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HINTERGRUND
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine härtbare Zusammensetzung, die
sich zur Beschichtung von Bandmatrizen und Glasoberflächen, insbesondere
zur Beschichtung von optischen Wellenleitern wie z.B. Lichtleitfasern
eignet, wobei die Beschichtungszusammensetzungen schneller härten, um
höhere
Fertigungsbandgeschwindigkeiten zu erreichen.
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Lichtleitfasern
aus gezogenem Glas werden als zuverlässiges Übertragungsmedium für Telekommunikationskabel
eingesetzt. Glasfasern kommen aufgrund ihrer Fähigkeit zum Transport großer Datenmengen über lange
Distanzen häufig
zum Einsatz.
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Zur
Vereinfachung dieser Langstreckenübertragungen werden Lichtleitfaser-Wellenleiter
mit Kunststoffzusammensetzungen aus verschiedenen Materialien beschichtet,
um die Faser zu schützen
und ihre Zugfestigkeit zu erhöhen.
Allgemein werden Glasfasern zu diesem Zweck häufig mit zwei übereinander
liegenden Überzügen beschichtet.
Der Überzug,
der mit dem Glas in Kontakt steht, ist ein relativ weicher primärer Überzug,
der zufriedenstellend an der Faser haften und weich genug sein muss,
um Mikroverbiegungen insbesondere bei niedrigen Gebrauchstemperaturen
zu widerstehen. Der äußere, freiliegende Überzug ist
ein wesentlich härterer
sekundärer Überzug mit
der gewünschten
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Handhabungskräften, der
jedoch so biegsam sein muss, dass die beschichtete Faser wiederholtem
Verbiegen standhalten kann, ohne dass der Überzug Risse bekommt.
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Überzugszusammensetzungen
für Lichtleitfasern – seien
es primäre
Innen- oder Einzelüberzüge – umfassen
im Allgemeinen vor dem Härten
ein ethylenisch ungesättigtes
Monomer oder Oligomer, das in einem flüssigen, ethylenisch ungesättigten
Medium gelöst
oder dispergiert ist, sowie einen Photoinitiator. Die Überzugszusammensetzung
wird typischerweise in flüssiger
Form auf die Glasfaser aufgetragen und anschließend zum Zwecke des Härtens aktinischer
Strahlung ausgesetzt.
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In
der Praxis sind die am häufigsten
verwendeten Überzüge von Acrylaten
abgeleitet. Die am häufigsten
verwendeten Acrylate sind diejenigen, die bei ultravioletter Bestrahlung
mit hoher Geschwindigkeit aushärten
können,
da die Überzüge normalerweise
unmittelbar nach dem Ziehen der Glasfaser aus dem geschmolzenen
Zustand aufgetragen werden. Typische Acrylate dieser Art sind Monomere
und Oligomere mit mono- oder difunktionellen (Meth)acrylatenden.
Die äußeren Überzüge bestehen
meistens aus Urethan/Acrylat- oder Epoxy/Acrylat-Copolymeren, die ebenfalls durch ultraviolette
Strahlung gehärtet
werden können
(siehe Shustack et al., US-Patent Nr. 6,048,911, Barraud et al.,
US-Patent Nr. 5,650,231).
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Die Überzüge werden
während
des Ziehens der Faser in-line aufgetragen. Da der Stand der Faserziehtechnologie
jedoch höhere
Ziehgeschwindigkeiten ermöglicht,
so dass längere
und dünnere
Lichtleitfasern entstehen, ist der Bedarf an Überzugszusammensetzungen, die
in Übereinstimmung
mit den schnelleren Ziehgeschwindigkeiten schneller aushärten können, dringender
geworden. Daher hat sich mit den erhöhten Ziehgeschwindigkeiten
der Bedarf an Materialien entwickelt, die schneller aushärten als
es derzeit mittels herkömmlicher
Technologie möglich
ist.
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Das
US-Patent Nr. 4,663,185 von Eckberg et al. beschreibt ein Verfahren
zur Herstellung UV-härtbarer Acrylatpolymere
durch Mischen difunktioneller Acrylatmonomere in einer Menge von
bis zu 50 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung, so dass ein harter,
glasartiger Überzug
zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit entsteht.
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Das
US-Patent Nr. 4,968,116 von Hulme-Lowe et al. beschreibt eine Beschichtungszusammensetzung
aus polyfunktionellen Acrylaten (difunktionell oder höhere Funktionalität) in einer
Menge von 2 bis 35% zur Vernetzung des Harzes, so dass ein harter Überzug entsteht.
Das US-Patent Nr. 5,566,027 offenbart ein durch Lichteinwirkung
härtbares
Harz aus mono- und polyfunktionellen (Meth)acrylaten. Das US-Patent
Nr. 5,881,194 offenbart ein durch Strahlung härtbares Matrixmaterial zur
bandförmigen
Anordnung von Lichtleitfasern.
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Das
US-Patent Nr. 5,188,864 von Lee et al. beschreibt Haftvermittler
für UV-härtbare Siloxanzusammensetzungen,
die bis zu 10 Gew.-% multifunktionelle Acrylate (difunktionell oder
höhere
Funktionalität)
enthalten können.
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Das
US-Patent Nr. 6,001,913 von Thames et al. beschreibt eine UV-härtbare Hochglanzüberzugsformulierung,
die difunktionelle Acrylate, aber keine flüchtigen organischen Komponenten
(VOC) enthält.
Solche Überzugszusammensetzungen
werden in einer Dicke von etwa 2 mm gegossen.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass durch
Zugabe multifunktioneller Acrylate mit niedrigem Molekulargewicht
zu einer Zusammensetzung aus einem durch Strahlung härtbaren Oligomer,
einem freien Radikal-Photoinitiator
und einem reaktiven Verdünnungsmittel
eine flüssige,
nicht vernetzte, UV-härtbare
Zusammensetzung mit reduzierter Härtzeit bereitgestellt werden
kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird eine flüssige,
durch Strahlung härtbare
Zusammensetzung bereitgestellt, wobei die Zusammensetzung (a) ein
durch Strahlung härtbares
Oligomer, (b) einen freien Radikal-Photoinitiator und (c) ein Gemisch
aus reaktiven Verdünnungsmitteln
aus (i) mindestens einem mono- oder difunktionellen reaktiven Verdünnungsmittel
und (ii) mindestens einem polyfunktionellen reaktiven Verdünnungsmittel
mit mindestens drei (Meth)acrylat-Funktionalitäten umfasst, wobei das Gewichtsverhältnis des
mono- oder difunktionellen Verdünnungsmittels
(i) zu dem polyfunktionellen reaktiven Verdünnungsmittel (ii) mindestens
3 zu 1 beträgt.
Die polyfunktionelle reaktive Verdünnungsmittelkomponente (ii)
erhöht
die Härtgeschwindigkeit
der Zusammensetzung. Es kann eine Fertigungsbandgeschwindigkeit
von mindestens 1000 m/min erzielt werden.
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Die
erfindungsgemäße härtbare Überzugszusammensetzung
kann 50 bis 95 Gew.-%, z.B. 60 bis 90 Gew.-%, beispielsweise 70
bis 85 Gew.-% des durch Strahlung härtbaren Oligomers (a) enthalten.
Die Menge des freien Radikal-Photoinitiators (b) sollte für die Auslösung der
Photopolymerisation ausreichen. Die erfindungsgemäße härtbare Überzugszusammensetzung
kann 5 bis 50 Gew.-%, z.B. 10 bis 40 Gew.-%, beispielsweise 15 bis
30 Gew.-% des gesamten reaktiven Verdünnungsmittels (c) (dazu gehören sowohl
das mono- oder difunktionelle reaktive Verdünnungsmittel (i) als auch das
polyfunktionelle reaktive Verdünnungsmittel
(ii) mit mindestens drei (Meth)acrylat-Funktionalitäten) einschließen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
erfindungsgemäßen Überzugszusammensetzungen
können
vorteilhafterweise für
primäre
und sekundäre Überzüge von Lichtleitfasern
genutzt werden.
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Der
Begriff "primärer Überzug", wie er hierin verwendet
wird, ist definitionsgemäß ein Überzug,
der mit dem Glasabschnitt der Lichtleitfaser direkt in Kontakt steht.
Der ungehärtete
primäre Überzug sollte
bei Raumtemperatur flüssig
sein. Die Viskosität
des ungehärteten
primären Überzugs
sollte für
die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung geeignet sein. Der ungehärtete primäre Überzug sollte
eine hohe Härtgeschwindigkeit
aufweisen. Der gehärtete
primäre Überzug sollte über eine
gute Haftung an Glas verfügen,
um eine vorzeitige Delaminierung des Überzugs von dem Glasabschnitt
der Lichtleitfaser zu verhindern, und einen geringen Modul bei niedrigen
Temperaturen aufweisen, um die Auswirkungen der Mikroverbiegungsschwächung aufgrund
kleiner Spannungen in der Lichtleitfaser selbst zu minimieren. Der
Brechungsindex des gehärteten
primären Überzugs
sollte hoch genug sein, um sicherzustellen, dass aus dem Glaskern
austretende erratische Signale in den Kern der Lichtleitfaser zurück geleitet
werden.
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Der
Begriff "sekundärer Überzug", wie er hierin verwendet
wird, ist definitionsgemäß ein Überzug,
der den primären Überzug auf
der Lichtleitfaser bedeckt. Der Modul des gehärteten sekundären Überzugs
sollte ausreichen, um der Lichtleitfaser Stoß- und Zugfestigkeit zu verleihen
und eine Schutzbarriere bereitzustellen. Der gehärtete sekundäre Überzug sollte
sich über
einen breiten Temperaturbereich physikalisch nur wenig verändern und
eine gute Wasserfestigkeit, Lösungsmittelabsorption
und Farbbeständigkeit
aufweisen.
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Die
Viskosität
der Zusammensetzung des ungehärteten,
flüssigen,
primären
oder sekundären Überzugs
sollte ausreichend gering sein, dass sich die Zusammensetzung leicht
auftragen lässt,
um einen zusammenhängenden
Schutzüberzug
auf den Glasfasern zu bilden. Beispiele für eine solche Viskosität liegen
in der Größenordnung
von etwa 103 cP bei 45 bis 50 °C, z.B. etwa
2 × 103 bis etwa 8 × 103 cP
bei Raumtemperatur. Die Viskosität
ist jedoch nicht speziell begrenzt und kann nach bekannten Verfahren
auf die jeweilige Auftragweise eingestellt werden. Die Viskosität kann z.B.
je nach Art des formulierten Lichtleitfasermaterials und des Auftragverfahrens
eingestellt werden.
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Allgemein
hängt die
Dicke des gehärteten
primären
oder sekundären Überzugs
von dem Verwendungszweck der Lichtleitfaser ab, auch wenn Dicken
von etwa 20 bis 35 Mikrometer und insbesondere Dicken von etwa 25
bis 30 Mikrometer geeignet sind.
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Bei
der Verwendung als primäre Überzüge können die
erfindungsgemäßen gehärteten Überzüge eine Glasübergangstemperatur
(Tg) von etwa –60 °C bis etwa 0°C, z.B. etwa –50 °C bis etwa –30 °C, beispielsweise etwa –40 °C, und einen
geringen Elastizitätsmodul
von etwa 0,5 bis etwa 3,0 MPa bei Raumtemperatur (20 °C) und einer
relativen Luftfeuchtigkeit von 50%, z.B. von etwa 1,0 bis etwa 2,5
MPa aufweisen.
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Bei
der Verwendung als sekundärer Überzug können die
erfindungsgemäßen gehärteten Überzüge eine
Glasübergangstemperatur
(Tg) von etwa 40 °C bis etwa 100 °C aufweisen.
Die gehärteten
sekundären Überzüge können eine
Tg von etwa 50 °C bis etwa 80 °C, z.B. etwa
75 °C, und
einen geringen Elastizitätsmodul von
etwa 5,0 bis etwa 60 MPa bei etwa 80 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit
von 50%, z.B. von etwa 20 bis etwa 40 MPa, beispielsweise etwa 30
MPa aufweisen.
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Die
Zugabe polyfunktioneller (Meth)acrylate eines niedrigen Molekulargewichts
mit mindestens drei (Meth)acrylat-Funktionalitäten zu einer flüssigen,
durch Strahlung härtbaren
Zusammensetzung beschleunigt die Härtgeschwindigkeit der Zusammensetzung.
Beispiele für
solche polyfunktionellen (Meth)acrylate sind solche mit Tri-, Tetra-
oder Penta-Funktionalität. Die Zugabe
solcher polyfunktionellen (Meth)acrylate erlaubt auch das Maßschneidern
der mechanischen Eigenschaften der härtbaren Überzugszusammensetzung. Mit
steigender Zugabe dieser (Meth)acrylate zu den flüssigen,
durch Strahlung härtbaren
Zusammensetzungen lassen sich z.B. Zähigkeit, Glasübergangstemperatur
Tg und Modul des Überzugs erhöhen. Die Zugabe kleinerer Mengen
solcher (Meth)acrylate beschleunigt zwar die Härtung, vermeidet aber einen
merkbaren Anstieg der Vernetzungsdichte der Zusammensetzung beim
Härten.
Auf diese Weise verleihen die kleinen Mengen der Acrylate mit Tri-,
Tetra-, Penta- oder höheren
Funktionalitäten
dem primären Überzug keine
unerwünschte
Härte.
Die Zugabe größerer Mengen
solcher (Meth)acrylate führt
zu einem unerwünschten
Anstieg von Modul, Härte
und Vernetzung, ungeeigneten Eigenschaften primärer Überzüge für Lichtleitfasern. Daher beträgt das Gewichtsverhältnis des
mono- oder difunktionellen reaktiven Verdünnungsmittels (i) zu dem polyfunktionellen reaktiven
Verdünnungsmittel
(ii) mindestens 3 zu 1.
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Vorzugsweise
sind die zur Beschleunigung der Härtgeschwindigkeit der Überzugszusammensetzung verwendeten
polyfunktionellen (Meth)acrylate trifunktionelle, tetrafunktionelle
oder pentafunktionelle Monomere. Ein Beispiel für ein trifunktionelles Monomer
ist SR 454, ein im Handel von Sartomer Co. erhältliches ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat.
Ein Beispiel für
ein tetrafunktionelles Monomer ist das im Handel erhältliche
SR 355, ein von Sartomer hergestelltes Ditrimethylolpropantetraacrylat.
Ein Beispiel für
ein pentafunktionelles Monomer ist SR 399, ein ebenfalls im Handel
von Sartomer erhältliches
Dipentaerythritolpentaacrylat.
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Die
Menge solcher für
die Überzugsformulierung
verwendeter polyfunktioneller (Meth)acrylate mit mindestens drei
(Meth)acrylat-Funktionalitäten
kann zwischen etwa 0,5 und 3 Gew.-%, z.B. zwischen etwa 0,5 und etwa
2,0 Gew.-% des Gesamtgewichts der Zusammensetzung liegen. Mehr als
3% führen
zu einem Hochglanz- oder harten, abriebfesten Überzug, der sich als primärer Überzug für Lichtleitfasern
nicht eignet.
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Die
härtbare Überzugszusammensetzung
enthält
ein durch Strahlung härtbares
Oligomer, z.B. ein Urethan/Acrylat-Oligomer. Das Oligomer kann nach im
Stand der Technik bekannten Verfahren synthetisiert oder im Handel
erworben werden.
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Geeignete,
im Handel erhältliche
Oligomere können
wie folgt bezogen werden: Aliphatische Urethan/Acrylat-Verbindungen
auf Polyesherbasis sind von UCB Chemical Corp. erhältlich.
Sie werden unter dem Namen Ebecryl vertrieben und schließen Ebecryl
230 ein. Ebecryl 230 ist ein difunktionelles, aliphatisches Urethan/Acrylat-Oligomer
mit einem Polyettergerüst.
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Aliphatische
Urethan/Acrylat-Oligomere auf Polyesterbasis sind von Sartomer erhältlich.
Sie werden unter dem Namen CN966xxx vertrieben und schließen CN966J75,
ein difunktionelles, aliphatisches Urethan/Acrylat-Oligomer mit
einem Polyestergerüst
ein. Diese Oligomere sind auch von Henkel Corp. erhältlich, die
Photomer-Produkte wie Photomer 6010 herstellt. Ein Polyesterpolyol,
das zur Herstellung eines Urethan/Acrylat-Oligomers auf Polyesterbasis
verwendet werden kann, ist Desmophen 2001SK, erhältlich von Bayer Corp. Dieses
Produkt ist ein Ethylenbutylenadipatdiol.
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Ein
Urethan/Acrylat-Oligomer kann durch Umsetzen eines Polyols, z.B.
eines Diols, mit einem multifunktionellen Isocyanat, z.B. einem
Diisocyanat, und anschließendes
Versehen der Enden mit einem hydroxy-funktionellen (Meth)acrylat
gebildet werden.
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Das
Polyol kann ein Polyol mit einem zahlengemittelten Molekulargewicht
von etwa 200 bis 10.000 wie z.B. Polyetterpolyol, Polyesterpolyol,
Polycarbonatpolyol und Kohlenwasserstoffpolyol sein.
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Polyetherpolyole
können
Homopolymere oder Copolymere von Alkylenoxiden wie z.B. C2-C5-Alkylenoxiden,
z.B. Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid, Tetrahydrofuran und
3-Methyltetrahydrofuran,
Homopolymere oder Copolymere der obigen Alkylenoxide, die unter
Verwendung von C14-C40-Polyolen
als Initiator gewonnen wurden, z.B. 12-Hydroxystearylalkohol und
hydriertes Dimerdiol, und Addukte der obigen Alkylenoxide mit Bisphenol-A
oder hydriertem Bisphenol A sein. Diese Polyetherpolyole können alleine
oder in Kombination aus zwei oder mehreren verwendet werden.
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Polyesterpolyole
können
z.B. Additionsreaktionsprodukte einer Diolkomponente und eines Lactons, Reaktionsprodukte
der Diolkomponente und einer mehrwertigen Carbonsäure und
Additionsreaktionsprodukte von drei Komponenten, z.B. der Diolkomponente,
einer zweibasigen Säure
und des Lactons sein. Die Diolkomponente kann ein aliphatisches
C2-C40-Diol mit
niedrigem Molekulargewicht, z.B. Ethylenglycol, Propylenglycol, Diethylenglycol,
Dipropylenglycol, 1,4-Butandiol,
1,5-Pentandiol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, 2,4-Diethyl-1,5-pentandiol, 1,6-Hexanglycol,
Neopentylglycol, 1,9-Nonandiol,
1,10-Decandiol, 12-Hydroxystearylalkohol und hydriertes Dimerdiol
sowie ein Alkylenoxidaddukt von Bisphenol-A sein. Das Lacton kann
z.B. ε-Caprolacton, δ-Valerolacton und β-Methyl-δ-valerolacton
sein. Die mehrwertige Carbonsäure
kann z.B. eine aliphatische Dicarbonsäure wie Bernsteinsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure und
Dodecan-1,10-dicarboxylsäure
sowie eine aromatische Dicarbonsäure
wie z.B. Hexahydrophthalsäure,
Tetrahydrophthalsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure und
Terephthalsäure
sein.
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Polycarbonatpolyole
können
z.B. Polycarbonatdiole sein, die durch Umsetzen eines kurzkettigen
Dialkylcarbonats mit einer aus den zuvor genannten Polyetherpolyol-,
Polyesterpolyol- und Diolkomponenten ausgewählten Komponente gewonnen werden
können,
z.B. 2-Methylpropandiol, Dipropylenglycol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, 3-Methyl-1,5-pentandiol,
Neopentylglycol, 1,5-Octandiol und 1,4-Bis-(hydroxymethyl)cyclohexan. Das kurzkettige
Dialkylcarbonat kann ein C1-C4-Alkylcarbonat
wie z.B. Dimethylcarbonat und Diethylcarbonat sein.
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Es
können
auch Polyole mit niedrigem Molekulargewicht verwendet werden. Beispiele
für Polyole
mit niedrigem Molekulargewicht sind Ethylenglycol, Propylenglycol,
Tripropylenglycol, 1,3- oder 1,4-Butandiol, Neopentylglycol, 1,6-Hexandiol,
1,9-Nonandiol, 1,10-Decandiol, höhere
Fettsäurepolyole
und höhere
Kohlenwasserstoffpolyole wie Rizinusöl, Kokosnussöl, Monomyristine
(1-Monomyristin und 2-Monomyristin),
Monopalmitine (1-Monopalmitin und 2-Monopalmitin), Monostearine (1-Monostearin
und 2-Monostearin), Monooleine (1-Monoolein und 2-Monoolein), 9,10-Dioxystearinsäure, 12-Hydroxyricinusölalkohol,
12-Hydroxystearylalkohol,
1,16-Hexadecandiol (Juniperinsäure
oder ein Reduktionsprodukt der Thapsiasäure), 1,21-Henicosandiol (ein
Reduktionsprodukt der Japansäure),
Chimylalkohol, Batylalkohol, Selachylalkohol und Dimersäurediol.
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Ein
erfindungsgemäß verwendetes
multifunktionelles Isocyanat kann z.B. ein aromatisches Polyisocyanat,
ein aromatisches aliphatisches Polyisocyanat, ein alicyclisches
Polyisocyanat oder ein aliphatisches Polyisocyanat sein.
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Beispiele
für die
aromatischen Polyisocyanate sind Diisocyanate wie m-Phenylendiisocyanat,
p-Phenylendiisocyanat, 4,4'-Diphenyldiisocyanat,
1,5-Naphthalindiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat,
2,4- oder 2,6-Tolylendiisocyanat, 4,4'-Toluidindiisocyanat und 4,4'-Diphenyletherdiisocyanat
sowie Polyisocyanate wie Triphenylmethan-4,4',4''-triisocyanat, 1,3,5-Triisocyanatbenzol,
2,4,6-Triisocyanattoluol und 4,4'-Diphenylmethan-2,2',5,5'-tetraisocyanat.
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Beispiele
für die
aromatischen, aliphatischen Polyisocyanate sind Diisocyanate wie
1,3- oder 1,4-Xylylendiisocyanat oder Mischungen davon und 1,3-
oder 1,4-Bis-(1-isocyanat-1-methylethyl)benzol
oder Mischungen davon sowie Polyisocyanate wie 1,3,5-Triisocyanatmethylbenzol.
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Beispiele
für die
alicyclischen Polyisocyanate sind Diisocyanate wie 1,3-Cyclopentendiisocyanat, 1,4- Cyclohexandiisocyanat,
1,3-Cyclohexandiisocyanat, 3-Isocyanatmethyl-3,5,5-trimethylcyclohekylisocyanat
(Isophorondiisocyanat oder IPDI), 4,4'-Methylenbis(cyclohexylisocyanat)
(H12MDI oder Desmodur W, erhältlich von
Bayer), Methyl-2,4-cyclohexandiisocyanat, Methyl-2,6-cyclohexandiisocyanat
und 1,3- oder 1,4-Bis-(isocyanatmethyl)cyclohexan
sowie Polyisocyanate wie 1,3,5-Triisocyanatcyclohexan,
1,3,5-Trimethylisocyanatcyclohexan, 2-(3-Isocyanatpropyl)-2,5-di(isocyanatmethyl)bicyclo(2.2.1)heptan,
2-(3-Isocyanatpropyl)-2,6-di(isocyanatmethyl)bicyclo(2.2.1)heptan,
3-(3-Isocyanatpropyl)-2,5-di(isocyanatmethyl)bicyclo(2.2.1)heptan,
5-(2-Isocyanatethyl)-2-isocyanatmethyl-3-(3-isocyanatpropyl)bicyclo(2.2.1)heptan,
6-(2-Isocyanatethyl)-2-isocyanatmethyl-3-(3-isocyanatpropyl)bicyclo(2.2.1)heptan,
5-(2-Isocyanatethyl)-2-isocyanatmethyl-2-(3-isocyanatpropyl)bicyclo(2.2.1)heptan
und 6-(2-Isocyanatethyl)-2-isocyanatmethyl)-2-(3-isocyanatpropyl)bicyclo(2.2.1)heptan.
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Beispiele
für die
aliphatischen Polyisocyanate sind Diisocyanate wie Trimethylendiisocyanat,
Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, Pentamethylendiisocyanat,
1,2-Propylendiisocyanat, 1,2-Butylendiisocyanat,
2,3-Butylendiisocyanat, 1,3-Butylendiisocyanat,
2,4,4- oder 2,2,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat
und 2,6-Diisocyanatmethylcaproat
sowie Polyisocyanate wie Lysinestertriisocyanat, 1,4,8-Triisocyanatoctan,
1,6,11-Triisocyanatundecan,
1,8-Diisocyanat-4-isocyanatmethyloctan, 1,3,6-Triisocyanathexan
und 2,5,7-Trimethyl-1,8-isocyanat-5-isocyanatmethyloctan.
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Darüber hinaus
können
Derivate der obigen Polyisocyanate verwendet werden. Beispiele für die Derivate
sind Dimere, Trimere, Biuret, Allophanat, Carbodiimid, Polymethylenpolyphenylpolyisocyanat
(als rohes MDI oder polymeres MDI bezeichnet), rohes TDI und ein
Addukt einer Isocyanatverbindung und eines Polyols mit niedrigem
Molekulargewicht.
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"(Meth)acrylat" bedeutet Acrylat,
Methacrylat oder eine Mischung daraus.
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Beispiele
für die
hydroxy-funktionellen (Meth)acrylate sind 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat, 2-Hydroxypropyl(meth)acrylat,
2-Hydroxybutyl(meth)acrylat,
4-Hydroxybutyl(meth)acrylat, Pentandiolmono(meth)acrylat, 2-Hydroxy-3-phenoxypropyl(meth)acrylat,
2-Hydroxyalkyl(meth)acryloylphosphat, 4-Hydroxycyclohexyl(meth)acrylat,
Cyclohexandimethanolmono(meth)acrylat, Neopentylglycolmono(meth)acrylat,
Trimethylolpropandi(meth)acrylat und Pentaerythritoltri(meth)acrylat.
Weitere Beispiele sind Verbindungen, die durch eine Additionsreaktion
einer glycidylgruppenhaltigen Verbindung und einer (Meth)acrylsäure gewonnen werden
können,
z.B. Alkylglycidylether und Glycidyl(meth)acrylat. Die obigen hydroxylgruppenhaltigen (Meth)acrylate
können
alleine oder in Kombination aus zwei oder mehreren verwendet werden.
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Der
Molekulargewichtsbereich (MW) des durch Strahlung härtbaren
Oligomers kann basierend auf den speziell erforderlichen Eigenschaften
des erfindungsgemäßen primären oder
sekundären Überzugs
zwischen 5000 und 25.000 variieren.
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In
der Überzugszusammensetzung
können
alle geeigneten freien Radikal-Photoinitiatoren eingesetzt werden.
Ein geeigneter freier Radikal-Photoinitiator ist z.B. ein Acylphosphinoxid-Photoinitiator, insbesondere ein
Benzoyldiarylphosphinoxid-Photoinitiator.
Ein Beispiel für
einen geeigneten Benzoyldiarylphosphinoxid-Photoinitiator ist 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphinoxid
(Lucerin TPO, erhältlich
von BASF). Weitere Beispiele für
Photoinitiatoren vom freien Radikaltyp sind Hydroxycyclohexylphenylketon,
Hydroxymethyl phenylpropanon, Dimethoxyphenylacetophenon, 2-Methyl-1,1-[4-(methylthio)phenyl]-2-morpholinopropanon-1, 1-(4-Isopropylphenyl)-2-hydroxy-2-methylpropan-1-on,
1-(4-Dodecylphenyl)-2-hydroxy-2-methylpropan-1-on, 4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl-2-(2-hydroxy-2-propyl)keton,
Diethoxyphenylacetophenon, 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphon,
ein Gemisch aus (2,6-Dimethoxybenzoyl)-2,4,4-trimethylpentylphosphinoxid
und 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-on
und Mischungen davon. Viele dieser Verbindungen werden unter den Namen
Irgacure® und
Darocur® vertrieben
und sind von Ciba Additives erhältlich.
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Der
freie Radikal-Photoinitiator kann ein Gemisch aus Phosphinoxid-Photoinitiatoren
sein; ein Beispiel dafür
ist Darocur 4265, erhältlich
von Ciba Additives. Dieser spezielle Photoinitiator ist ein Gemisch
aus 50 Gew.-% Diphenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinoxid
und 50 Gew.-% 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-on.
Ein weiterer ist Irgacure 1700 (ebenfalls von Ciba Additives), ein
Gemisch aus Bis(2,6-dimethoxybenzoyl)-2,4,4-trimethylpentylphosphinoxid
und 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-on.
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Der
Photoinitiator vom freien Radikaltyp kann basierend auf dem Gesamtgewicht
der Zusammensetzung in einer Menge von 10 Gew.-% oder weniger, z.B.
etwa 0,25 bis etwa 6 Gew.-%, beispielsweise etwa 4 Gew.-% verwendet
werden.
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Die
erfindungsgemäße Überzugszusammensetzung
enthält
eine erfindungsgemäße Mischung
reaktiver Verdünnungsmittel.
Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird die Theorie aufgestellt,
dass die reaktiven Verdünnungsmittel
während
der Polymerisation des Urethan/Acrylat-Oligomers Ketten des Urethan/Acrylat-Oligomers
miteinander verhaken. Das adäquate
Härten
der erfindungsgemäßen Überzugszusammensetzungen
wird durch die Gegenwart der reaktiven Verdünnungsmittel begünstigt.
Die reaktiven Verdünnungsmittel,
insbesondere ihre mono- oder difunktionelle Komponente (i), fungieren
außerdem
als Lösungsmittel
für das
Urethan/Acrylat-Oligomer. Die Verwendung der reaktiven Verdünnungsmittel
erlaubt die Einstellung der Lösungsviskosität zur Verbesserung
der Bearbeitbarkeit. Mit anderen Worten verhindern die reaktiven
Verdünnungsmittel,
dass die Oligomerzusammensetzung zu viskos oder unbiegsam für die Verwendung
als geeigneter primärer
oder sekundärer Überzug für Lichtleitfasern
wird.
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Die
mono- oder difunktionellen reaktiven Verdünnungsmittel können z.B.
eine flüssige (meth)acrylat-funktionelle
Verbindung mit niedrigem Molekulargewicht, z.B. folgende Di(meth)acrylate
und monofunktionellen (Meth)acrylate sein: Tridecylacrylat, 1,6-Hexandioldiacrylat,
1,4-Butandioldiacrylat,
Ethylenglycoldiacrylat, Diethylenglycoldiacrylat, Tetraethylenglycoldiacrylat,
Tripropylenglycoldiacrylat, Neopentylglycoldiacrylat, 1,4-Butandioldimethacrylat,
Poly(butandiol)diacrylat, Tetraethylenglycoldimethacrylat, 1,3-Butylenglycoldiacrylat,
Tetraethylenglycoldiacrylat, Triisopropylenglycoldiacrylat, Triisopropylenglycoldiacrylat
und ethoxyliertes Bisphenol-A-diacrylat.
Ein weiteres Beispiel für
ein reaktives Verdünnungsmittel
ist N-Vinylcaprolactam (International Specialty Products). Weitere
Beispiele sind die im Handel erhältlichen
Produkte von Sartomer, SR 489 (ein Tridecylacrylat) und SR 506 (ein
Isobornylacrylat).
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Die
erfindungsgemäßen, durch
Strahlung härtbaren Überzugszusammensetzungen
können
frei von nicht-reaktiven Verdünnungsmitteln
wie Wasser oder organischen Lösungsmitteln,
die nicht ethylenisch ungesättigt
sind, sein.
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Das
Gewichtsverhältnis
des ersten mono- oder difunktionellen reaktiven Verdünnungsmittels
(i) zu dem zweiten polyfunktionellen reaktiven Verdünnungsmittel
(ii) mit mindestens drei Funktionalitäten beträgt mindestens 3 zu 1, z.B.
mindestens 10 zu 1, beispielsweise mindestens 20 zu 1.
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Die
Zusammensetzung des primären Überzugs
kann einen Haftvermittler einschließen. Beispiele für Haftvermittler
sind säure-funktionelle
Materialien und organo-funktionelle Silane. Das organo-funktionelle
Silan kann z.B. ein amino-funktionelles
Silan, ein acrylamido-funktionelles Silan, ein mercapto-funktionelles
Silan, ein allyl-funktionelles Silan, ein vinyl-funktionelles Silan,
ein methylacrylat-funktionelles Silan und eine acrylat-funktionelles
Silan sein. Das organofunktionelle Silan kann Mercaptoalkyltrialkoxysilan,
Methacryloxyalkyltrialkoxysilan, Aminoalkyltrialkoxysilan, Vinyltrialkoxysilan,
3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan, γ-Mercaptopropyl-(γ-mercaptopropyl)triethoxysilan, β-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan,
3-Vinylthiopropyltrimethoxysilan, Vinyl-tris-(β-methoxyethoxy)silan, Vinyltriacetoxysilan
und ein Mischung davon sein. Ein spezieller Trialkoxysilan-Haftvermittler ist
UCT 7840KG von United Chemical Technologies. Ein weiterer Haftvermittler
ist KBM 803, ein 3-(Trimethoxysilyl)propylthiol
von Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
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Sofern
verwendet, kann der Haftvermittler in der Zusammensetzung des primären Überzugs
basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung in einer Menge
von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, z.B. etwa 0,1 bis etwa 3 Gew.-%,
beispielsweise etwa 1 Gew.-% vorliegen.
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Weitere
Komponenten, die in der Überzugszusammensetzung
eingesetzt werden können,
sind z.B. Antioxidantien wie Ionol (erhältlich von Aldrich), ein 2,4,6-Tri-tert-butyl-4-methylphenol, Verlaufmittel
wie BYK331 (erhältlich
von BYK-Chemie USA),
ein Polysiloxan, Sensibilisatoren wie Thioxanthon oder Isopropylthioxanthon
(ITX) und deren Derivate, Stabilisatoren und Benetzungsmittel. Geeignete
Mengen sind dem Fachmann bekannt.
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Die
zuvor beschriebenen Überzugskomponenten
können
mittels aller bekannten Vorrichtungen miteinander gemischt werden;
eine Lichtleitfaser kann nach jeder bekannten Technik zur Herstellung
von Lichtleitfasern mit der Überzugszusammensetzung
beschichtet werden.
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Zu
diesen Techniken gehört
ein Ziehturm, in dem eine vorgeformte Glasstange erwärmt wird,
so dass eine dünne
Glasfaser entsteht. Die Faser wird vertikal durch den Ziehturm gezogen
und durchläuft
dabei eine oder mehrere Beschichtungsstationen, in denen verschiedene Überzüge auf die
gerade gezogene Faser in-line aufgetragen und gehärtet werden.
Die Beschichtungsstationen können
jeweils ein Gesenk mit einer Austrittsöffnung enthalten, deren Größe dergestalt
ist, dass der jeweilige Überzug
in der gewünschten
Dicke auf die Faser aufgetragen wird. Neben den einzelnen Stationen
können
sich Überwachungs-
und Messgeräte befinden,
um sicherzustellen, dass das Auftragen des Überzugs in der Station konzentrisch
und mit dem gewünschten
Durchmesser erfolgt. Beispiele für
Techniken zum Beschichten von Lichtleitfasern sind die in den US-Patenten
Nr. 4,351,657, 4,512,281, 4,531,959, 4,539,219, 4,792,347 und 4,867,775
offenbarten Verfahren.
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Nach
dem Beschichten der Faser mit der härtbaren Überzugszusammensetzung kann
die Überzugszusammensetzung
durch Einwirken einer für
die Härtung
ausreichenden Menge UV-Strahlung
gehärtet
werden. Die beschichtete Faser kann z.B. UV-Strahlung von etwa 5
bis 1000 mJ/cm2 ausgesetzt werden.
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Beispiele
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Für einige
der nachfolgend dargestellten experimentellen Daten wurde wie folgt
eine Oligomerformulierung hergestellt.
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Prüfbeispiele 1 und 2
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Desmophen
2001KS (Bayer Corp.) wurde mit stöchiometrischen Mengen Isophorondiisocyanat
(IPDI) (Creanova) und 2-Hydroxyethylacrylat
(2-HEA) (Aldrich) umgesetzt, um ein Oligomer mit einem Molekulargewicht
von etwa 10.000 zu synthetisieren. Die Formulierungen der experimentellen
Prüfproben
sind in Tabelle 1 zusammengefasst, wobei Prüfbeispiel 1 1,5 Gew.-% SR 355
und Prüfbeispiel
2 1,5 Gew.-% SR 399 enthält.
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Vergleichsbeispiel 1
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Zur
Herstellung eines Vergleichsbeispiels (Harz) wurde dieselbe Oligomerformulierung
verwendet, jedoch ohne SR 355 oder SR 399. Diese Formulierung ist
in Tabelle 1 zusammengefasst, wobei alle Komponenten in Gewichtsprozent
(Gew.-%) angegeben sind.
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Experiment 1
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Härtkinetik einer primären Überzugszusammensetzung
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Die
Formulierungen der Prüfbeispiele
1 und 2 sowie des Vergleichsbeispiels 1 wurden gleichmäßig und
flach in einer Dicke von 25 Mikrometern bis 1 Millimeter ausgestrichen.
Sämtliche
dünnen
Filme wurden auf den Diamantkristall eines Spektrometers gelegt,
mittels einer punktförmigen
UV-Lichtquelle (Lightnincure 200,
hergestellt von Hamamatsu) geringer Intensität (75–1000 μW/cm2)
gehärtet
sowie vor und während
des Härtens
mit Stickstoff bei Raumtemperatur gespült. Das verwendete Spektrometer
war ein Magna 550 FT IR-Spektrometer
(hergestellt von Nicolet) im ATR-Modus, mit dem die Vollständigkeit
der Härtung
anhand des Verschwindens der Acrylatgruppen aus dem Film gemessen
wurde. Zur Überwachung
und Analyse der Härtkinetik,
die dem Gesetz der ersten Ordnung folgt, wurde die SERIES-Software
eingesetzt. Die Experimente wurden bei derselben Umgebungstemperatur
(24 °C)
und derselben Lichtintensität
von 100 μW/cm2 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in
der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt.
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Die
Photopolymerisation des primären Überzugs
ohne Zugabe eines Acrylates mit Tri- oder höherer Funktionalität besitzt
eine Geschwindigkeitskonstante k von 0,37 s–1.
Im Gegensatz dazu scheint die Zugabe von 1,5 Gew.-% SR 355 zu einer
Polymerisation mit höherer
Geschwindigkeitskonstante (k = 0,48 s–1)
zu führen;
die Zugabe von 1,5 Gew.-% SR 399 scheint eine Polymerisation mit
einer Geschwindigkeitskonstante k von 0,54 s–1 auszulösen.
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Experiment 2
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Photokalorimetrie mit
Differentialabtastung (PhotoDSC) bei primären Überzugsformulierungen (PhotoDSC-Experimente)
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Die
im Zusammenhang mit der Härtung
des polymerisierbaren Monomers bei Belichtung stehende exotherme
Reaktionswärme
wurde mittels PhotoDSC in J/Gramm (J/g) gemessen. Bei den in den
Prüfbeispielen
1 und 2 sowie dem Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen Oligomerformulierungen
erfolgten PhotoDSC-Experimente.
Alle Beispiele wurden vor der Bestrahlung der Proben 5 Minuten lang
mit Stickstoff gespült.
Die Prüfproben
wurden 0,05 Minuten lang mittels eines Perkin-Elmer DSC7 mit einer
Quecksilber-Xenon-Lampe (100 W) bei 50 °C bestrahlt. Die Ergebnisse
sind in der obigen Tabelle 2 dargestellt.
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Die
Ergebnisse deuten auf eine größere Umwandlung
der Acrylatgruppen bei kurzer Bestrahlung des Überzugs in Gegenwart eines
tetra- oder pentafunktionellen Acrylates.
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Prüfbeispiel 3
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Ein
im Handel erhältlicher
primärer Überzug OD1-65
(DSM Co.) wurde bezogen. Dieses Harz enthält keinen Photoinitiator, so
dass 6 Gew.-% Darocur 4265 (Ciba Additives) zugesetzt wurden. Das
tetrafunktionelle Acrylat SR 355 wurde in einer Menge von 1,5 Gew.-%
zugesetzt.
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Prüfbeispiel 4
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Es
wurde dieselbe primäre Überzugsformulierung
wie in Prüfbeispiel
3 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das pentafunktionelle Acrylat
SR 399 in einer Menge von 1,5 Gew.-% zugesetzt wurde.
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Vergleichsbeispiel 2
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Es
wurde derselbe primäre Überzug und
dasselbe Photoinitiator-Gemisch
wie in Prüfbeispiel
1 verwendet, mit der Ausnahme, dass kein SR 355 oder SR 399 zugesetzt
wurde.
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Experiment 3
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Mechanische Eigenschaften
der gehärteten
primären Überzüge
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Die Überzüge der Prüfbeispiele
3 und 4 sowie des Vergleichsbeispiels 2 wurden durch Gießen eines Films
einer Dicke von 0,1 bis 0,2 Millimetern auf einen Mylar-Film hergestellt.
Der gegossene Film wurde mit einem Iwasaki UV-Prozessor unter einer Stickstoffdecke
gehärtet.
Die Belichtung mit UV-Licht erfolgte mit 0,1 J/cm2.
Die gehärteten
Proben wurden in 30 Millimeter lange, 6,25 Millimeter breite und
0,15 Millimeter dicke Stücke
geschnitten und vor den Messungen bei Raumtemperatur und einer relativen
Luftfeuchtigkeit von 50% 24 Stunden lang konditioniert. Zugmodul
und Reißdehnung
der Prüf- und Vergleichsbeispiele
wurden mit einem Instron Model 5564 gemäß ASTM D638M geprüft. Die
Prüfproben
wurden an dem oberen Griff eines Prüfinstruments vom Kreuzkopfbewegungstyp
mit einer Messdose befestigt. Der Kreuzkopf wurde auf die anfängliche
Messlänge
abgesenkt und das Probenmuster an dem festen Griff befestigt. Die
Kreuzkopfgeschwindigkeit des Instron wurde auf 25 mm/min eingestellt.
Anschließend
wurde die Probe mit konstanter Verformungsgeschwindigkeit gedehnt
und die entstandene Spannungs-Dehnungs-Kurve aufgezeichnet. Die
Ergebnisse wurden mit der Instron MerlinTM-Software
gemessen und analysiert. Die Reißdehnung ist in Prozent, der
Zugmodul in MPa ausgedrückt.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt und deuten darauf, dass
die Zugabe der tetra- und pentafunktionellen Acrylate in geringer
Menge (1,5%) zu einem primären Überzug die
mechanischen Eigenschaften gehärteter
Filme innerhalb des experimentellen Bestimmungsfehlers nicht beeinträchtigt.
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Prüfbeispiel 5
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Wie
in Prüfbeispiel
3 wurde ein im Handel erhältlicher
primärer Überzug OD1-65
(DSM Co.) bezogen. Dieses Harz enthält keinen Photoinitiator, so
dass 1 Gew.-% Darocur 1173 (2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-on
von Ciba Additives) zugesetzt wurden. Das tetrafunktionelle Acrylat
SR 355 wurde in einer Menge von 2 Gew.-% zugesetzt.
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Prüfbeispiel 6
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Es
wurde dieselbe primäre Überzugsformulierung
wie in Prüfbeispiel
5 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das pentafunktionelle Acrylat
SR 399 in einer Menge von 2 Gew.-% zugesetzt wurde.
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Vergleichsbeispiel 3
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Es
wurde derselbe primäre Überzug und
dasselbe Photoinitiator-Gemisch
wie in Prüfbeispiel
5 verwendet, mit der Ausnahme, dass kein SR 355 oder SR 399 zugesetzt
wurde.
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Experiment 4
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Lichtempfindlichkeit der
primären Überzugsformulierungen
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Die Überzüge der Prüfbeispiele
5 und 6 sowie des Vergleichsbeispiels 3 wurden durch Gießen eines gleichmäßigen Films
einer Dicke von etwa 0,1 Millimetern auf den Diamantkristall eines
Spektrometers hergestellt. Die gegossenen Filme wurden wie in Experiment
1 beschrieben mit einem Iwasaki UV-Prozessor unter einer Stickstoffdecke
punktgehärtet.
Es wurden drei verschiedene UV-Belichtungen getestet: 60 mJ/cm2, 120 mJ/cm2 und
1000 mJ/cm2. Zur Messung der Vollständigkeit
der Härtung
anhand des Verschwindens der Acrylatgruppen aus dem Film wurde ein
Magna 550 FT IR-Spektrometer
im ATR-Modus eingesetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
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Die
Ergebnisse belegen, dass weniger UV-Lichtenergie (mJ/cm2)
notwendig ist, um in Gegenwart geringer Mengen an (Meth)acrylaten
mit Tetra- und Penta-Funktionalitäten denselben Härtungsgrad
der primären Überzugsformulierungen
zu erhalten. Daher bewirkt eine kleine Menge multifunktioneller
(Meth)acrylate mit niedrigem Molekulargewicht, dass die primären Überzugsformulierungen
lichtempfindlicher werden.
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