Подбор формулы и правильного источника света для успешного процесса УФ-отверждения

Уже более 20 лет для отверждения жидких и порошковых покрытий используется технология ультрафиолетового облучения. Все больше компаний, производящих покрытия, переходят на УФ-излучение или добавляют его в процесс отверждения по трем причинам: это экономит энергию, повышает производительность, поскольку отверждение происходит мгновенно, и подходит для термочувствительных поверхностей.

Как это рабоатет

Но УФ-отверждение сильно отличается от традиционных систем сушки на воздухе или с использованием тепловой энергии, поскольку отверждение представляет собой химическую реакцию внутри покрытия, в ходе которой используется ультрафиолетовая энергия для полимеризации комбинации мономеров и олигомеров на подложке. Кроме того, жидкие и порошкообразные УФ-отверждаемые материалы представляют собой фотополимеризующиеся материалы, которым требуется химический фотоинициатор (PI), реагирующий на ультрафиолетовую энергию и запускающий молекулярную реакцию.

И хотя фотоинициаторы (PI) , безусловно, являются основным ингредиентом, они и другие исходные материалы, необходимые для создания успешной рецептуры, представляют собой сложную задачу, поскольку их необходимо точно подобрать в соответствии с длиной волны источника света и пиковой энергией.

“В течение многих лет в промышленности используются ртутные лампы, модифицированные таким образом, чтобы они пропускали меньше видимого света и обладали сильной ультрафиолетовой энергией, обеспечивающей широкий диапазон длин волн. Таким образом, вы могли бы использовать разные PI в зависимости от конструкции лампы”, - говорит Майк Идакавейдж, консультант по ультрафиолетовому излучению и сотрудник Radtech с 1986 года.

“За последние 15 лет или около того была разработана технология УФ-светодиодов, позволяющая получать гораздо больше энергии от лампы, но у них очень узкая длина волны. Это всего лишь одна длина волны, поэтому найти светодиод, который реагирует при такой энергии, становится все более сложной задачей. У использования УФ-светодиодов есть свои плюсы и минусы по сравнению с ртутными лампами.

“На рынке по-прежнему много ртутных ламп, и они работают очень хорошо, потому что они более мощные и быстро отверждаются при высокой скорости или используются для нанесения очень толстых покрытий”, - продолжает Идакавейдж. “Но с точки зрения доступных PI, это действительно сложно определить. Их могло бы быть 40, но на самом деле только 10 или 15 используются на регулярной основе”.

Что говорят специалисты в направлении

Кевин Отто (Kevin Otto), операционный менеджер Keyland Polymer, говорит: “При подборе подходящего источника света и длины волны для PI необходимо оценить спектры поглощения света каждым PI, особенно пики. Затем их необходимо сравнить со спектральным выходом ламповых матриц. Цель состоит в том, чтобы лампы обеспечивали пики на длинах волн, соответствующих пикам поглощения PlS.”

Двумя наиболее распространенными химическими соединениями PI являются свободные радикалы (двойная связь) и катионные соединения (эпоксидное кольцо), причем первые являются наиболее популярными, поскольку с ними легче работать и они менее подвержены влиянию окружающей среды во время обработки и отверждения. Катионные отверждения ингибируются влагой, в то время как свободные радикалы ингибируются кислородом.

“Возможности применения свободнорадикальных систем будут шире, чем у катионных”, - говорит Отто. “Свободные радикалы обладают очень быстрой реакцией, которая возникает только при воздействии ультрафиолета. Катионная реакция протекает медленнее и продолжается после удаления из-под воздействия ультрафиолета. Более медленная реакция может потенциально обеспечить лучшую возможность увлажнения подложки, на которую нанесено покрытие. И это лучшее увлажнение приводит к лучшей адгезии покрытия. Наибольшую выгоду от этого могут получить те подложки, к которым, как правило, труднее добиться адгезии.”

Айдакавейдж говорит, что катионное отверждение - это скорее подкатегория. “Если посмотреть на это с высоты тысячи футов, то там все то же самое, где есть мономеры, олигомеры, добавки и ИП. Это другой химический процесс, при котором ПИ распадается и образует кислоту, которая взаимодействует с эпоксидными смолами”.

В технологии УФ-светодиодного отверждения одним из наиболее распространенных PI, используемых сегодня, является TPO - эффективный фотоинициатор для расщепления свободных радикалов с очень широким спектром длин волн поглощения, который запускает сшивание и отверждение мономера. Длина волны большинства УФ-светодиодов составляет от 365 до 405 нанометров (нм), но для TPO УФ-спектр составляет от 340 до 400 нм, что делает его наиболее часто используемым благодаря своей универсальности.

“В связи с принятием правительственных постановлений и вмешательством Агентства по охране окружающей среды США (EPA) было много дискуссий и опасений, что некоторые из существующих фотоинициаторов могут быть ограничены или регламентированы”, - говорит Идакавейдж. “И TPO - один из них. Большая проблема заключается в том, что REACH в Европе подала заявку на регулирование ТПО как потенциального репродуктивного токсина. В неотвержденном виде он считается потенциальным токсином, но после отверждения превращается в полимер и больше не считается токсичным. Если это регулируется, это не значит, что вы не можете его использовать, это просто означает, что способы его использования могут измениться, и компании, возможно, не захотят прибегать к таким крайностям. Недостатком является то, что в настоящее время нет ничего, что могло бы легко заменить это.”

Что сделано и будет делаться

Что касается работы, проводимой над PiS для узковолнового источника света или альтернативных источников, Идакавейдж говорит, что это было предметом обсуждения в течение некоторого времени, и ответы неоднозначны. “С научной точки зрения, сконструировать такие молекулы сложно. Во-вторых, если их сейчас не существует, то это может быть новая молекула, которая будет действовать как триггер. Что беспокоит людей в отрасли, так это то, что компания может разработать такую молекулу, но потратит до 500 000 долларов на патент и нормативные испытания. Большинство не хотят этого делать, потому что это может быть рискованно. Что, если никто не купит это?”

Конечно, соответствие источника света параметру PI имеет решающее значение, но при разработке необходимо учитывать множество других переменных. По словам Тони Чаба, менеджера по техническому развитию Barentz, в зависимости от длины волны, которую вы поглощаете, вы можете использовать определенный спектр света или использовать электронный луч в качестве источника энергии. “Вы выбираете свой источник света на основе PI, но разные PI обладают разными свойствами и скоростью. Таким образом, в зависимости от того, что представляет собой ваша смола, вы должны тщательно выбирать источник света, и в зависимости от этого вы должны правильно выбрать источник света или энергии.”

“Начните с вашей системы полимеров и формулируйте состав в соответствии с ней. Вы должны исходить из того, что представляет собой ваш конечный продукт. Вам может потребоваться большая или меньшая вязкость или определенная толщина. Вы можете решить, что вам нужен TPO, но как только начнете работать, поймете, что у него недостаточно низкая вязкость, или он слишком сильно желтеет, или отверждается слишком медленно”, - говорит Чаба.

По словам Csaba, иногда возникают проблемы с получением необходимой глубины отверждения. “Вы хотите проникнуть сквозь само покрытие, так как иногда оно будет экранировать само себя. Это будет зависеть от того, сможет ли длина волны света проникнуть в материалы. Поэтому вы должны быть осведомлены о толщине материалов, поскольку многие системы радикального отверждения имеют максимальную толщину, и вы не можете превышать определенную глубину”, - говорит он.

Идакавейдж добавляет: “PI - это твердое вещество или порошок, и часто бывает непросто растворить их в жидком виде. Но интересно то, что существуют уникальные ИП, и иногда можно объединить два ИП, и они станут жидкими. Таким образом, процесс смешивания становится проще, и вы используете несколько длин волн – одна может отверждать больше на поверхности, а другая - глубже проникать в покрытие”.

Также возникают проблемы с затенением, когда длина волны может не проникать в труднодоступные места детали. В этом случае, по словам Отто, “УФ-излучение попадает только в поле зрения. Если какая-либо часть покрытия не подвергается воздействию ультрафиолета, оно не затвердевает. Важно знать геометрию детали и настройки лампы. На сложные формы можно наносить УФ-покрытие, и оно уже нанесено, вопрос лишь в том, чтобы правильно установить лампу и расположить матрицы таким образом, чтобы они покрывали всю деталь. Многие лампы обеспечивают очень широкий спектр ультрафиолетового излучения (микроволновые и дуговые), что позволяет обеспечить воздействие ультрафиолетового излучения на большую часть детали.”

Существуют также вещества, которые поглощают свет на той же длине волны. “В этом случае вам нужно будет выбрать другой PI, потому что ингредиенты поглощают свет, и свет не проникает внутрь, а отражается от отражающей поверхности”, - говорит Чаба. “И такие факторы, как размер частиц некоторых наполнителей, не позволяют ультрафиолетовому излучению проникать внутрь. Это также повлияет на тип материала, который вам нужен”.

“Итак, если вы идете по этому пути, то показатель PI зависит от типа ингредиентов, которые вы используете в рецептуре”, - говорит Чаба. “Если вас беспокоит пожелтение, вам нужно выбрать тот показатель PI, который этого не вызывает. Некоторые из этих побочных продуктов остаются в отвержденной смоле, что может повлиять на эксплуатационные характеристики. Кроме того, иногда ингредиенты, входящие в состав, могут быть подвержены воздействию ультрафиолета или окислению, что может привести к обесцвечиванию или образованию мела.”

Примером этого является стирол, который, согласно Csaba, имеет ароматическую группу в середине и две двойные связи. Если в системе, отвержденной УФ-излучением, есть двойные связи, свободные радикалы захватывают их и связывают в основу. И все, что имеет такие чередующиеся двойные связи в костяке, может привести к деградации.

“Возьмем, к примеру, стандартную эпоксидную смолу, в ее рецептуре могут быть два ингредиента - PI и эпоксидная смола. Если смешать их вместе и выставить на свет, они застынут и превратятся в твердый блок. Это будет приятное плотное покрытие, но ароматическая основа - эпоксид на основе бисфенола А, и эта ароматическая основа начнет разрушаться под воздействием ультрафиолетового излучения и может стать белой или желтой”.

“Я советую новым производителям покрытий, переходящим на УФ-излучение, тесно сотрудничать с поставщиком PI”, - говорит Идакаваж. “Они всегда помогут выбрать ингредиенты в зависимости от проекта и будут сопровождать вас на протяжении всего процесса”.

Ксаба добавляет: “Когда вы начинаете формулировать прогнозы, вы начинаете понимать, что чем лучше вы справляетесь с прогнозированием, тем проще становится ваша работа. Ваша задача как прогнозиста - выяснить, каково конечное использование. Чем лучше вы в этом разбираетесь, тем лучше сможете адаптировать и отточить требования. Вы будете знать, что вам нужно использовать при некотором разнообразии ингредиентов. Важно понимать мелкие нюансы.”