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DE1769854C3 - Photoinitiatoren und Verfahren zur Photopolymerisation - Google Patents

Photoinitiatoren und Verfahren zur Photopolymerisation

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DE1769854C3
DE1769854C3 DE1769854A DE1769854A DE1769854C3 DE 1769854 C3 DE1769854 C3 DE 1769854C3 DE 1769854 A DE1769854 A DE 1769854A DE 1769854 A DE1769854 A DE 1769854A DE 1769854 C3 DE1769854 C3 DE 1769854C3
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photoinitiators
alkyl
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Karl Dr. 4150 Krefeld Fuhr
Hermann Dr. 4150 Krefeld Schnell
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Bayer AG
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Bayer AG
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    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/004—Photosensitive materials
    • G03F7/027—Non-macromolecular photopolymerisable compounds having carbon-to-carbon double bonds, e.g. ethylenic compounds
    • G03F7/028—Non-macromolecular photopolymerisable compounds having carbon-to-carbon double bonds, e.g. ethylenic compounds with photosensitivity-increasing substances, e.g. photoinitiators
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    • C07D317/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having two oxygen atoms as the only ring hetero atoms
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    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
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    • C08F2/46—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
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Description

Als Photopolymerisation auslösende und beschleunigende Verbindungen wurden in der Literatur u. a. eine große Zahl schwefel- sowie halogenhaltiger Verbindungen genannt. Empfohlen wurden weiterhin Benzoin (US 67 661) und einige Benzoinderivate, wie bestimmte α-substituierte Benzoine (US 27 22 512) und Benzoinäther primärer Alkohole (US 24 48 828, FP14 50 589).
Die US-PS 33 30 659 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Präpolymeren mit einem Molgewicht von 1000—3000 durch UV-initiierte Polymerisation von Vinylmonomeren mit einem Gehalt eines Acyloins der Formel
R'
R-C C-R"
I Il
OH O
worin R und R" Alkyl oder Aryl und R' Wasserstoff, Alkyl oder Aryl sein können. Aus der Beschreibung geht nicht hervor, daß R' bevorzugt nicht Wasserstoff sein sollte. (Siehe auch Vergleichsversuoh.)
Keine dieser Verbindungen hat sich technisch durchsetzen können. Hauptursache dafür sind die zu niedrige Reaktivität und die zu geringe Dunkel-Lagerstabilität der mit diesen Photosensibilisatoren versetzten polymerisierbaren Verbindungen.
Gegenstand der Erfindung sind Photoinitiatoren der allgemeinen Formel
R2
ίο in der
Ar—C—C-Ar
O O
R1
Ar einen gegebenenfalls durch Alkyl, Alkoxy und/oder
Halogen substituierten, aromatischen Rest.
R1 einen Alkyl-, Aryl- oder Aralkylrest, und
R2 eine Gruppe -CH2-O-R3 symbolisiert, worin R3 Wasserstoff, Alkyl oder Acyl ist,
oder als Alkylen mit R1 über ein weiteres Sauerstoffatom verbunden ist, oder für die Gruppe
,0 -CH2-CH-X
R*
steht, worin R4 Wasserstoff oder Methyl und X CN, COOH, COO-Alkyl oder CONH2 bedeuten.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Photopolymerisation von durch UV-Bestrahlung polymerisierbaren Verbindungen und Mischungen solcher Verbindungen, insbesondere von auf übliche Weise stabilisierten Gemischen ungesättigter Polyester und anpolymerisierbarer, monomerer Verbindungen, in Gegenwart von Photoinititiatoren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als Photoinitiatoren α-substituierte Benzoinderivate der Formel I verwendet werden.
Beispiele für erfindungsgemäße Photoinitiatoren sind:
a-Hydroxymethyl-benzoinisopropyläther
(nV 1,5574),
a-Acetoxymethyl-benzoinisopropyläther,
4-Benzoyl-4-phenyl-1,3-dioxolan (Fp. 66-67°C), . a-OS-CyanoäthylJ-benzoinäthyläther (Fp. 62° C) und
a-(j?-Carbäthoxyäthyl)-benzoinäthyIäther
(ni5 1,5402).
Die Photoinitiatoren lassen sich in an sich bekannter: Weise durch Einwirken von Alkylierungs- und Arylierungsrhitteln, wie Alkoholen, Alkylhalogeniden, Grig-: nard-Verbindungen, Formaldehyd, (Meth)acrylsäurede-' rivaten, auf Benzile, Benzoine, α-substituierte Benzoine und Benzoinäther herstellen.
Diese Verbindungen werden zweckmäßig in Mengen von etwa 0,1 bis etwa 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise von etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gewichtsprozent, und zwar entweder allein oder im Gemisch miteinander, verwendet.
Als polymerisierbare Verbindungen sind alle Stoffe geeignet, deren Kohlenstoff-Kohlenstoff doppelbindungen durch z. B. Halogenatome oder Carbonyl-, Cyanid-, Carboxy-, Ester-, Amid-, Äther- oder Arylgruppen sowie Kohlenstoffdoppel- und Kohlenstoffdreifachbin· düngen aktiviert sind. Als Beispiele seien genannt:
Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylmethylketon,
Acrolein, Acrylsäuremethylester,
Methacrylsäureäthylester, Acrylamid,
Methacrylamid, Acrylnitril, Methacrylnitril,
Chloropren, Vinyläthyläther und Styrol.
Besonders vorteilhaft lassen sich Form- und Überzugsmassen, aus auf übliche Weise stabilisierten Gemischen ungesättigter Polyester und anpolymerisierbarer monomerer Verbindungen verwenden, wobei unter ungesättigten Polyestern, wie üblich, Polykondensationsprodukte aus a,j?-ungesättigten Dicarbonsäuren, wie Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure. Mesaconsäure und Citraconsäure, mit Polyolen, wie Äthylenglykol, Diäthylenglykol, Propan-, Butan-, Hexandiol, Trimethylolpropan und Pentaerythrit, zu verstehen sind. Ein Teil der ungesättigten Säuren kann durch gesättigte, zum Beispiel Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure. Phthalsäure, Tetrachlorphthalsäure, Hexachlorendomethylentetrahydrophthalsäure und Trimellitsäure, ersetzt werden. Weitere Modifikationen sind möglich r> durch Einbau einwertiger Alkohole, wie Butanol, Butylglykol und Tetrahydrofurfurylalkohol, sowie durch Einbau einbasischer Säuren, wie Benzoesäure, Ölsäure, Leinölfettsäure und Ricinenfettsäure. Auch sogenannte lufttrocknende Formmassen, die außer den Resten «^-ungesättigter Dicarbonsäuren noch /J.y-.ungesättigte Ätherreste enthalten, sei es als Bestandteile der Polyester, etwa gemäß der Auslegeschrift 10 24 654, sei es als Bestandteil weiterer Mischungskomponenten, etwa gemäß dem Patent 10 67 210 und der Auslegeschrift 10 81 222, können verwendet werden.
Unter anpolymerisierbaren monomeren Verbindungen sind die in der Polyestertechnik üblichen ungesättigten Verbindungen mit gegebenenfalls in «-Stellung substituierten Vinyl- oder in ^-Stellung substituierten Allylgruppen, z. B. Styrol, Vinyltoluol, Divinylbenzol, Vinylacetat, Acrylsäure und deren Ester, Acrylnitril, Methacrylsäure und deren entsprechende Derivate sowie Allylester, wie Allylacetat, Allylacrylat, Phthalsäu-» rediallylester, Triallylphosphat und Triallylcyanurat, zu 3r> verstehen.
Die photopolymerisierbaren Verbindungen oder Gemische können durch Zusatz üblicher Inhibitoren, wie p-Benzochinon, Hydrochinon, 3-Methylbrenzcatechin oder Kupferverbindungen, z. B. Kupfernaohthenat, in den bekannten Mengen stabilisiert sein und sonstige übliche Zusätze enthalten. Gegebenenfalls können auch Polymerisationskatalysatoren, z. B. Peroxide, in Mengen von etwa 0,1 bis etwa 4 Gewichtsprozent mitverwendet werden. Geeignete Peroxide sind z. B. tert.-ButyIperbenzoat, Dicumylperoxid, Benzoylperoxid, Lauroylperoxid, insbesondere Methyläthylketonperoxid und Cyclohexanonperoxid. Ferner ist die Mitverwendung von Peroxiden, namentlich Methyläthylketonperoxid, vornehmlich dann zu empfehlen, wenn es erwünscht ist, geringfügige Verfärbungen der Härtungsprodukte, wie sie beim Bestrahlen, unter Umständen aber auch beim Lagern, durch Lichteinwirkung auftreten können, auszuschalten.
In Verbindung mit der Verwendung von Ketonperoxiden können zur beschleunigten Durchhärtung Metallverbindungen, wie Kobalt-, Zirkon- und Vanadinnaphthenat, oder Metallchelate, wie Kobalt- und Zirkonacetylacetonat, zugesetzt werden. Bei gleichzeitiger Anwesenheit von Peroxiden und Metallbeschleunigern ist die Lagerstabilität der Massen allerdings herabgesetzt. Es empfiehlt sich deshalb, bei der Herstellung von Lacküberzügen nach der sogenannten Aktivgrundmethode zu arbeiten, bei der die Überzugsmasse auf eine zuvor auf den Untergrund aufgetragene, peroxidhaltige Schicht aufgebracht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäß zu verwendenden Photoinitiatoren bei solchen Über- , zugsmassen anzuwenden, denen Paraffin oder Wachs oder wachsartige Stoffe zugesetzt sind, die bei Beginn der Polymerisation ausschwimmen und die inhibierende Wirkung des Luftsauerstoffs verhindern.
Zum Schutz von lichtempfindlichen Untergründen, z. B. heilen Hölzern, können den Form- und Oberzugsmassen geringe Mengen üblicher UV-Absorber zugesetzt werden, ohne daß die Reaktivität wesentlich beeinträchtigt wird. Ferner können geringe Mengen an üblichen Träger- und Füllstoffen sowie Thixotropiermitteln, wie Glasfasern, synthetischen Fasern, Kieselsäure und Talkum, während der Photopolymerisation zugegeben sein.'
Als Strahlungsquellen zur Durchführung der Photopolymerisation können natürliches Sonnenlicht oder künstliche Strahler, deren Emission im Bereich von 250—500 mu, vorzugsweise 300—400 πιμ, liegt, verwendet werden. Geeignet sind z. B. Quecksilberdampf-, Xenon- und Wolfram-Lampen. Auch unter der ultravioletten und sichtbaren Strahlung von energiearmen Leuchtstofflampen mit einer Emission von 300—580 ιτιμ härten die erP.ndungsgemäßen Massen rasch zu nahezu farblosen Form- und Uberzugsteilen aus.
Beim Herstellen von Formteilen aus den erfindungsgemäß sensibilisierten Massen wirkt sich besonders vorteilhaft aus, daß die Massen durch entsprechend dosiertes Bestrahlen ohne nennenswerte Wär-metönung ausgehärtet v/erden können, wodurch auch größere Formteile rißfrei erhalten werden. Bei Abwesenheit von Peroxiden und Metal.beschleunigern kann die Härtung gegebenenfalls auch durch Abdunkeln unterbrochen und nach einer Lagerung der so erhaltenen Vorpolymerisate zu beliebiger Zeit zu Ende geführt werden.
Beispiel 1
Ein ungesättigter Polyester, hergestellt durch Kondensation von 152 Gewichtsteilen Maleinsäureanhydrid, 141 Gewichtsteilen Phthalsäureanhydrid und 195 Gewichtsteilen Propandiol-1,2, wird mit 0,045 Gewichtsteilen Hydrochinon versetzt und 65gewichtsprozentig in Styrol gelöst.
Je 100 Gewichtsteilen dieser Harzlieferform werden 2 Gewichtsteile einerseits von bekannten, andererseits von erfindungsgemäßen Photoinitiatoren zugesetzt und die Mischungen'unter Lichtausschluß bei 6O0C bis zur Gelierung gelagert. In Tabelle 1 sind die Initiatoren und die Werte der Lagerstabilität bei 6O0C enthalten.
Tabelle 1
Dunkellagerstabilität der Lieferform eines typischen
Polyesterharzes mit einem Zusatz von
2 Gewichtsteilen Sensibilisator
Initiator
Lagerstabilität
bei 60°C
Benzoin
Benzoinäthyläther
ar-Oß-Cyanoäthyl)-benzoi näthyl-
äther
a-Oß-Carboäthoxyäthyl)-benzoinäthyläther
unter 1 Tag
unter 1 Tag
länger als 10 Tage
langer als 10 Tage
4-Benzoyl-4-phenyl-l,3-dioxolan länger als 10 Tage
Beispie! 2
Jeweils 100 Gewichtsteilen der im Beispiel 1 beschriebenen Harzlieferform werden 20 Gewichtsteile Styrol, 1 Gewichtsteil einer 1 Ogewichtsprozentigen Lösung von Paraffin (Fp. 52—53° C) in Toluol sowie einerseits bekannte, andererseits erfindungsgemäße Photoinitiatoren in äquimolaren Mengen züge·
Tabelle. 2
mischt Die so gewonnenen Lösungen bringt man mit einem Filmzieher (500 μ) auf Glasplatten und belichtet mit der Strahlung einer Leuchtstofflampe (Osram L 40 W/70-1) in einem Abstand von 5 cm.
In Tabelle 2 sind die Paraffinausschwimmzeiten und die Zeiten bis zum Erreichen der Bleistifthärte >6 H enthalten.
Initiator
Zusatz Ausschwimmzeiten Bleistifthärte
in Gewichtsteilen, des Paraffins >6H
bezogen auf nach Min. nach Mia
Harzlieferform
2,12 2,5 14,0
2,40 0,63 5,5
2,84 0,70 6,0
2,54 1,1 8,0
2,93 0,67 5,5
3,40 0,50 5,0
Benzoin
Benzoi nä thy lather
Λ-Hydroxymefhyl-benzoinisopropyläther
4-Benzoyl-4-phenyl-l,3-dioxolan
a-(/J-Cyanoäthyl)-benzoinäthyläther
ff-Oß-Carboäthoxyäthyl)-benzoinäthyläther
Beispiel 3
Ein durch Kondensieren von 1765 Gewichtsteilen Maleinsäureanhydrid, 756 Gewichtsteilen Äibylenglykol, 405 Gewichtsteilen Butandiol-1,3 und 154C Gewichtsteilen Trimethylolpropandiallyläther in Gegenwart von 0,83 Gewichtsteilen Hydrochinon gewonnener; ungesättigter Polyester wird 70gewichtsprozentig in Styrol gelöst.
100 Gewichtsteile der erhaltenen Lieferform und 1 Gewichtsteil Kobaltnaphthenatlösung (20gewichtsprozentig in Toluol) werden mit verschiedenen erfin-
Tabelle 3
dungsgemäßen Initiatoren versetzt Die Lösung wird jeweils als 500 μ dicke Schicht auf Glas im Abstand von 5 cm von der oben beschriebenen Leuchtstofflampe so lange belichtet, bis der Filrrr geliert ist. Daraufhin wird das Vorpolymerisat unter der Strahlung eines Quecksilberdampfhochdruckbrenners (Philips HPK 125 W/L) im Abstand von 10 cm belichtet, bis die Oberfläche der Beschichtung klebfrei ist. Die Bleistifthärte beträgt dann >6H.
Die benötigten Zeiten zur Gelierung unter der Leuchtstofflampe und zur Durchhärtung sind in der Tabelle 3 enthalten.
Zusatz, bezogen auf Harzlieferform
(Gewichtsprozent)
Gelierung unter der
Leuchtstoffröhre
nach Min.
Durchhärtung unter dem Hg-Hochdruckbrenner, Bleistifthärte >ό Η
nach Min.
2 tf-Hydroxymethyl-benzoinisopropyläther
2 4-Benzoyl-4-phenyl-l,3-dioxolan
2 <z-GS-Cyanoäthyl)-benzoinäthyläther
2 ff-Gß-Carbäthoxyäthyl)-benzoinäthyläther
0,6
0,7
0,5
0,5
6
6
5
5
Beispiel 4
10 g frisch destillierter AcryIsäuremethylester werden mit 0,1 g «-(jJ-Carbäthoxyäthyl)-benzoinäthyläther versetzt und mit einem Quecksilberdampf-Hochdruckbrenner (Philips HPK 125 W/L) durch Quarzglas in einem Wasserbad von 24° C belichtet. Die Lösung des Initiators im Monomeren befindet sich dabei unter .Stickstoffatmosphäre in einem Quarzglas, dessen Innendurchmesser 1,7 cm beträgt. Die Belichtungszeit beträgt 2'/2 Minuten.
Sofort nach der Belichtung wird das Quarzglas in eine Eis-Kochsalzmischung gebracht, um eine Wärmepolymerisation zu verhindern. Die Lösung des Polymerisats im Monomeren einschließlich der festen Polymeranteile, die sich auf der Innenseite des Quarzglases (auf der dem Quecksilberdampf-Hochdruckbrenner zugewandten Seite) befinden, wird mit geringen Mengen eines Lösungsmittels (Methylenchlorid) in einen kleinen Rundkolben gespült. Anschließend werden in einem Rotationsverdampfer nichtpolymensierte Anteile und das Lösungsmittel abdestilliert. Nach dem Trocknen im
b5 Vakuumtrockenschrank auf Gewichtskonstanz bei 60° C wird die Menge des Polymerisats bestimmt. Sie beträgt 11,8 Gewichtsprozent. Ist der Initiator nicht zugegen, liegt die Polymerisatmenge unter 0,1%.
Vergleichsversuch gegenüber US-PS 33 30 659
Ein ungesättigter Polyester, hergestellt durch Kondensation von 152 Gew.-Teilen Maleinsäureanhydrid, 141 Gew.-Teilen Phthalsäureanhydrid und 195 Gew.- r> Teilen Propandiol-1,2, wird mit 0,045 Gew.-Teilen Hydrochinon versetzt und 65gewichtsprozentig in Styrol gelöst.
A. Je 100 Gew.-Teilen dieser Harzlieferform werden 2 ι ο
Gew.-Teile Photoinitiator, zugesetzt und die Mi-Tabelle 4
schung unter Lichiausschluß bei 60°C bis zur Gelierung gelagert.
B. Jeweils 100 Gew.-Teilen der Harzlieferform werden 20 Gew.-Teile Styrol, 1 Gew.-Teil einer lOgewichtsprözentigen' Lösung von Paraffin (Fp. 52—54°C) in Toluol sowie Photoiniliatoren in äquimolaren Mengen zugemischt. Die so gewonnenen Lösungen bringt man mit einem Filmzieher (500 ΐημ) auf Glasplatten und belichtet mit der Strahlung einer Leuchststofflampe (Osram-L W/
• 70-1) in einem Abstand von 5 cm.
Photoinitiator Zusatz in Ausschwimm Bleistifthärte Dunkel
Gew.-Teilen zeit des >6H lagerstabili
bezogen auf Paraffins nach Min. tät bei 60 C
Harzlieferform
(Min.)
(1) Benzoin 2,12 2,5 14,0 <lTag
(2) ff-Methylbenzoin 2,26 1,5 12,5
(3) «-Phenylbenzoin 2,88 1,3 13,5
(4) Benzoinäthyläther 2,40 0,63 5,5 <lTag
(5) a-Hydroxymethyl-benzoinisopropyläther 2,84 0,70 6,0 > 10 Tage
(6) a-Off-CyanoäthyO-benzoinäthyläther 2,93 0,67 5,5 > 10 Tage
Während Benzoin (1) und Benzoinäthyl";' er (4) schlechte Dunkellagerstabilität der Polyester verursachen, zeigen die mit den α-substituierten Benzoinen (2) ur ■■. ι versetzten Polyestermassen eine nicht ausreichende Reaktivität Erst wenn ^-Substitution und Verätherung der Benzome erfolgt, werden lagerstabile und reaktive Polyestermassen erhalten, wie die erfindungsgemäßen Beispiele (5) und (6) anschaulich demonstrieren.
230233/8

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Photoinitiatoren der aligemeinen Formel
R2
Ar—C—C-Ar
Il I ο ο
R1
in der
Ar einen ggf. durch Alkyl, Alkoxy und/oder Halogen substituierten, aromatischen Rest,
R1 einen Alkyl-, Aryl- oder Aralkylrest, und
R2 eine Gruppe -CH2-O-R3 symbolisiert, worin R3 Wasserstoff, Alkyl oder Acyl ist,
oder als AlkyJen mit R1 über ein weiteres Sauerstoffatom verbunden ist, oder für die Gruppe
-CH2-CH-X
R4
steht, worin R4 Wasserstoff oder Methyl und X CN, COOH, COO-Alkyl oder CONH2 bedeuten.
2. Verfahren ^ur Photopolymerisation von durch UV-Bestrahlung polymerisierbaren Verbindungen und Mischungen solcher Verbindungen, insbesondere von auf übliche Weise stabilisierten Gemischen ungesättigter Polyester und anpolymerisierbarer, monomerer Verbindungen, in Gegenwart von Photoinitiatoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Photoinitiatoren α-substituierte Benzoinderivate gemäß Anspruch 1 verwendet werden.
DE1769854A 1968-07-26 1968-07-26 Photoinitiatoren und Verfahren zur Photopolymerisation Expired DE1769854C3 (de)

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GB (1) GB1218498A (de)
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