Einfluss von UV-Absorbern in UV-härtenden Beschichtungen

Beschichtungen für die Anwendung im Außenbereich benötigen im Allgemeinen den Schutz effektiver UV-Absorber. Generell besitzen UV-härtende Beschichtungen viele Vorzüge, welche sie für den Außenbereich prädestinieren würden, darunter außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, wie hohe Kratzfestigkeit und Härte, oder extreme chemische Beständigkeit. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass UV-Absorber und der zur Vernetzung erforderliche Photoinitiator  miteinander in Konkurrenz treten. UV-härtende Beschichtungen mit einem gewissen Gehalt an UV-Absorbern weisen deshalb oftmals eine mangelhafte Durchhärtung auf. Im Fraunhofer IPA wurde versucht, diese Problematik aufzugreifen und mögliche Lösungsansätze zu erarbeiten. UV-härtende Beschichtungen besitzen neben dem herausragenden Eigenschaftsprofil  weitere Vorzüge. Sie sind emissionsarm oder bei ausschließlicher Verwendung von Reaktivverdünnern sogar nahezu emissionsfrei. Ferner gehören sie zu den energieeffizienten Beschichtungen, da nur ein Teil der Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt wird, während ein großer Teil direkt zur Strahlungshärtung genutzt wird.

Kritische Durchhärtung

Problematisch ist jedoch der für Außenbeschichtungen erforderliche Einsatz von UV-Absorbern in Bezug auf den Zerfall des Photo­initiators und die damit einhergehende direkte Einflussnahme des UV-Schutzes auf die Durchhärtung der Schicht. Die Durchhärtung der Schicht von der Oberfläche zum Substrat nimmt dabei sehr stark mit fortschreitender Menge zugegebener UV-Schutzkomponenten ab, was besonders bei einer höheren Schichtdicke in Erscheinung tritt. Dieser Aspekt hat nicht nur Einfluss auf Härte, Barriere­eigenschaften und Haftung der Schicht, sondern auch auf die Witterungsbeständigkeit, denn die nicht umgesetzten Doppelbindungen können unter Einfluss von UV-Strahlung im Außenbereich nachvernetzen. Die Beschichtungen neigen dann zur Versprödung, so dass die Schutzeigenschaften der Beschichtung weitgehend  verloren gehen. Der Umsatz der Doppelbindungen spielt infolge dessen bei UV-härtenden Be­schichtungen eine elementare Rolle und hängt stark von der verwendeten UV-Absorber/Hindered-Amine-Light-Stabilizers (HALS)-Paarung ab.

Ergebnisse

Grafik 2: Abhängigkeit des Doppelbindungsumsatzes und Eigenschaftsprofils bei UV-härtenden Beschichtungen vom verwendeten Photoinitiator. Grafiken: Fraunhofer IPA

Dies ist beispielhaft in Grafik 1 für ein mittels Hydroxyketon als Photoinitiator härtendes aliphatisches Urethan-Acrylat-Bindemittel gezeigt. Es ist ersichtlich, dass bei gleicher UV-Dosis von 4529 mJ/cm² und unter Inertatmosphäre der Doppelbindungsumsatz nur relativ wenig vom verwendeten UV-Absorber/HALS-Paar abhängt, dass jedoch die erzielten Eigenschaften sich teilweise deutlich unterscheiden. Daraus kann geschlossen werden, dass sich offensichtlich für diese Systeme der Härtungsgradient von der Oberfläche zum Substrat, beziehungsweise die Durchhärtung über die Dicke der Schicht von 40 µm, stark unterscheidet. Wird nun im gleichen Bindemittelsystem bei Zugabe eines Benzotriazol-Absorbers (UV-abs.3) und eines Piperidinyl-Sebacat (HALS3) der Photoinitiator variiert, so zeigt sich in Grafik 2, dass nun auch der Doppelbindungsumsatz und daraus folgend ebenfalls das Eigenschaftsprofil sich deutlich unterscheiden. Beide Komponentengruppen, sowohl das verwendete Absorber/HALS-Paar als auch der Photoinitiator, beeinflussen sehr stark das Eigenschaftsprofil eines UV-härtenden Bindemittelsystems. Da der Doppelbindungsumsatz eine zen­trale Rolle für eine Außenanwendung von UV-härtenden Beschichtungen spielt, könnte es durchaus sinnvoll sein, zunächst das Absorber/HALS-Paar hinsichtlich des geforderten Eigenschaftsprofils auszuwählen und erst nachträglich den Photointitiator für das gewählte Bindemittelsystem zu optimieren.

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