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In Situ Monitoring of UV-Curing Kinetics of Acrylate Coatings by Combined Ultrasound Reflectometry and Near-Infrared Spectroscopy

Agarwal, Suman :
In Situ Monitoring of UV-Curing Kinetics of Acrylate Coatings by Combined Ultrasound Reflectometry and Near-Infrared Spectroscopy.
[Online-Edition: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24726]
TU Darmstadt
[Dissertation], (2011)

Offizielle URL: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24726

Kurzbeschreibung (Abstract)

UV radiation curing is a novel technology in the field of organic coatings. It involves curing of reactive resin using the energy of photons in the wavelength region 200-400 nm. The most attractive feature of this method is its low space, low capital and low energy consumption. Free radical polymerizable acrylate resins are the most commonly used resins in UV curing. The UV curable acrylates are mainly used as protective and decorative coatings. In general curing displays a complex interdependence of chemical kinetics and physical phenomenon like gelation and vitrification. This is well known for curing of epoxies and holds true for acrylates as well. As the resin polymerizes, there is an increase in its molecular weight and cross-link density. This causes slowing down of molecular relaxation and transport processes and an increase in viscosity, which is indicated by slowing down of the reaction kinetics. The chemical kinetics shifts from reaction-controlled to diffusion-controlled regime. This phenomenon can be described as a “Negative-Feedback” between molecular diffusion and chemical reaction. Therefore, in order to understand the curing mechanism, we need to understand the dependence of the mechanical properties and the underlying relaxation processes on chemical conversion. Thus, the main objective of this work is to study the conversion and mechanical shear modulus of acrylate coatings simultaneously and in real time by using the combined Ultrasound reflectometry (US) and NIR spectroscopy with a fast data acquisition rate in the range of milliseconds. The interdependence of the chemical kinetics and the dynamic shear modulus can be illustrated in terms of modulus-conversion curves. Different series of experiments were done by varying the concentration of nanoparticles, photoinitiator and reactive diluent, and UV-light irradiation time. In addition to the combined US/NIR experiments, a detail viscoelastic characterization (frequency and temperature dependent) of the uncured and cured resins is done using DMTA. Further, the modulus-conversion curves of the reactive diluent tripropylene glycol diacrylate (TPGDA) and a mixture of epoxy acrylate (EPA) and reactive diluent TPGDA are simulated with an empirical model and compared with the experimental data. The surface mechanical properties like scratch resistance, abrasion resistance and the optical properties like haze of the coatings are also studied and correlated with their chemical structure.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2011
Autor(en): Agarwal, Suman
Titel: In Situ Monitoring of UV-Curing Kinetics of Acrylate Coatings by Combined Ultrasound Reflectometry and Near-Infrared Spectroscopy
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

UV radiation curing is a novel technology in the field of organic coatings. It involves curing of reactive resin using the energy of photons in the wavelength region 200-400 nm. The most attractive feature of this method is its low space, low capital and low energy consumption. Free radical polymerizable acrylate resins are the most commonly used resins in UV curing. The UV curable acrylates are mainly used as protective and decorative coatings. In general curing displays a complex interdependence of chemical kinetics and physical phenomenon like gelation and vitrification. This is well known for curing of epoxies and holds true for acrylates as well. As the resin polymerizes, there is an increase in its molecular weight and cross-link density. This causes slowing down of molecular relaxation and transport processes and an increase in viscosity, which is indicated by slowing down of the reaction kinetics. The chemical kinetics shifts from reaction-controlled to diffusion-controlled regime. This phenomenon can be described as a “Negative-Feedback” between molecular diffusion and chemical reaction. Therefore, in order to understand the curing mechanism, we need to understand the dependence of the mechanical properties and the underlying relaxation processes on chemical conversion. Thus, the main objective of this work is to study the conversion and mechanical shear modulus of acrylate coatings simultaneously and in real time by using the combined Ultrasound reflectometry (US) and NIR spectroscopy with a fast data acquisition rate in the range of milliseconds. The interdependence of the chemical kinetics and the dynamic shear modulus can be illustrated in terms of modulus-conversion curves. Different series of experiments were done by varying the concentration of nanoparticles, photoinitiator and reactive diluent, and UV-light irradiation time. In addition to the combined US/NIR experiments, a detail viscoelastic characterization (frequency and temperature dependent) of the uncured and cured resins is done using DMTA. Further, the modulus-conversion curves of the reactive diluent tripropylene glycol diacrylate (TPGDA) and a mixture of epoxy acrylate (EPA) and reactive diluent TPGDA are simulated with an empirical model and compared with the experimental data. The surface mechanical properties like scratch resistance, abrasion resistance and the optical properties like haze of the coatings are also studied and correlated with their chemical structure.

Freie Schlagworte: Acrylate coatings, urethane acrylate, epoxy acrylate, NIR spectroscopy, Ultrasound reflectometry, chemical kinetics, Dynamic shear modulus, rheology, glass transition temeprature, DMTA, master curves, nanoparticles, scratch resistance, abrasion resistance
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Chemie
Hinterlegungsdatum: 15 Mär 2011 15:41
Offizielle URL: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24726
Gutachter / Prüfer: Rehahn, Prof. Dr. Matthias ; Alig, PD. Dr. Ingo
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 Januar 2011
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Bei der Verarbeitung von organischen Beschichtungen spielt die UV-Härtung eine immer wichtigere Rolle. Mit dieser Methode werden reaktive Lackmischungen mit Hilfe von Licht im Wellenlängenbereich von 200-400 nm vernetzt. Die Methode zeichnet sich durch geringen Energieverbrauch aus, ist platzsparend und kostengünstig. Die hierfür am häufigsten benutzten Harze sind Acrylate. Sie werden hauptsächlich als Schutzbeschichtung und zu dekorativen Zwecken verwendet. Im Allgemeinen zeigt der Härtungsverlauf komplexe Abhängigkeiten von chemischer Kinetik und physikalischen Eigenschaften bzw. physikalischen Phänomenen wie Gelation und reaktionsinduziertern Glasübergang („Vitrifikation“). Dies ist für Epoxidharze bekannt und gilt gleichermaßen für Acrylate. Während das Harz polymerisiert, erhöht sich das Molekulargewicht bzw. die Vernetzungsdichte. Hierdurch verlangsamen sich die molekularen Relaxations- und Transportprozesse, was eine Erhöhung der Viskosität zur Folge hat. Dadurch geht die Reaktion von einem reaktionskontrollierten Regime zu einem diffusionskontrollierten Regime über. Dieses Phänomen ist als „Negativ-Feedback“ zwischen Transporteigenschaften und chemischer Reaktionskinetik bekannt. Für ein Verständnis des Härtungsmechanismus ist deshalb die Kenntnis der Abhängigkeit des mechanischen Moduls und der Relaxationsprozesse vom chemischen Umsatz erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu die Messmethoden Ultraschallreflektometrie und NIR-Spektroskopie miteinander kombiniert, so dass gleichzeitig Schubmodul und chemischer Umsatz zeitabhängig während der Härtung mit einer Zeitauflösung im Millisekundenbereich gemessen werden können. Somit kann der Schubmodul in Abhängigkeit des chemischen Umsatzes direkt dargestellt werden. In verschiedenen Messreihen wurde die Konzentration von Nanopartikeln, Photoinitiator, Reaktivverdünner und Belichtungszeit variiert und der Einfluss auf den chemischen Umsatz und den Schubmodul untersucht. Zusätzlich wurde eine detaillierte mechanische Charakterisierung (frequenz- und temperaturabhängig) der ungehärteten Lackmischung und des ausgehärteten Lackes mittels DMTA durchgeführt. Weiterhin wurden die Modul-Umsatz-Kurven für den Reaktivverdünner Tripropylenglykoldiacrylat (TPGDA) und eine Mischung aus Epoxyacrylat (EPA) und TPGDA mit einem empirischen Modell simuliert und mit den experimentellen Daten verglichen. Die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche wie Kratzfestigkeit und Abriebbeständigkeit sowie die optischen Eigenschaften (Trübung) wurden ebenfalls gemessen und mit der chemischen Struktur korreliert.Deutsch
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