Влияние фотoinitiаторов на УФ-отвердевающие покрытия

Понимание фотоинициаторов и их роли в УФ-отверждаемых покрытиях

Фотоинициаторы запускают химические реакции, которые превращают жидкие УФ-покрытия в прочные, сшитые структуры. Эти чувствительные к свету вещества определяют примерно от 60 до 80 процентов скорости отверждения в промышленных условиях, поэтому правильный выбор фотоинициаторов имеет решающее значение для оптимизации производственных процессов. Согласно данным Yahoo Finance, мировой рынок фотоинициаторов достиг около 1,43 миллиарда долларов в 2023 году. Такой показатель демонстрирует, насколько важными стали эти вещества по мере того, как отрасли переходят на более экологичные методы с энергосберегающими технологиями отверждения.

Функция фотоинициаторов в фотополимеризации

При воздействии ультрафиолетового излучения (250–420 нм) фотoinициаторы поглощают фотоны и генерируют реакционноспособные промежуточные соединения — свободные радикалы или катионы, которые инициируют цепные реакции между мономерами и олигомерами, быстро образуя полимерные сети. В отличие от термической полимеризации, этот процесс завершается за секунды и выделяет минимальное количество летучих органических соединений (ЛОС), что способствует экологичному производству.

Фотоинициаторы типа I и типа II: механизмы расщепления и отрыва водорода

Фотоинициаторы типа I, такие как производные бензоила, подвергаются прямому разрыву связи под действием УФ-А света с образованием свободных радикалов. Напротив, фотоинициаторы типа II, такие как тиоксантоны, требуют донора водорода (например, аминовых соинициаторов) для генерации радикалов посредством передачи энергии, что обеспечивает эффективное отверждение в средах, богатых кислородом.

Эффективность инициирования и влияние на начало отверждения

Существует три основных фактора, определяющих эффективность инициирования: во-первых, способность фотoinициатора поглощать свет от УФ-ламп, с которыми он должен работать; во-вторых, правильный подбор количества фотoinициатора в зависимости от толщины покрытия (обычно от половины процента до пяти процентов); и в-третьих, предотвращение ингибирования кислородом на поверхности, где происходит отверждение. Лучшие системы типа I способны превратить более 95% мономеров всего за полсекунды, что звучит впечатляюще, пока мы не увидим, как такие составы желтеют после отверждения. Именно поэтому многие производители сегодня комбинируют фотoinициаторы типа I и типа II в своих светочувствительных покрытиях для светодиодного отверждения. Такое сочетание помогает сохранить хорошее качество поверхности и при этом обеспечивает достаточное проникновение в более толстые слои материала.

Как фотoinициаторы влияют на свойства УФ-отверждаемых покрытий

Скорость отверждения и степень сетчатой структуры

Скорость, с которой УФ-отверждаемые покрытия достигают полной полимеризации, в значительной степени определяется фотoinициаторами. Когда производители используют эффективные инициаторы типа I, такие как оксиды ацилфосфинов, они получают очень быстрое отверждение поверхности под УФ-светодиодными лампами. Некоторые заводы фактически зафиксировали время начала отверждения всего в 0,3 секунды, как указано в рыночном отчёте 2025 года по фотoinициаторам. Однако хорошая поперечная сшивка по всей глубине зависит от того, насколько инициатор корректно реагирует с глубиной проникновения света в материал. Здесь на помощь приходят современные системы двойного отверждения. Эти системы комбинируют УФ- и термоотверждаемые методы, чтобы преодолеть эту проблему. Им удаётся достичь около 98 процентов глубины отверждения даже в материалах с низкой прозрачностью, при этом циклы производства зачастую остаются менее десяти секунд.

Механические свойства и адгезия к подложке

Выбор фотoinициатора действительно влияет на прочность конечного продукта и на то, насколько хорошо разные материалы сцепляются друг с другом. Системы типа II работают по-другому, поскольку в процессе они отбирают атомы водорода, создавая полимерные сети, которые на 15–20 процентов более гибкие по сравнению со старыми системами типа I, которые вместо этого разрывают связи. Когда производители правильно подбирают состав, такие улучшенные формулы могут повысить адгезию к трудным поверхностям, таким как полипропилен, примерно на 40%. Это означает, что покрытия намного лучше держатся при воздействии механических сил, не отслаиваясь. Причина этого улучшения заключается в образовании более прочных химических связей между основным материалом и покрытием уже с самого начала процесса отверждения.

Пожелтение, старение и остаточные побочные продукты

Проблемы с устойчивостью, сохраняющиеся в течение длительного времени, обычно связаны с распадом фотoinициаторов. Возьмем, к примеру, производные бензофенона: они выгодны по стоимости, но оставляют около 3% остаточных аминов. Эти остатки ускоряют пожелтение — значения Δb* превышают 5 уже через 500 часов под воздействием УФ-света. Новые решения, такие как глицидиловые фотoinициаторы, набирают популярность в отрасли. Они снижают пожелтение примерно на три четверти и поддерживают уровень экстрагируемых веществ ниже половины процента, что особенно важно при производстве медицинского оборудования или нанесении оптических покрытий. Большинство современных составов теперь ориентируются на фотoinициаторы со встроенной стабилизацией. Такие материалы могут служить более десяти лет на открытом воздухе без необходимости добавления дополнительных компонентов, которые жертвуют другими свойствами ради стабильности.

Оптимизация выбора фотoinициаторов и стратегий формулирования

Сбалансированное содержание фотoinициатора для глубокого и поверхностного отверждения

Правильное равномерное отверждение зависит от тщательного контроля количества используемого фотоинициатора. При его избытке поверхность отверждается быстро, но при этом недостаточно ультрафиолетового света проникает внутрь, что может привести к неполному отверждению более глубоких слоев. Согласно данным производителей, поддержание концентрации фотоинициатора в пределах от 2% до 4% сокращает время отверждения примерно на 15%, обеспечивая при этом достижение плотности сшивки не менее 90% даже в покрытиях толщиной до 200 микрометров. Однако ситуация меняется при работе с очень толстыми пленками — более 500 микрометров. В таких случаях большинство экспертов рекомендуют использовать градиентные системы с двумя различными типами фотоинициаторов, чтобы одновременно правильно активировать как поверхность, так и внутренние слои.

Со-инициаторы и синергетические системы для повышения реакционной способности

Когда аминные сополимеризаторы добавляются в системы типа II, они фактически увеличивают количество образующихся свободных радикалов примерно на 30–40 процентов. Что это означает для производителей? Они могут сократить использование основного фотoinициатора примерно в 1,2–1,8 раза, при этом сохранив ту же скорость отверждения. Преимущества здесь также весьма значительны: со временем наблюдается меньшее пожелтение, а срок хранения продукции до деградации увеличивается. Рассмотрим в качестве примера струйную печать. Когда компании комбинируют диметиламиноэтилметакрилат (DMAEMA) с бензофеноном, происходит интересный эффект: жизнеспособность состава увеличивается примерно на двадцать минут, что даёт рабочим больше времени для выполнения производственных операций. Ещё лучше то, что адгезионные свойства остаются стабильными на всём протяжении процесса, поэтому качество не страдает даже при таких корректировках.

Подбор фотoinициаторов в соответствии с субстратами и требованиями применения

Около 60% рынка УФ-отверждаемых покрытий принадлежит радикальным фотoinициаторам согласно последним отраслевым отчетам Towards Chem and Materials (2024). Эти материалы хорошо работают в различных системах смол, что объясняет их популярность. Но на самом деле ключевое значение имеет то, как материал покрытия реагирует на свет. Например, при работе с поликарбонатом или стеклянными поверхностями техники обычно используют инициаторы, чувствительные к длине волны 365 нм, такие как HMPP (то есть 2-гидрокси-2-метилпропиофенон, для тех, кто следит за подробностями). С другой стороны, при нанесении цветных металлических покрытий лучшие результаты дают варианты с более короткой длиной волны, например, иодониевые соли около 254 нм. Правильный выбор действительно имеет значение на практике. Промышленные операции по нанесению покрытий могут сократить потребление энергии примерно на четверть, а автопроизводители отмечают, что правильно подобранные системы повышают устойчивость к царапинам в прозрачных покрытиях примерно в три раза по сравнению с несогласованными комбинациями.

Часто задаваемые вопросы

Какова основная роль фотoinициаторов в УФ-отверждаемых покрытиях?

Фотоинициаторы инициируют химические превращения, которые преобразуют жидкие УФ-покрытия в твёрдые структуры за счёт поглощения фотонов и образования реакционноспособных промежуточных соединений, которые быстро формируют полимерные сети.

В чём разница между фотоинициаторами типа I и типа II?

Фотоинициаторы типа I проходят расщепление связей с образованием свободных радикалов, тогда как фотоинициаторы типа II требуют ко-инициатора для генерации радикалов посредством передачи энергии.

Как фотоинициаторы влияют на скорость отверждения покрытий?

Скорость отверждения определяется эффективностью фотоинициаторов. Инициаторы типа I могут обеспечить быстрое отверждение, а системы двойного отверждения позволяют преодолеть проблемы проникновения излучения в более толстые материалы.

Каково влияние фотоинициаторов на механические свойства УФ-отверждаемых покрытий?

Системы типа II обеспечивают большую гибкость и лучшее сцепление с подложками по сравнению с системами типа I, что улучшает долговечность и адгезию покрытий к поверхностям.

Как можно оптимизировать состав фотoinициаторов?

Оптимальные составы обеспечивают баланс концентрации для достаточного отверждения на поверхности и в глубине, используют сополимеры для повышения реакционной способности и подбирают фотoinициаторы в соответствии с подложками для достижения наилучших результатов.