Útmutató a fotoiniciátorok kiválasztásához az UV bevonatformulákban

A fotoiniciátorok áttekintése

- A fényre keményedő termékekben a fotoiniciátorok kritikus komponensként szolgálnak. Ezek olyan anyagok, amelyek képesek sugárzó energiát elnyelni és kémiai reakciókat véghezvinni, amelyek során polimerizáció-indító képességű reaktív intermedierek (szabad gyökök vagy kationok) keletkeznek.

- A gyakorlati gyártásban túlnyomórészt szabad gyököket létrehozó radikális fotoiniciátorokat használnak, míg a kationokat termelő kationos fotoiniciátorok rendkívül ritkák. Ez a cikk a radikális fotoiniciátorokra összpontosít.

A fotoiniciátorok osztályozása

• A radikális fotoiniciátorokat elsősorban két típusba sorolják az aktív gyökök létrehozásának mechanizmusa alapján: hasító típusú radikális fotoiniciátorok (más néven I. típusú fotoiniciátorok) és hidrogénmegkötő radikális fotoiniciátorok (más néven II. típusú fotoiniciátorok).
• A gyakori hasító típusú fotoiniciátorok szerkezetileg túlnyomórészt arilalkil-keton vegyületek. Az általánosan elérhető fajták közé tartoznak: TPO, MBF, 754, stb.
• A gyakori hidrogénmegkötő fotoiniciátorok szerkezetileg benzofenonokból vagy heterociklikus ketonokból származnak. Az általánosan elérhető fajták közé tartoznak: BP, ITX, 2-EA. A hidrogénmegkötő fotoiniciátorok aktiválásához emellett társ-iniciátorokra van szükség. Jelenleg az elsődlegesen használt ko-iniciátorok a reaktív aminok és a tercier amin típusú benzoesav-észterek.

A fotoiniciátorok kiválasztása

A fotoiniciátorok hatékonysága a polimerizációs reakciók beindításában a fénykeményedő termékekben - és végső soron a kívánt teljesítmény elérése - a fotoiniciátor rendszer, a besugárzási körülmények és a termékkomponensek harmonikus kölcsönhatásától függ. Ezért különösen fontos a megfelelő fotoiniciátorok kiválasztása az adott gyártási folyamatok és termékformulák alapján.

A következő szakaszok a fotoiniciátorok szűrési módszereit részletezik, megvizsgálva azok tulajdonságait, és konkrét esettanulmányokon keresztül szemléltetve azokat.

A fotoiniciátor abszorpciós spektrumának meg kell egyeznie a fényforrás emissziós spektrumával.

A piacon elterjedt fényforrások közé tartoznak a higanylámpák, a LED-lámpák, az indukciós lámpák és a fémhalogénlámpák. Ezek közül a higanylámpák a legszélesebb körben használtak, amelyek 200-450 nm közötti spektrumot bocsátanak ki, és általános célú megoldásként szolgálnak. A LED-lámpákat széles körben használják az alacsony energiájú gyógyító alkalmazásokban, amelyek kibocsátási hullámhossza 365/375/385/395/405 nm körül koncentrálódik.

A fotoiniciátor kiválasztásakor olyat válasszon, amely a fényforrás emissziós spektrumának megfelelő hullámhosszú sávjában jelentős abszorpciós tulajdonságokkal rendelkezik.

Esettanulmány:

A zselés lakkformulákban a fotoiniciátor kiválasztását erősen korlátozza a fényforrás. Az általános körömlámpák kétféle csövet használnak: fénycsöveket és LED-eket. A fluoreszkáló csövek 370-420 nm-en belül sugároznak, míg a LED csövek 365/395 nm körül sugároznak. Mindkettő a hosszú hullámhosszú tartományban sugároz, ezért olyan iniciátorokat igényelnek, amelyek hosszabb hullámhosszakat nyelnek el.

Az 1. táblázat felsorolja a különböző gyakori fotoiniciátorok abszorpciós csúcsait. Az optimális iniciálás elérése érdekében olyan fotoiniciátorokat kell választani, amelyek abszorpciós csúcsa 365 nm felett van, mint például a TPO és a 819. Bár a 784-nek hosszabb az abszorpciós csúcs hullámhossza, magas ára korlátozza piaci alkalmazását.

A gyakorlati vizsgálatok során a TPO és a 819 mutatta a legjobb teljesítményt az összes fotoiniciátor közül, ami összhangban van az előre jelzett eredményekkel.

A fotoiniciátorok kiválasztása a színes rendszerek mélykeményedéséhez

• A színes rendszerekben, különösen a sötét színűekben a pigmentek maguk is elnyelik az UV-energia egy részét, megakadályozva az UV-fény behatolását a festékrétegbe. Ez megakadályozza, hogy a mélyrétegű fotoiniciátorok elegendő energiát nyeljenek el a polimerizáció elindításához, ami végső soron nem megfelelő mélykeményedéshez vezet. Enyhe esetekben csökkent tapadás, míg súlyos esetekben a felület ráncosodása fordulhat elő, ami mind a festékfilm megjelenését, mind fizikai és kémiai tulajdonságait veszélyezteti.
• Az UV-spektrumon belül a hosszabb hullámhosszúak jobb behatolási képességgel rendelkeznek, így hatékonyabban jutnak el a bevonófilm mélyebb rétegeibe. Ezzel szemben a rövidebb hullámhosszúak nehezen hatolnak be ezekbe a mélységekbe. Következésképpen, hosszú hullámhosszú fotoiniciátorok nélkül, amelyek elnyelik a hosszabb hullámhosszú sugárzások energiáját a mélyebb rétegekben, a polimerizáció beindítása kihívást jelent. Ezért a mélyen behatoló fotoiniciátorok nélkülözhetetlenek a pigmentált rendszerekben. Az 1. táblázatra hivatkozva, a hosszú hullámú fotoiniciátorok, mint a TPO/819/651, kombinálása rövid hullámú fotoiniciátorokkal, mint a 184/1173, kedvező eredményeket hoz.

Esettanulmány:

Az UV egyrétegű színrendszerekben a fekete formulák gyakran gyenge tapadást és kereszthuzat tapadási hibát mutatnak. Az 1,5% 819 hozzáadása a készítményhez jelentősen javította a filmtapadást, ami bizonyítja a 819 szerepét a mélykeményedés elősegítésében.

Emellett fekete-fehér rendszerekben a 907/ITX + 184 és a 369/ITX + 184 kombinációk kiemelkedő eredményeket értek el.

Fotoiniciátorok kiválasztása sárgulási követelményekkel rendelkező rendszerekhez

Bizonyos lakkok és fehér rendszerek esetében a sárgulási ellenállás kritikus mutató a bevonatfilm teljesítményének értékeléséhez. A kiváló sárgulásállóságú gyanták és monomerek kiválasztásán túlmenően a fotoiniciátorok sárgulási hajlamát is minimalizálni kell. A konjugált szerkezetükben N-dimetilaminóhoz hasonló szubsztituenseket tartalmazó fotopolimerizációs iniciátorok általában nagyobb besugárzás okozta sárgulási hajlamot mutatnak. Hasonlóképpen, az ilyen szubsztituensek jelenléte a reaktív aminszerkezetekben szintén súlyosbítja a sárgulást.

A 2. táblázat a különböző fotopolimerizációs iniciátorok sárgulási indexeit mutatja be, alapanyagként propil-oxid-pentaeritritol-trikrilátot használva, üres referenciaként pedig iniciátor nélkül.

Amint a fenti táblázatban látható, a 184, 1173, 754 és MBF mind olyan fotoiniciátorok, amelyek minimális sárgulással rendelkeznek, így optimális választásnak bizonyulnak lakk és fehér rendszerű készítményekhez.

Jó oldhatóság aktív hígítókban és oligomerekben

A kiváló oldhatóság döntő előfeltétele a fotoiniciátorok rendszerekbe való beépítésének; a kiváló kompatibilitás nagyobb stabilitást biztosít a készítményekben.

A következő táblázat a kiválasztott fotoiniciátorok oldhatóságát mutatja be a szokásos oldószerekben és monomerekben.

Az elmúlt években a vízbázisú bevonatok egyre inkább elterjedtek, és a vízbázisú UV-bevonatok is jelentős figyelmet kaptak. Jelenleg a piacon kevés a magas vízoldékonyságú termék. A kereskedelemben kapható lehetőségek közé tartoznak: KIPEM, 819DW, BTC, BPQ, QTX stb. A 2959 1,7% vízoldékonyságot ér el, és vízbázisú UV-termékekben is használható.

Egyéb tulajdonságok

A fotoiniciátorok kiválasztásakor előnyben kell részesíteni az alacsony szagú, alacsony toxicitású, jó hőstabilitású és minimális illékonyságú vagy migrációs tulajdonságú fotoiniciátorokat. Győződjön meg arról, hogy a kiválasztott fotoiniciátor komponensek megfelelnek a helyi törvényeknek és előírásoknak.

 

Következtetés

Összefoglalva, a fotoiniciátorok kiválasztása nem elszigetelt feladat, hanem össze kell hangolni a teljes rendszerrel, sőt az alkalmazási folyamattal is. A fényforrás, a rendszer egyéb összetevői és a fényre keményedő termék teljesítménykövetelményeinek átfogó figyelembevételét igényli a gazdaságos és hatékony fotoiniciátor kiválasztása.