- und Weißsystemformulierungen macht.

Gute Löslichkeit in aktiven Verdünnungsmitteln und Oligomeren

Hervorragende Löslichkeit ist eine entscheidende Voraussetzung für die Einbindung von Fotoinitiatoren in Systeme; eine bessere Kompatibilität sorgt für eine höhere Stabilität der Formulierung.

Die folgende Tabelle zeigt die Löslichkeit ausgewählter Photoinitiatoren in gängigen Lösungsmitteln und Monomeren.

In den letzten Jahren haben sich Beschichtungen auf Wasserbasis immer mehr durchgesetzt, wobei auch UV-Beschichtungen auf Wasserbasis große Aufmerksamkeit erlangten. Derzeit gibt es nur wenige Produkte mit hoher Wasserlöslichkeit auf dem Markt. Zu den kommerziell erhältlichen Optionen gehören: KIPEM, 819DW, BTC, BPQ, QTX, usw. 2959 erreicht eine Wasserlöslichkeit von 1,7% und kann auch in UV-Produkten auf Wasserbasis verwendet werden.

Andere Eigenschaften

Bei der Auswahl von Fotoinitiatoren sollten Sie solche mit geringem Geruch, geringer Toxizität, guter thermischer Stabilität und minimaler Flüchtigkeit oder Migration bevorzugen. Stellen Sie sicher, dass die ausgewählten Fotoinitiator-Komponenten den örtlichen Gesetzen und Vorschriften entsprechen.

 

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Auswahl von Fotoinitiatoren keine isolierte Aufgabe ist, sondern auf das gesamte System und sogar den Anwendungsprozess abgestimmt werden muss. Es ist eine umfassende Betrachtung der Lichtquelle, anderer Komponenten im System und der Leistungsanforderungen des lichtgehärteten Produkts erforderlich, um einen Fotoinitiator zu wählen, der sowohl wirtschaftlich als auch hochwirksam ist.