"SISTEMAS FOTOPOLIMERIZÁVEIS, COMPOSTOS, E, PROCESSO PARA PREPARAR COBERTURAS PARA SUPERFÍCIES DE METAL5 MADEIRA, PAPEL E PLÁSTICO"
Esta invenção diz respeito a sistemas fotopolimerizáveis contendo co-iniciadores com baixa extraibilidade e baixa volatibilidade.
Os sistemas fotopolimerizáveis contêm fotoiniciadores caracterizados pela presença dentro de suas moléculas de um grupo funcional que, pela excitação eletromagnética, geralmente radiação UV, gera radicais que são capazes de iniciar um processo de polimerização.
Alguns processos envolvendo a geração fotoquímica de radicais, dependem da presença de co-iniciadores.
No presente texto, com o termo co-iniciador queremos denotar uma molécula que, pela absorção da radiação UV, não gera ela própria radicais ativos, mas coopera com o fotoiniciador em originar espécies de radicais ativos ou atua ela própria como inibidor do oxigênio.
Como é conhecido, os fotoiniciadores, co-iniciadores e radicais devem seguir alguma pré-condição restritiva como a baixa toxicidade, a baixa extraibilidade, a baixa volatibilidade e o baixo odor, e devem ser altamente compatíveis com o sistema fotopolimerizável.
Estas propriedades são muito importantes em coberturas e tintas de impressão para acondicionamento de alimentos, que se acham sujeitas a restrições particulares concernentes à quantidade de substâncias que possam ser extraídas da própria embalagem.
A contaminação por estas substâncias não é permitida pelos atuais regulamentos legislativos e pode também modificar as características organolépticas do alimento.
A maioria dos co-iniciadores comumente usados são sistemas de alquil-aminas como, por exemplo, a metildietanolamina, o etil-4-dimetil- aminobenzoato e outros sistemas semelhantes. Estes compostos dão alguns problemas antes e após a polimerização, por causa de sua alta volatibilidade e de sua tendência a migrar, que persiste após a polimerização.
Observamos agora que os co-iniciadores de fórmula I
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em que
A é (CH2CH2NR1)nCH2CH25 e R1 pode ser alquila CrC12 linear ou ramificada, alcoxila ou hidroxietila;
R3 e R4 são independentemente de uma outra alquila C1-C4 linear ou ramificada; η é compreendido entre 1 e 10,
apresentam baixa extraibilidade, baixa volatibilidade, junto com uma boa reatividade e excelentes características em termos de índice branco e amarelo.
Nos sistemas fotopolimerizáveis contendo oligômeros e/ou monômeros reativos etilenicamente insaturados, pelo menos um co-iniciador de fórmula I e pelo menos um fotoiniciador são, portanto, um objeto fundamental desta invenção.
Fotoiniciadores que são adequados para a realização desta invenção são fotoiniciadores que reagem por clivagem homolítica ou mecanismo de transferência de hidrogênio e são benzofenonas, cetosulfonas, tioxantonas, 1,2-dicetonas, antraquinonas, fluorenonas e xantonas, derivados de acetofenona (como a-hidroxiacetofenonas, α-aminoacetofenonas, a- hidroxicicloalquil-fenil-cetonas, dialcoxiaceto-fenonas, éteres benjoínicos, cetais benzílicos, fenilglioxilatos, óxidos mono- e bis-acilfosfina.
Em particular, entre os fotoiniciadores úteis para esta invenção citamos:
dentro das benzofenonas: 2-metilbenzofenona, 3- metilbenzofenona, 4-metil benzofenona, 2,4,6-trimetilbenzofenona, misturas de metilbenzofenona com 2,4,6-trimetilbenzofenona, benzofenona linearílica,0-benzoilbenzoato de metila, 4-fenilbenzofenona, 4-(4-metilfeniltio)- benzofenona, 4,4'-dimetilamino-benzofenona, 4,4'-dietilamino-benzofenona;
dentro das tioxantonas: 2-isopropil-tioxantona, mistura de 2- e4-isopropil-tioxantona, 2,4-dietil-tioxantona, 2-cloro-tioxantona, l-cloro-4-η- propiloxi-tioxantona, tioxantona;
dentro das cetossulfonas: l-[4-(4-benzoil-fenilsulfanil)-fenil]-2-metil~2-(tolueno-4-sulfanil)-propan-1 -ona;
dentro das 1,2-dicetonas: benzila, 1,2-canforoquinona; dentro das antraquinonas: 2-etil-antraquinona; dentro das xantonas: xantona;
dentro das acetofenonas: oligo-[2-hidróxi-2-metil-l-[4-(l- metilvinil)fenil]-propanona], 2-hidróxi-2-metil-l-fenil-propanona, 2-hidróxi-1-[4-(2-hidróxi-etóxi)-fenil]-2-metil- propan-1 -ona, 2-dimetilamino-2-(4- metilbenzil)-1 -(4-morfolin-4-il-fenil)-butan-1 -ona, 2-benzil-2~dimetilamino -1 -(3,4-dimetóxi-fenil)-butan-1 -ona, 2-benzil-2-dimetilamino-1 -(4-morfolin-4- il-fenil)-butan-1 -ona, 2-metil-1 -(4-metilsulfanil-fenil)-2-morfolin-4-il-propan-1 -ona, 1 -[2,3-diidro- l-[4-(2-hidróxi2-metil-1 -oxo-propil)fenil]-1,3,3-trimetil-lH-inden-5-il]-2-hidróxi-2-metil-l-propanona, l-[2,3-diidro-3-[4-(2-hidróxi-2-metil-1 -oxopropil)fenil]-l, 1 ,3-trimetil- lH-inden-5-il]-2-hidróxi-2-metil-1 - propanona, 4,3'-bis(a-hidróxi-isobutiril)-difenilmetano, 4,4'-bis(a-hidróxi- isobutiril)-difenilmetano, 4,4'- bis(a-hidróxi-isobutiril)-difeniléter, cetal benzildimetílico;
dentro dos fenilglioxilatos: metilfenilglioxilato, éster etílico do ácido 2-(2- oxo-2-fenil-acetóxi-etoxietil)oxifenilacético, éster metílico do ácido [4-(4-metoxioxalil-fenóxi)-fenil]-oxo-acético; dentro dos óxidos monoacilfosfma e óxidos bisaciclofosfma: oxido (2,4,6- trimetilbenzoil)-difenil-fosfina, éster etílico de ácido fenil- (2,4,6- trimetilbenzoil)-fosfínico, oxido de bis(2,6-dimetoxibenzoil)-(2,4,4- trimetil-pent-1 -il)fosfma, óxido de bis(2,4,6-trimetilbenzoil)-fenil-fosfma, óxido de bis(2,4,6-trimetilbenzoil)-(2,4-dipentoxifenil)fosfina).
Os sistemas fotopolimerizáveis da presente invenção são, em particular, adequados para a preparação de coberturas para acondicionar alimentos.
Por causa de sua elevada reatividade, os co-iniciadores preferidos da invenção são co-iniciadores de fórmula I em que A seja CH2CH2N(CH3)CH2CH2 ou CH2CH2N(CH2CH2OH)CH2CH2 e R3 e R4 sejam metila ou etila.
Os co-iniciadores de fórmula I podem ser preparados por métodos que são bem conhecidos pela pessoa habilitada na técnica, em particular mediante reação catalisada em ácido do ácido 4-dimetilamino benzóico ou seu cloreto de acila correspondente na presença de uma base, tal como a piridina ou a trietilamina, com um diol como a metildietanolamina, ou com um glicol como a trietanolamina; ou de um sal de ácido 4- dimetilaminobenzóico pela reação com o brometo de alquila correspondente, tosilato ou mesilato; ou pela transesterificação do éster etílico de ácido 4- dimetilaminobenzóico sob catálise ácida ou básica com os dióis e glicóis listados acima (conforme o Journal of Macromolecular Science. Chemistry A12 (5), 661-669).
É um outro objeto da presente invenção um processo para preparar coberturas para superfícies de metal, madeira, papel e plástico, caracterizado pela aplicação à superfície de um sistema fotopolimerizável contendo monômeros e/ou oligômeros reativos etilenicamente insaturados, pelo menos um co-iniciador de fórmula I e pelo menos um fotoiniciador da família da benzofenona, cetossulfona, tioxantona, 1,2-dicetona, antraquinona, fluorenona, xantona, acetofenona, fenilglioxilato, óxido de monoacilfosfma ou óxido bisacilfosfma, em uma quantidade tal para se obter, após a polimerização, uma cobertura tendo uma espessura entre 0,5 e 100 mícrons; fotopolimerização com UV e/ou luz visível. O termo "fotopolimerização" é usado em seu sentido amplo e
inclui a polimerização ou reticulação de material polimérico, por exemplo pré-polímeros, a homopolimerização e copolimerização de monômeros e a
combinação destas reações.
Os monômeros que podem ser usados no sistema descrito acima incluem, por exemplo: acrilonitrila, acrilamida e seus derivados, éteres vinílicos, N-vinilpirrolidona, éteres alílicos mono e polifuncionais como, por exemplo, o éter dialílico de trimetilolpropano, estirenos e α-metil estireno, ésteres de ácido acrílico e metacrílico com álcoois alifáticos, com glicóis, com compostos poliidroxilados como, por exemplo, o pentaeritritol, o trimetilolpropano, ésteres de álcool vinílico com ácidos alifáticos ou acrílicos, derivados de ácido fumárico e maleico.
Oligômeros que são úteis para esta invenção incluem, por exemplo, poliacrilatos, poliuretanos, resinas epoxídicas, poliéteres com funcionalidades acrílicas, maleicas ou fumáricas. Os sistemas fotopolimerizáveis da presente invenção podem
conter outros fotoiniciadores como, por exemplo, o óxido de trisacilfosfma, a halogenometiltriazina, compostos de ferroceno ou de titanoceno, fotoiniciadores contendo borato ou o grupo O-aciloxímico.
Os fotoiniciadores representam de 0,01 a 20 % p/p, preferivelmente de 0,5 a 10 % p/p, mais preferível de 1 a 5 % p/p do sistema fotopolimerizável da presente invenção.
O sistema fotopolimerizável pode conter outros ingredientes, por exemplo estabilizadores térmicos, sensibilizadores, estabilizadores de foto-oxidação como as aminas estericamente impedidas, antioxidantes, inibidores de oxigênio, geradores térmicos de radicais, como os peróxidos orgânicos e inorgânicos, perésteres, hidroperóxidos, benzopinacóis, azoderivados tais como azodiisobutironitrila, compostos de metal como os sais de cobalto(II) e de magnésio, agentes antiespumantes, cargas, dispersantes, pigmentos, corantes e/ou agentes de produção de superfícies foscas ou semibrilhantes, outro aditivo de uso geral, sólidos dispersos, fibras de vidro e de carbono, agentes tixotrópicos.
Outros ingredientes que podem estar contidos no sistema polimerizável são os polímeros não fotopolimerizáveis, presentes como substâncias quimicamente inertes, como, por exemplo, a nitrocelulose, os ésteres poliacrílicos, a poliolefma, etc., ou polímeros que possam ser reticulados por outros sistemas, como o peróxido ou o oxigênio atmosférico ou por catálise de ácido ou por ativação térmica, como, por exemplo, poliisocianatos, uréia, melamina ou resinas epoxídicas.
Os co-iniciadores de fórmula I são normalmente usados no sistema fotopolimerizável em uma quantidade entre 0,01 e 20 % p/p, preferivelmente entre 0,5 e 10 % p/p, mais preferível entrei e 5 % p/p, com referência ao peso total do sistema.
Os fotoiniciadores de fórmula I são adequados tanto para sistemas fotopolimerizáveis transparentes quanto pigmentados, e são úteis, por exemplo, até para a preparação de tintas fotocuráveis.
Por causa das baixas extraibilidade e volatibilidade dos co- iniciadores, os sistemas fotopolimerizáveis desta invenção são particularmente úteis para tintas fotopolimerizáveis utilizáveis em embalagens de alimentos.
Alguns exemplos de fontes de luz que são úteis para a fotopolimerização dos sistemas fotopolimerizáveis da invenção são as lâmpadas de mercúrio ou superactínica ou excímeras,emitindo na região visível UV. Dentro das fontes de luz que podem ser usadas para a presente invenção, a luz solar e outras fontes artificiais que emitam radiação eletromagnética tendo um comprimento de onda entre 180 nm e a zona do Infra-Vermelho acham-se incluídas.
Alguns exemplos da preparação de co-iniciadores de fórmula I e dos sistemas fotopolimerizáveis da invenção são aqui relatados para ilustrar, e não para limitar, a invenção. EXEMPLO 1
PREPARAÇÃO DO CO-INICIADOR Id TENDO A FÓRMULA: <formula>formula see original document page 8</formula>
.3,75 ml (45,5 mmoles) de trietilamina foram adicionados em gotas, na temperatura ambiente, a uma solução de 2,94 g (16,0 mmoles) de 4- dimetilaminobenzoilcloreto e 0,92 g (7,7 mmoles) de N- metildietanolamina em diclorometano. Após agitar por 30' na temperatura ambiente, a solução foi lavada com água. A fase orgânica foi separada, secada em Na2SO4 e evaporada sob vácuo. O óleo obtido foi tratado com 40 ml de metanol e cristalizado.
A solução foi removida por filtração e o bolo de filtragem foi secado ao forno a 40 °C. 2,02 g de sólido branco foram obtidos (Co-iniciador Id)
Rendimento de 61 %
Ponto de fusão: 89 a 91°C
.1H-RMN-300 MHz, (CDCl3), δ ppm: 7,90, d, 4H; 6,62, d, 4H; 4,4, m, 4H; 3,02, s, 12H; 2,95, m, 4H; 2,48, s, 3H EXEMPLO 2
PREPARAÇÃO DO CO-INICIADOR Ie TENDO A FÓRMULA: <formula>formula see original document page 9</formula>
.3 g (16,3 mmoles) de 4-dimetilaminobenzoilcloreto foram adicionados, em porções, em 20 minutos, a uma solução de 1,21 g (8,1 mmoles) de trietilamina em 100 ml de diclorometano. A solução foi agitada durante a noite, lavada com água, secada em Na2SO4 e evaporada sob vácuo. O produto bruto foi purificado por cromatografia cintilante eluindo com uma mistura de diclorometano/MeOH a 98/2.
O produto foi isolado como um óleo. (Co-iniciador Ie) 1H-RMN - 300 MHz, (CDCl3), δ ppm: 7,88, d, 4H; 6.58, d,4H; 4.38, t, 4H;3,6, t, 2H; 3,04, m, 16H; 2,82, t, 2H TESTES DE APLICAÇÃO
As substâncias usadas para a preparação dos sistemas fotopolimerizáveis avaliadas nos seguintes testes de aplicação foram:
Ebecryl (R) 600 (acrilato de epóxi por UCB, Bélgica);
Ebecryl (R) 220 (poliuretano aromático por UCB, Bélgica);
Ebecryl (R) 350 (agente de deslizamento por UCB, Bélgica);
TMPTA (triacrilato de trimetilolpropano);
TPGDA (diacrilato de tripropilenoglicol;
OTA 480 (R) (oligômero de acrilato trifuncional derivado de
glicerol, daUCB, Bélgica).
Os Co-iniciadores Id e Ie sintetizados como descrito nos Exemplos 1 e 2 foram usados como co-iniciadores, e Esacure (R) 1001 (cetossulfona da Lamberti SpA) foi usado como fotoiniciador.
Uma matriz para os sistemas fotopolimerizáveis (Ml) foi preparada misturando-se (p/p):
Ebecryl (R) 600 40 % TMPTA 30 %
OTA 480 (R) 30%
Os sistemas fotopolimerizáveis a serem avaliados são então
preparados; sua composição é relatada na seguinte tabela (Tabela 1). TABELA 1
COMPOSIÇÃO (P/P) DOS SISTEMAS FOTOPOLIMERIZÁVEIS
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* comparativo
A avaliação dos sistemas fotopolimerizáveis é feita pela
determinação dos parâmetros de reatividade, índice amarelo e índice branco.
REATIVIDADE
O sistema fotopolimerizável foi depositado com uma espessura de 50 mícrons sobre um papelão envernizado usando-se um aparelho de revestir de barra montado sobre uma película de estiramento elétrica e, depois, irradiado em uma distância de 26 cm da fonte de luz. Um fotopolimerizador Fusion(R) foi usado, equipado com uma lâmpada de mercúrio de pressão média com uma potência de 120 W/cm.
A velocidade de fotopolimerização, medida em m/minuto, é a velocidade máxima possível que resulta em reticulação superficial perfeita do
sistema ("livre de pegajosidade").
A velocidade máxima (expressa em m/minuto) resultante em uma superfície resistente a qualquer dano visível após esfregadura com papel abrasivo, foi também medida (abrasão superficial). Quanto maior seja a velocidade máxima, maior a eficiência do
sistema.
Os resultados obtidos são relatados na Tabela 2: TABELA 2 REATIVIDADE
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* comparativo
A comparação do sistema fotopolimerizável X com os sistemas DeE, mostra a alta atividade dos produtos da invenção como co- iniciadores.
ÍNDICES BRANCO E AMARELO
O sistema fotopolimerizável foi depositado com a espessura de .50 mícrons sobre um papelão envernizado com o uso de um aparelho de revestir de barra montado sobre uma película de estiramento elétrica e, depois disso, passado a uma distância de 26 cm da fonte de luz em uma velocidade correspondente a 70 % da velocidade livre de pegajosidade. Um fotopolimerizador Fusion(R) foi usado, equipado com uma lâmpada de mercúrio de pressão média com uma potência de 120 W/cm.
Os índices branco e amarelo foram medidos de acordo com o método de teste padrão D1925-70 da ASTM. Um valor baixo do amarelo e um valor elevado do índice branco, correspondem a alta estabilidade da cor da formulação. Os resultados são relatados na Tabela 3. TABELA 3 ÍNDICES AMARELO E BRANCO
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EXTRAIBILIDADE
A avaliação da extraibilidade do Co-iniciador Id, em comparação com o co-iniciador de referência EDB (4-dimetilamino-benzoato de etila) é relatado.
Uma matriz (M2) para os sistemas fotopolimerizáveis foi preparada, misturando-se (p/p):
Ebecryl (R) 600 38,46%
Ebecryl (R) 350 1,10% Ebecryl (R) 220 9,89 % TPGDA 50,55 %
Dois sistemas fotopolimerizáveis foram preparados.
O sistema EDB da Tabela 4 é comparativo e é feito de 94 % p/p de matriz M2, 3 % p/p de benzofenona e 3 % p/p de Esacure EDB (EDB da Lamberti SpA).
O sistema D' da Tabela 4 é produzido de 94 % p/p de matriz M2,3 % p/p de benzofenona e 3 % p/p de Co-iniciador Id.
Os sistemas fotopolimerizáveis foram depositados com uma espessura de 6 mícrons sobre uma folha de alumínio [3x3 polegadas (7,62 χ 7,62 cm)] usando-se um aparelho de revestir de barra montado sobre uma película de estiramento elétrica e, depois disso, fotopolimerizados com uma velocidade de 5 m/minuto. Um fotopolimerizador Fusion(R) foi usado, equipado com uma lâmpada de mercúrio de pressão média com uma potência de 160 W/cm. As amostras fotopolimerizadas foram colocadas em jarros de vidro contendo, como líquidos de teste, 200 ml de etanol a 10 %, ou 200 ml de ácido acético a 3 % em água. Os jarros de vidro foram fechados e mantidos por 10 dias em 40 0C. Após 10 dias, os líquidos foram decantados e colocados em uma garrafa escura de vidro. Os líquidos foram então analisados por HPLC (coluna: C18, 150 χ 3,9 mm, 4 mícrons; eluenteCH3CN/H3P04 0,08 M, 60/40, fluxo de 1 ml/minuto para EDB e 90/10, fluxo de 1,5 ml/minuto para o Co- iniciador Id; detector em 310 nm) e a quantidade do Co-iniciador foi determinada. Os resultados são relatados na Tabela 4.
TABELA 4 EXTRAIBILIDADE
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Comparativo
** não detectável(< 20 ppb).
Pode ser observado que o co-iniciador da invenção foi muito menos extraído pelos 10 % de etanol e pelos 3 % de ácido acético do que o co-iniciador de referência, e sua extraibilidade cai dentro da faixa comumente aceita para a embalagem de alimentos. AVALIAÇÃO DO ODOR
O sistema fotopolimerizável D e um sistema análogo, diferindo do D apenas no fato de que o Co-iniciador D fora substituído por EDB (EDB'), foram depositados com uma espessura de 50 μηι sobre um papelão envernizado com o uso de um aparelho de revestir de barra montado sobre uma película de estiramento elétrica e, depois, passado em uma distância de 26 cm da fonte de luz, com uma velocidade correspondente a 70 % da velocidade livre de pegajosidade. Um fotopolimerizador FusionR foi usado, equipado com uma lâmpada de mercúrio de pressão média operando com cerca de 50 % de sua potência normal (cerca de 120 W/cm). As amostras foram fotopolimerizadas para se obter uma reticulação perfeita ("livre de pegajosidade").
As amostras de papelão assim obtidas foram colocadas em jarros de vidro fechados e armazenadas no forno por 60 minutos a 60 °C.
Cinco pessoas, uma independente da outra, avaliaram o odor das amostras, classificando cada sistema fotopolimerizado quanto à intensidade do odor, na seguinte escala:
Nenhum odor 0
Odor quase imperceptível 1
Odor muito leve 2
Odor leve 3
Odor intenso 4
Odor muito intenso 5
As avaliações do odor (média de cinco classificações) são relatadas na Tabela 5.
TABELA 5
<table>table see original document page 13</column></row><table> comparativo