Unique photoinitiator combinations for UV curing composites

UV- und UV-LED-Härtung haben sich als praktikable Alternative zu herkömmlichen, peroxidbasierten Kalt- und Warmhärtungsverfahren in der Verbundwerkstoffherstellung erwiesen. Sie bieten erhebliche Vorteile bei Prozesszeit, Emissionen und Energieverbrauch. In den letzten 12 Monaten hat IGM die Härtungsmechanismen sowie die Auswirkungen verschiedener Photoinitiator-Kombinationen auf die mechanische Leistung und industrielle Anwendbarkeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass optimierte Photoinitiatorsysteme mit UV- und UV-LED-Härtung gleichwertige Materialeigenschaften in einem Bruchteil der Zykluszeit liefern können – und damit nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich eine attraktive Alternative für viele Herstellungsverfahren darstellen.

Einführung

Die ultraviolette (UV-)Härtung entwickelt sich schnell zu einer effektiven Alternative zu herkömmlichen Kalt- und Warmhärtungsverfahren bei der Herstellung faserverstärkter Polymerverbundstoffe. Durch den Ersatz der Peroxidhärtung durch UV-initiierte Photopolymerisation können Hersteller die Prozesszeit erheblich verkürzen, den genauen Zeitpunkt der Härtung steuern und – wo Warmhärtung eingesetzt wird – Energieverbrauch und Emissionen reduzieren, ohne die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte zu beeinträchtigen.

Vorteile der UV-Härtung bei Verbundanwendungen

Die UV-Härtung löst eine Polymerisationsreaktion in einem Harzsystem durch UV-Strahlung aus. Dieses Verfahren kann in mehrere Herstellungstechniken für Verbundwerkstoffe integriert werden, darunter:

• Nasslaminieren
• Vakuuminfusion mit UV-durchlässigen Membranen
• Filamentwickeln
• Prepreg-Verarbeitung
• Strangziehen (Pultrusion)
• Handlaminieren und offene Formverfahren
• Cured-in-Place Pipe (CIPP)

Eine wesentliche Voraussetzung ist, dass die UV-Strahlung das Harz erreicht – entweder direkt oder durch eine transparente Barriere. Gängige UV-Quellen sind Quecksilberdampflampen und LED-Arrays. Aufgrund ihrer längeren Wellenlängen eignen sich LED-Lampen besonders gut zur Härtung dicker, verstärkter Verbundschichten.

Ziel und Methodik

UV-härtbare Systeme basieren auf Photoinitiatoren, die UV-Licht absorbieren und reaktive Spezies erzeugen, um die Polymerisation einzuleiten. Die beiden Hauptmechanismen der Härtung sind:

• Radikalische Polymerisation (z. B. Vinylester-/Acrylatsysteme, ungesättigte Polyester + Styrol Systeme)
• Kationische Polymerisation (z. B. Epoxidharze)

Die typischen Herausforderungen bei der UV-Härtung von Verbundwerkstoffen mittels radikalischer Polymerisation sind:

1. Durchhärtung in dicken verstärkten Laminaten
2. Mechanische Eigenschaften, die identisch mit peroxidgehärteten Verbundstoffen sind
3. Sauerstoffinhibition an der Oberfläche
4. Lichtverteilung in dreidimensionalen Formen

Das Ziel der IGM-Studie war es, das Know-how aus den Bereichen Druck & Verpackung sowie Industrielacke zu nutzen, um die Auswirkungen unterschiedlicher Photoinitiatorkombinationen auf die Durchhärtung, die mechanische Leistung und die Sauerstoffinhibition bei radikalisch gehärteten Systemen zu untersuchen.

Die für die Tests ausgewählten Referenzharze waren:

• ISO NPG Harz
• Vinylesterharz
• Styrolfreies VE Harz

Die durchgeführten Tests umfassten:

• Reine Harzgüsse (4 mm) zur Bestätigung der mechanischen Eigenschaften und Barcol-Härte
• Laminat (ca. 4 mm, hergestellt durch Vakuuminfusion) zur Bestimmung der ILSS-Werte
• Durchhärtungstests bis zu 15 mm

Ergebnisse & Schlussfolgerungen

Solange genügend Lichtenergie die Oberfläche erreicht, ist es möglich, Peroxide wie MEKP oder BPO durch (eine Kombination von) Photoinitiatoren zu ersetzen und mit UV-LED-Härtung mechanische Eigenschaften zu erzielen, die mit denen von peroxidgehärteten Verbundstoffen vergleichbar sind.

Es wurde auch bestätigt, dass Hybridhärtung (also eine Kombination aus UV-Härtung mit Heiß- oder Kaltaushärtung) möglich ist und ähnliche mechanische Eigenschaften erreicht wie bei ausschließlicher Peroxidhärtung. Das Hinzufügen von Photoinitiatoren, Peroxiden und Beschleunigern zur Formulierung muss im Vorfeld sorgfältig getestet werden, da insbesondere einige Beschleuniger die Leistung der Photoinitiatoren beeinträchtigen können.

IGM kann Sie mit unseren spezialisierten Labordienstleistungen bei der Auswahl der richtigen Photoinitiatoren für Ihr Harzsystem und Ihren Anwendungsprozess unterstützen.

Bestätigte Vorteile der UV-LED-Härtung:

• Schnelle Härtung (reines Harz ca. 40 Sekunden vs. 20 Minuten)
• Härtung auf Abruf, die einen flexiblen und dennoch kontrollierten Produktionsprozess ermöglicht
• UV-Härtung ist mit verschiedenen ungesättigten Polyesterharzen (UP) kompatibel
• Mechanische Eigenschaften sind mit der richtigen Auswahl an Photoinitiatoren und Lichtquelle vergleichbar mit peroxidgehärteten Systemen

IGM Resins: Innovationstreiber in der UV-Härtung

Als führender Experte für UV-Härtungstechnologien verfügt IGM Resins über ein spezialisiertes Team und Laborkapazitäten mit Fokus auf Verbundanwendungen. Unsere Teams arbeiten daran, Photoinitiatorsysteme für die vollständige Durchhärtung zu optimieren und die mechanische Leistung sicherzustellen – damit Hersteller die Geschwindigkeit und Effizienz der UV-Härtung nutzen können, ohne bei der mechanischen Leistung Kompromisse einzugehen.

Mit einem starken globalen Support-Netzwerk und einem kontinuierlichen Innovationsengagement treibt IGM die Entwicklung von energiehärtenden Lösungen der nächsten Generation voran, die auf die sich wandelnden Anforderungen der Verbundwerkstoffindustrie zugeschnitten sind.

Interessiert an weiteren Informationen? Laden Sie unsere Composite-Broschüre herunter, um die Vorteile der UV-Härtungstechnologien im Detail zu entdecken.