UV-Härtungstechnologie & Photoinitiatoren
Die UV-Härtung ist eine umweltfreundliche, energieeffiziente und leistungsstarke Spitzentechnologie.
Aufgrund ihrer Eigenschaften - hohe Temperaturbeständigkeit, breite Anwendbarkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit - werden UV-Klebstoffe für die Verklebung von Triebwerkskomponenten in Flugzeugen und die Montage von Raumfahrzeugen eingesetzt.
Anwendungen der UV-Lichthärtung in der Gesundheitsbranche
UV-LED-Lichtquellensysteme haben im medizinischen Bereich weite Verbreitung gefunden, da sie fotoinitiierte Klebstoffe schnell aushärten können und somit flüchtige Bindemittel überflüssig machen. UV-härtbare Klebstoffe bieten erhebliche Vorteile wie Energieeinsparungen, geringeren Verbrauch, kürzere Aushärtezeiten, höhere Produktionseffizienz und nahtlose Integration in automatisierte Prozesse.
Anwendungen der UV-Lichthärtung im 3D-Druck
Der 3D-Photopolymerisationsdruck ist heute eine der fortschrittlichsten Rapid-Prototyping-Technologien, die sich durch hohe Druckpräzision und wirtschaftliche Rentabilität auszeichnet. Dank seiner Vorteile - geringer Energieverbrauch, Kosteneffizienz, hohe Genauigkeit, glatte Oberflächen und hervorragende Reproduzierbarkeit - ist er in zahlreichen High-Tech-Sektoren weit verbreitet. Das Drucken von Prototypen von Raketentriebwerken mit komplexen Strukturen ermöglicht beispielsweise die Analyse von Gasströmungsmustern, was bei der Entwicklung kompakterer Triebwerke mit höherer Verbrennungseffizienz hilfreich ist. Dies steigert die Effizienz von Forschung und Entwicklung bei komplizierten Komponenten erheblich und verkürzt die Entwicklungszyklen in der Automobilindustrie. Darüber hinaus ermöglicht es den direkten Druck von Gussformen oder umgekehrten Formen für das Rapid Prototyping.
Klassifizierung von UV-Lichtquellen
Auf der Grundlage der Aushärtungslichtquellen wird die Photopolymerisation in erster Linie in die traditionelle Quecksilberlampenaushärtung und die neue UV-LED-Härtung unterteilt. Im Vergleich zur traditionellen Quecksilberlampenhärtung hat die UV-LED-Härtung auch gewisse Einschränkungen. Der wichtigste Unterschied liegt in der Tatsache, dass das von herkömmlichen Quecksilberlampen emittierte Spektrum fast den gesamten UV-Wellenlängenbereich abdeckt, während die UV-LED-Härtung aufgrund von Einschränkungen in der Hardwaretechnologie und aus Kostengründen derzeit auf das langwellige UVA-Band beschränkt ist.
Vergleich des Emissionsspektrums zwischen Quecksilberdampflampen und UV-LED-Lichtquellen
Fotoinitiatoren
Photoinitiatoren machen in lichthärtenden Formulierungen nur einen relativ geringen Anteil aus, in der Regel etwa 2%-5%, spielen aber eine entscheidende Rolle.
Damit die Lichthärtungsreaktion stattfinden kann, müssen die Fotoinitiatoren das von der UV-Lichtquelle ausgestrahlte ultraviolette Licht absorbieren, um freie Radikale zu erzeugen. Diese freien Radikale leiten dann die Polymerisationsreaktion ein, durch die das Produkt schließlich in seiner endgültigen Form ausgehärtet wird.
Das Emissionsspektrum der UV-Lichtquelle muss mit dem Absorptionsspektrum des Fotoinitiators übereinstimmen. Herkömmliche Fotoinitiatoren wie 1173 und 184 weisen ein Absorptionsmaximum im kurzwelligen UVC-Bereich auf und eignen sich daher besser für die Aushärtung mit herkömmlichen Quecksilberlampen.
Im Gegensatz dazu emittieren UV-LEDs hauptsächlich Licht in einigen spezifischen Banden, wie 365 nm, 385 nm, 395 nm und 405 nm. Photoinitiatoren auf Phosphinoxidbasis weisen eine relativ starke Absorption in diesen Banden auf, wodurch sie in UV-LED-Systemen weit verbreitet sind.
Fotoinitiator für freie Radikale
Fotoinitiatoren
Photoinitiatoren sind wesentliche Bestandteile von lichthärtenden Materialien. Sie absorbieren Strahlungsenergie, werden bei Anregung chemisch verändert und erzeugen reaktive Zwischenprodukte (freie Radikale oder Kationen), die Polymerisationsreaktionen auslösen können.
Auf der Grundlage der Wellenlänge des absorbierten Lichts können Photoinitiatoren in Photoinitiatoren für ultraviolettes Licht (Wellenlänge 250nm-400nm) und Photoinitiatoren für sichtbares Licht (Wellenlänge 400nm-700nm) eingeteilt werden. Je nach dem Mechanismus der Photopolymerisation werden sie in radikalische und kationische Photoinitiatoren unterteilt.
Radikalinitiatoren lassen sich anhand ihrer radikalbildenden Mechanismen in zwei Typen unterteilen: Initiatoren vom Typ Spaltung (auch als Typ-I-Initiatoren bezeichnet) und Initiatoren vom Typ Wasserstoffspülung (auch als Typ-II-Initiatoren bezeichnet).
Radikale Photoinitiatoren vom Typ Cracking
Radikale Photoinitiatoren vom Cracking-Typ sind Moleküle, die bei der Absorption von Lichtenergie in einen angeregten Singulett-Zustand übergehen und anschließend einen Intersystemübergang in einen angeregten Triplett-Zustand erfahren. Im angeregten Singulett- oder Triplett-Zustand wird die Molekülstruktur instabil, so dass schwache Bindungen homolytisch gespalten werden. Dadurch entstehen primäre aktive Radikale, die die Polymerisation und Vernetzung von Oligomeren und aktiven Verdünnungsmitteln einleiten.
Bei den radikalischen Photoinitiatoren vom Cracking-Typ handelt es sich überwiegend um Arylalkylketonverbindungen, darunter Phenylcumarine und ihre Derivate (z. B. Benzoesäureether), Phenylcumarsäure und ihre Derivate (z. B., 651), Phenylacetonderivate (z. B. DEAP), α-Hydroxyketonderivate (z. B. 1173, 184, 2959), α-Aminoalkylphenylacetone (907, 369) und Acylphosphinoxide (TPO, TPO-L, 819).
Wasserstoff spaltende radikalische Photoinitiatoren
Wasserstoff sparende Photoinitiatoren beziehen sich auf Photoinitiatormoleküle, die Lichtenergie absorbieren, angeregt werden und zwischen den Systemen kreuzen, um den angeregten Triplett-Zustand zu erreichen, und dann eine bimolekulare Reaktion mit einem Co-Initiator - einem Wasserstoffdonator - eingehen. Durch Elektronenübertragung erzeugen sie aktive Radikale, die die Polymerisation und Vernetzung von Oligomeren und reaktiven Verdünnungsmitteln einleiten. Wichtige Beispiele sind Benzophenone und ihre Derivate, Thioanthrachinone (ITX, DETX) und Anthrachinone (2-EA).
Co-Initiatoren sind Wasserstoffdonatoren, die in Verbindung mit wasserstoffabspaltenden Photoinitiatoren verwendet werden. Strukturell enthalten sie alle mindestens ein tertiäres Amin an der α-Kohlenstoffposition, wobei es sich in erster Linie um tertiäre Aminverbindungen handelt. Sie reagieren mit dem angeregten Zustand von wasserstoffbindenden Photoinitiatoren unter Bildung von Komplexen mit angeregten Radikalen, wobei das Stickstoffatom ein Elektron verliert und der Wasserstoff am α-Kohlenstoff neben dem Stickstoff stark sauer wird und leicht als Proton austritt. Dadurch entsteht ein C-zentriertes, reaktives tertiäres Aminalkylradikal, das die Polymerisation und Vernetzung von Oligomeren und reaktiven Verdünnungsmitteln einleitet. Zu den tertiären Aminverbindungen gehören aliphatische tertiäre Amine, tertiäre Amine vom Ethanolamintyp, Benzoatester vom tertiären Amintyp und reaktive Amine.