Fotopolimeryzacja

Fotopolimeryzacja – proces polegający na polimeryzacji monomerów w obecności fotoinicjatora, który pod wypływem światła ultrafioletowego (UV) lub widzialnego (VIS) ulega rozpadowi z wytworzeniem centrów aktywnych (wolnych rodników, jonów), inicjujących reakcję polimeryzacji.

Podstawowe właściwości

Skład

Dokładny skład kompozycji światłoutwardzalnej jest zależny od właściwości, jakie powinien posiadać gotowy materiał. Podstawowymi składnikami takiej kompozycji są:

• mieszanina monomerów
• układ inicjujący
• dodatki, takie jak: stabilizatory, napełniacze, środki barwiące, związki antyelektrostatyczne, promotory adhezji itp.

Monomery

Monomery (met)akrylowe słabo absorbują światło, dlatego w celu wytworzenia odpowiedniej ilości cząsteczek reaktywnych, wolnych rodników lub jonów, konieczne jest zastosowanie fotoinicjatorów, które można podzielić na:

• fotoinicjatory I typu – rodniki pierwotne powstają podczas fotodysocjacji wiązania C−C,
• fotoinicjatory II typu – rodnik powstaje w wyniku oderwania atomu wodoru od cząsteczki donora tzw. koinicjatora, również monomeru.

Wytworzone z fotoinicjatorów, pod wpływem naświetlania, aktywne cząsteczki inicjują dalej reakcję polimeryzacji. Przebiega ona ze stale malejącą szybkością, aż do chwili zaniku aktywnych miejsc rodnikowych.

Etapy fotopolimeryzacji

Inicjowanie

In ${\ce {->[hv]}}$ In* ${\ce {->[kd]}}$ 2In•

In•
+ M ${\ce {->[ ]}}$ InM•

gdzie:

In – cząsteczka inicjatora

In* – wzbudzony stan inicjatora

In•
– rodnik pierwotny

kd – stała szybkości rozpadu inicjatora

InM•
– rodnik inicjujący

M – monomer

Propagacja (rozprzestrzenianie się zaburzenia)

Mn•
+ M ${\ce {->[kp]}}$ Mn+
1

gdzie:

Mn•
– makrorodnik (rodnikowy koniec łańcucha)

kp – współczynnik szybkości propagacji

Terminacja (zakończenie)

• Zanik centrów aktywnych w reakcji dwóch makrorodników ze sobą w wyniku rekombinacji lub dysproporcjonowania:

Mn•
+ Mm•
${\ce {->[ ]}}$ P

• Zanik centrów aktywnych w reakcji makrorodnika z rodnikiem pierwotnym:

Mn•
+ In•
${\ce {->[ ]}}$ MnIn

• Zanik centrów aktywnych w wyniku pułapkowania wzrastających makrorodników:

Mn•
${\ce {->[ ]}}$ (Mn•
) unieruchomiony

gdzie:

P – jedna lub dwie makrocząsteczki bez centrów aktywnych.

Reakcje uboczne

Przeniesienie łańcucha

Mn•
+ AX ${\ce {->[ ]}}$ MnX + A•

Reinicjowanie

A•
+ M ${\ce {->[kr]}}$ M•

gdzie:

AX – cząsteczka monomeru,rozpuszczalnika,inicjatora lub innej substancji

X – atom lub grupa atomów ulegająca przeniesieniu

kr – współczynnik szybkości reinicjowania.

Czynniki

Przebieg fotopolimeryzacji zależy od:

• temperatury
• rodzaju atmosfery, w której prowadzi się reakcję
• długości fali
• natężenia światła
• budowy chemicznej monomerów
• stężenia monomerów
• zawartości pozostałych składników mieszaniny oraz ich stanu fizycznego.

Rodzaje fotopolimeryzacji

• Fotopolimeryzacja rodnikowa – centrum aktywnym jest wolny rodnik
• Fotopolimeryzacja kationowa – centrum aktywnym jest kation
• Fotopolimeryzacja anionowa – centrum aktywnym jest anion

Zastosowanie fotopolimeryzacji

W procesie fotopolimeryzacji powstają produkty dla różnych dziedzin przemysłu, m.in. budownictwa, medycyny, stomatologii, mikroelektroniki. W budownictwie fotopolimeryzacja najczęściej stosowana jest do utwardzania (usieciowania) klejów, lakierów, szpachli i fug, powłok ochronnych stosowanych do powlekania naturalnego kamienia, ceramiki, linoleum, drewna i betonu.

Materiał, który ma być utwardzony w procesie fotopolimeryzacji, układany jest w postaci płynnej lub półpłynnej. Uzyskane w ten sposób cienkie warstwy materiału składającego się z monomerów i ewentualnie wypełniacza nie stanowią bariery dla światła inicjującego reakcję substancji fotoutwardzalnej.

Aspekty dotyczące przykładowych technologii układania

Powłoki stosowane na podłożach betonowych

Przygotowanie podłoża betonowego pod cienkowarstwową posadzkę fotoutwardzalną polega na odkurzeniu i odpyleniu powierzchni, ewentualnie poprzedzonym szlifowaniem lub frezowaniem, lub śrutowaniem, wykonywanym w celu uzyskania odpowiedniej przyczepności podłoża. Podłoże powinno mieć minimalną wytrzymałość na odrywanie 1,5 MPa. Wilgotność podłoża betonowego może wynosić maksymalnie 4%. Układanie posadzki robione jest w postaci płynnej, a następnie utwardzenie przy użyciu maszyn naświetlających.

Powłoki stosowane na podłożach drewnianych

Przygotowanie podłoża polega na cyklinowaniu i odpyleniu powierzchni. Jako materiał fotoutwardzalny można zastosować odpowiednie oleje lub lakiery. Utwardzenie następuje przy użyciu maszyn naświetlających.

Wymagania dotyczące oświetlenia

Systemy posadzkowe utwardzane światłem UV powinny być nanoszone przy niewielkim natężeniu światła, gdyż światło słoneczne powoli utwardza (sieciuje) materiał. W pomieszczeniu zalecane jest światło sztuczne, najlepiej o barwie czerwonej.

Urządzenia do inicjowania fotopolimeryzacji

Do zainicjowania fotopolimeryzacji potrzebne są specjalne lampy o dużej mocy. Zalecane są lampy UV o mocy min. 120 W/cm² i intensywności 2500 mJ/cm². Lampy występują w postaci urządzeń ręcznych oraz jako wózki naświetlające.

Wady i zalety

Zalety

• niemal nieograniczony czas na operacje nakładania nawierzchni i kontroli jej jakości,
• krótki czas wiązania, umożliwiający natychmiastową możliwość użytkowania,
• wysoka odporność mechaniczna powierzchni,
• materiały przyjazne dla środowiska (brak konieczności stosowania chemicznych utwardzaczy),
• wysoka wydajność na jednostkę powierzchni przy układaniu na posadzkach.

Wady

• konieczność stosowania dodatkowych maszyn/urządzeń (lampy),
• skomplikowanie procesu układania,
• konieczność wyeliminowania/ograniczenia światła naturalnego, które zaburza proces technologiczny.