Lignes directrices pour la sélection des photo-initiateurs dans les formulations de vernis UV

Aperçu des photo-initiateurs

- Dans les produits photopolymérisables, les photo-initiateurs jouent un rôle essentiel. Il s'agit de substances capables d'absorber l'énergie rayonnante et de subir des réactions chimiques pour générer des intermédiaires réactifs (radicaux libres ou cations) capables d'initier la polymérisation.

- Dans la pratique, les photo-initiateurs radicaux qui génèrent des radicaux libres sont principalement utilisés, tandis que les photo-initiateurs cationiques produisant des cations sont extrêmement rares. Cet article se concentre sur les photo-initiateurs radicaux.

Classification des photo-initiateurs

• Les photo-initiateurs radicaux sont principalement classés en deux catégories en fonction de leur mécanisme de génération de radicaux actifs : les photo-initiateurs radicaux de type clivage (également appelés photo-initiateurs de type I) et les photo-initiateurs radicaux à libération d'hydrogène (également appelés photo-initiateurs de type II).
• Les photo-initiateurs de type clivant les plus courants sont des composés cétoniques arylalkylés dont la structure prédomine. Les qualités couramment disponibles sont les suivantes : 184, 2959, 651, 907, 369, 1173, 819, TPO, MBF, 754, etc.
• Les photo-initiateurs courants qui éliminent l'hydrogène sont structurellement dérivés de benzophénones ou de cétones hétérocycliques. Les qualités couramment disponibles sont les suivantes : BP, ITX, 2-EA. En outre, les photo-initiateurs à libération d'hydrogène ont besoin de co-initiateurs pour être activés. Actuellement, les principaux co-initiateurs utilisés sont des amines réactives et des esters benzoïques de type amine tertiaire.

Sélection des photo-initiateurs

L'efficacité des photo-initiateurs dans le déclenchement des réactions de polymérisation au sein des produits photopolymérisables et, en fin de compte, dans l'obtention des performances souhaitées, dépend de l'interaction harmonieuse entre le système de photo-initiation, les conditions d'irradiation et les composants du produit. Il est donc particulièrement important de sélectionner les photo-initiateurs appropriés en fonction des processus de production et des formulations de produits spécifiques.

Les sections suivantes détaillent les méthodes de sélection des photo-initiateurs en examinant leurs propriétés et en les illustrant par des études de cas spécifiques.

Le spectre d'absorption du photo-initiateur doit correspondre au spectre d'émission de la source lumineuse.

Les sources lumineuses les plus courantes sur le marché sont les lampes à mercure, les lampes LED, les lampes à induction et les lampes à halogénures métalliques. Parmi celles-ci, les lampes à mercure sont les plus utilisées, émettant un spectre compris entre 200 et 450 nm et constituant une option polyvalente. Les lampes LED sont largement utilisées dans les applications de séchage à faible consommation d'énergie, avec des longueurs d'onde d'émission concentrées autour de 365/375/385/395/405 nm.

Lors de la sélection d'un photo-initiateur, choisissez-en un qui présente des caractéristiques d'absorption significatives dans la bande de longueur d'onde correspondante du spectre d'émission de la source lumineuse.

Étude de cas :

Dans les formules de vernis en gel, le choix du photo-initiateur est fortement contraint par la source lumineuse. Les lampes à ongles courantes utilisent deux types de tubes : les tubes fluorescents et les tubes LED. Les tubes fluorescents émettent entre 370 et 420 nm, tandis que les tubes LED émettent entre 365 et 395 nm. Les deux émettent dans la région des ondes longues, ce qui nécessite des initiateurs qui absorbent des longueurs d'onde plus importantes.

Le tableau 1 présente les pics d'absorption de divers photo-initiateurs courants. Pour obtenir une initiation optimale, il convient de choisir des photo-initiateurs dont les pics d'absorption sont supérieurs à 365 nm, tels que le TPO et le 819. Bien que le 784 ait une longueur d'onde de pic d'absorption plus longue, son coût élevé limite son adoption par le marché.

Dans les essais pratiques, le TPO et le 819 ont démontré les meilleures performances parmi tous les photo-initiateurs, ce qui correspond aux résultats prévus.

Sélection de photo-initiateurs pour le durcissement en profondeur des systèmes colorés

• Dans les systèmes colorés, en particulier les systèmes foncés, les pigments eux-mêmes absorbent une partie de l'énergie UV, empêchant la lumière UV de pénétrer dans le film de peinture. Cela empêche les photo-initiateurs des couches profondes d'absorber suffisamment d'énergie pour amorcer la polymérisation, ce qui se traduit en fin de compte par un durcissement insuffisant en profondeur. Dans les cas légers, l'adhérence peut être réduite, tandis que dans les cas graves, la surface peut se plisser, ce qui compromet à la fois l'aspect du film de peinture et ses propriétés physiques et chimiques.
• Dans le spectre UV, les grandes longueurs d'onde présentent des capacités de pénétration supérieures, ce qui leur permet d'atteindre plus efficacement les couches profondes du film de revêtement. Inversement, les longueurs d'onde plus courtes peinent à pénétrer à ces profondeurs. Par conséquent, sans photo-initiateurs à ondes longues pour absorber l'énergie de ces longueurs d'onde plus importantes dans les couches plus profondes, l'initiation de la polymérisation devient difficile. C'est pourquoi les photo-initiateurs à pénétration profonde sont indispensables dans les systèmes pigmentés. En se référant au tableau 1, la combinaison de photo-initiateurs à ondes longues comme le TPO/819/651 avec des photo-initiateurs à ondes courtes comme le 184/1173 donne des résultats favorables.

Étude de cas :

Dans les systèmes de couleurs UV à couche unique, les formulations noires présentent souvent une faible adhérence et un échec de l'adhérence des hachures. L'ajout de 1,5% 819 à la formulation a considérablement amélioré l'adhérence du film, démontrant le rôle du 819 dans la promotion d'un durcissement en profondeur.

En outre, dans les systèmes noir et blanc, les combinaisons 907/ITX + 184 et 369/ITX + 184 ont donné des résultats remarquables.

Sélection de photo-initiateurs pour les systèmes présentant des exigences en matière de jaunissement

Dans certains vernis et systèmes blancs, la résistance au jaunissement est un indicateur critique pour évaluer la performance du film de revêtement. Outre la sélection de résines et de monomères présentant une excellente résistance au jaunissement, la tendance au jaunissement des photo-initiateurs doit également être minimisée. Les initiateurs de photopolymérisation contenant des substituants tels que le N-diméthylamino dans leurs structures conjuguées présentent généralement des tendances au jaunissement induites par l'irradiation plus élevées. De même, la présence de tels substituants dans les structures amines réactives exacerbe également le jaunissement.

Le tableau 2 présente les indices de jaunissement de divers initiateurs de photopolymérisation, en utilisant le triacrylate d'oxyde de propyle et de pentaérythritol comme matériau de base et sans aucun initiateur comme référence vierge.

Comme le montre le tableau ci-dessus, 184, 1173, 754 et MBF sont tous des photo-initiateurs présentant un jaunissement minimal, ce qui en fait le choix optimal pour les formulations de vernis et de systèmes blancs.

Bonne solubilité dans les diluants actifs et les oligomères

Une excellente solubilité est une condition préalable essentielle à l'incorporation des photo-initiateurs dans les systèmes ; une compatibilité supérieure garantit une plus grande stabilité de la formulation.

Le tableau suivant indique la solubilité de certains photo-initiateurs dans des solvants et des monomères courants.

Ces dernières années, les vernis à base d'eau sont devenus de plus en plus courants, et les vernis UV à base d'eau ont également fait l'objet d'une attention particulière. Actuellement, les produits à haute solubilité dans l'eau sont peu nombreux sur le marché. Les options disponibles dans le commerce sont les suivantes : KIPEM, 819DW, BTC, BPQ, QTX, etc. Le 2959 atteint une solubilité dans l'eau de 1,7% et peut également être utilisé dans les produits UV à base d'eau.

Autres propriétés

Lors de la sélection des photo-initiateurs, privilégier ceux qui ont une faible odeur, une faible toxicité, une bonne stabilité thermique et une volatilité ou une migration minimale. S'assurer que les composants du photo-initiateur sélectionnés sont conformes aux lois et réglementations locales.

 

Conclusion

En résumé, la sélection des photo-initiateurs n'est pas une tâche isolée, mais doit être coordonnée avec l'ensemble du système et même avec le processus d'application. Pour choisir un photo-initiateur à la fois économique et très efficace, il faut tenir compte de la source lumineuse, des autres composants du système et des exigences de performance du produit photopolymérisé.