Richtlijnen voor het selecteren van fotoinitiatoren in UV-coatingformules

Overzicht van fotoinitiatoren

- In lichtuithardende producten vormen fotoinitiatoren een cruciaal onderdeel. Het zijn stoffen die stralingsenergie kunnen absorberen en chemische reacties ondergaan om reactieve tussenproducten (vrije radicalen of kationen) te genereren die polymerisatie initiëren.

- In de praktijk worden voornamelijk radicale fotoinitiatoren gebruikt die vrije radicalen genereren, terwijl kationische fotoinitiatoren die kationen produceren uiterst zeldzaam zijn. Dit artikel richt zich op radicale fotoinitiatoren.

Classificatie van fotoinitiatoren

• Radicale fotoinitiatoren worden voornamelijk ingedeeld in twee typen op basis van hun mechanisme om actieve radicalen te genereren: splitsende radicale fotoinitiatoren (ook bekend als type I fotoinitiatoren) en waterstof-afvangende radicale fotoinitiatoren (ook bekend als type II fotoinitiatoren).
• Gangbare fotoinitiatoren van het klieftype zijn structureel voornamelijk arylalkylketonverbindingen. Gangbare kwaliteiten zijn onder andere: 184, 2959, 651, 907, 369, 1173, 819, TPO, MBF, 754, enz.
• Gangbare waterstof-afbrekende fotoinitiatoren zijn structureel afgeleid van benzofenonen of heterocyclische ketonen. Gangbare kwaliteiten zijn onder andere: BP, ITX, 2-EA. Daarnaast hebben waterstof-terugwinnende fotoinitiatoren co-initiatoren nodig voor activering. Momenteel zijn de belangrijkste gebruikte co-initiatoren reactieve amines en tertiaire benzoë-esters van het aminetype.

Selectie van fotoinitiatoren

De doeltreffendheid van fotoinitiatoren bij het op gang brengen van polymerisatiereacties in lichtuithardende producten - en uiteindelijk het bereiken van de gewenste prestaties - hangt af van de harmonieuze interactie tussen het fotoinitiatiesysteem, de bestralingsomstandigheden en de productcomponenten. Daarom is het selecteren van geschikte fotoinitiatoren op basis van specifieke productieprocessen en productformules van cruciaal belang.

In de volgende paragrafen worden fotoinitiator screeningsmethoden beschreven door hun eigenschappen te onderzoeken en ze te illustreren aan de hand van specifieke casestudies.

Het absorptiespectrum van de fotoinitiator moet overeenkomen met het emissiespectrum van de lichtbron.

Gangbare lichtbronnen op de markt zijn kwiklampen, LED-lampen, inductielampen en metaalhalogeenlampen. Van deze lampen worden kwiklampen het meest gebruikt, met een spectrum tussen 200-450 nm en een algemene optie. LED lampen worden veel gebruikt in lage-energie uithardingstoepassingen, met emissiegolflengten geconcentreerd rond 365/375/385/395/405 nm.

Kies bij het selecteren van een fotoinitiator er een met significante absorptiekenmerken in de overeenkomstige golflengteband van het emissiespectrum van de lichtbron.

Casestudie:

Bij gellakformules wordt de keuze van de fotoinitiator sterk beperkt door de lichtbron. Gangbare nagellaklampen gebruiken twee soorten buizen: fluorescentie- en LED-buizen. Fluorescentiebuizen zenden tussen 370-420 nm uit, terwijl LED-buizen rond 365/395 nm uitzenden. Beide stralen uit in het lange-golfgebied, waardoor initiators nodig zijn die langere golflengten absorberen.

Tabel 1 toont de absorptiepieken van verschillende veelgebruikte fotoinitiatoren. Voor een optimale initiatie moeten fotoinitiatoren met absorptiepieken boven 365 nm worden geselecteerd, zoals TPO en 819. Hoewel 784 een langere absorptiepiekgolflengte heeft, beperkt de hoge kostprijs de markttoepassing ervan.

In praktische testen lieten TPO en 819 de beste prestaties zien van alle fotoinitiatoren, in overeenstemming met de voorspelde resultaten.

Selectie van fotoinitiatoren voor diepe uitharding in gekleurde systemen

• In gekleurde systemen, vooral donker gekleurde, absorberen pigmenten zelf een deel van de UV-energie, waardoor UV-licht niet in de verffilm kan doordringen. Dit voorkomt dat fotoinitiatoren voor diepe lagen voldoende energie absorberen om polymerisatie te starten, wat uiteindelijk resulteert in onvoldoende diepe uitharding. Milde gevallen kunnen een verminderde hechting vertonen, terwijl ernstige gevallen rimpeling van het oppervlak kunnen veroorzaken, waardoor zowel het uiterlijk als de fysische en chemische eigenschappen van de verffilm worden aangetast.
• Binnen het UV-spectrum hebben langere golflengtes een superieur penetratievermogen, waardoor ze effectiever diepere lagen van de coatinglaag kunnen bereiken. Omgekeerd hebben kortere golflengtes moeite om tot deze diepten door te dringen. Zonder fotoinitiatoren met een lange golflengte om de energie van deze langere golflengten in de diepere lagen te absorberen, wordt het initiëren van polymerisatie een uitdaging. Daarom zijn diep doordringende fotoinitiatoren onmisbaar in gepigmenteerde systemen. Onder verwijzing naar tabel 1 levert het combineren van langegolf fotoinitiatoren zoals TPO/819/651 met kortegolf fotoinitiatoren zoals 184/1173 gunstige resultaten op.

Casestudie:

In UV-kleursystemen met één laag vertonen zwarte formuleringen vaak slechte hechting en falen van de crosshatch hechting. Toevoeging van 1,5% 819 aan de formulering verbeterde de filmhechting aanzienlijk, wat de rol van 819 aantoont bij het bevorderen van diepe uitharding.

Daarnaast leverden de combinaties 907/ITX + 184 en 369/ITX + 184 uitstekende resultaten in zwart-witsystemen.

Selectie van fotoinitiatoren voor systemen met vergelingsvereisten

In bepaalde vernissen en witte systemen is de weerstand tegen vergeling een kritische indicator voor het evalueren van de prestaties van coatingfilms. Naast het selecteren van harsen en monomeren met een uitstekende weerstand tegen vergeling, moet ook de neiging tot vergeling van fotoinitiatoren geminimaliseerd worden. Fotopolymerisatie-initiatoren met substituenten zoals N-dimethylamino in hun geconjugeerde structuren vertonen over het algemeen een hogere door bestraling veroorzaakte vergelingsneiging. Ook de aanwezigheid van dergelijke substituenten in reactieve aminestructuren verergert de vergeling.

Tabel 2 toont de vergelingsindices van verschillende fotopolymerisatie-initiatoren, met propyloxidepentaerytritoltriacrylaat als basismateriaal en zonder initiator als blanco referentie.

Zoals de bovenstaande tabel laat zien, zijn 184, 1173, 754 en MBF allemaal fotoinitiatoren met minimale vergeling, waardoor ze de optimale keuze zijn voor vernis en witte systeemformules.

Goede oplosbaarheid in actieve verdunningsmiddelen en oligomeren

Uitstekende oplosbaarheid is een cruciale voorwaarde voor het opnemen van fotoinitiatoren in systemen; superieure compatibiliteit zorgt voor een grotere formulatiestabiliteit.

De volgende tabel toont de oplosbaarheid van geselecteerde fotoinitiatoren in gangbare oplosmiddelen en monomeren.

De afgelopen jaren zijn coatings op waterbasis steeds populairder geworden en ook UV-coatings op waterbasis hebben steeds meer aandacht gekregen. Momenteel zijn er maar weinig producten met een hoge oplosbaarheid in water op de markt. Commercieel verkrijgbare opties zijn onder andere: KIPEM, 819DW, BTC, BPQ, QTX, enz. 2959 bereikt een oplosbaarheid in water van 1,7% en kan ook worden gebruikt in UV-producten op waterbasis.

Andere eigenschappen

Kies bij voorkeur fotoinitiatoren met een lage geur, lage toxiciteit, goede thermische stabiliteit en minimale vluchtigheid of migratie. Zorg ervoor dat de geselecteerde fotoinitiatorcomponenten voldoen aan de plaatselijke wet- en regelgeving.

 

Conclusie

Samengevat is de keuze van fotoinitiatoren geen op zichzelf staande taak, maar moet deze worden gecoördineerd met het hele systeem en zelfs met het applicatieproces. Er moet uitgebreid rekening worden gehouden met de lichtbron, andere componenten in het systeem en de prestatievereisten van het lichtuithardende product om een fotoinitiator te kiezen die zowel economisch als zeer effectief is.