Optimierung und Upscaling der Synthese oberflächenfunktionalisierter Halbleiternanokristalle zur Anwendung als Photoinitiatoren für die radikalische Polymerisation

Abstract

Beim UV-Offsetdruck werden molekulare Photoinitiatoren eingesetzt, die aufgrund ihrer geringen Molmasse nach der Härtung aus dem Lack austreten können und somit ein Gesundheitsrisiko darstellen. Mit α-oxo-Carbonsäuren oberflächenfunktionalisierte Zinkoxid-nanopartikel wurden bereits als effektive Photoinitiatoren identifiziert, die aufgrund ihrer Größe nicht durch die gehärtete Bindemittelmatrix migrieren können. In der vorliegenden Arbeit werden in zahlreichen Versuchsreihen bei Synthese, Oberflächenmodifizierung und Formulierung der Nanopartikel sowie deren UV-Härtungsmessung Verbesserungen der Aus-härtungsperformance (rund 50 % des konventionellen Referenzinitiators) sowie erhebliche Steigerungen von Effizienz und Reproduzierbarkeit der Herstellungsprozesse und Charakteri-sierungsmethoden realisiert, die für ein Upscaling essentiell sind. Da die UV-Härtung maß-geblich von der Nanopartikelgröße abhängt, liegt der Focus auf der Untersuchung der Edukt-mischung, die aufgrund von Schnelligkeit und Komplexität der nasschemischen Fällungsreak-tion als besonders kritischer Prozessschritt gilt. Als entscheidend stellt sich die Umstellung auf eine Synthese in kontinuierlicher Prozessführung heraus mittels eines Mischsystems nach dem Prinzip des Freistrahlkollisionsreaktors (FIJR) mit schneller und gleichmäßiger Durchmischung im gesamten Reaktionsraum. Dabei kann gezeigt werden, dass offensichtlich ein Übergang von rein konvektiver zu diffusiver Mischung erreicht wird. Die Verbesserungen können noch nicht verlustfrei in den Technikumsmaßstab übertragen werden (knapp 40 % der Referenzhärtung), so dass weiterer Forschungsbedarf wie z.B. beim nachgeschalteten Rührprozess besteht.

For UV offset printing molecular photoinitiators are used, which owing to their low molar mass can migrate through the resin after curing thus posing a health hazard. ZnO na-noparticles surface functionalized with α-oxo-carboxylic acids were already identified as effective photoinitiators, which cannot migrate through the cured binder matrix due to their size. In the present work numerous test series concerning synthesis, surface modification and formulation of the nanoparticles as well as their UV curing measurement are performed, resulting in improvement of curing performance (about 50 % of conventional reference initi-ator) and substantial increase of efficiency and reproducibility of production processes and characterization methods, which are essential for upscaling. Since the influence of the nano-particle size is crucial for UV curing, the focus lies on investigation of educt mixing, which is considered as a particularly critical process step, because of rapidness and complexity of the wet-chemical precipitation reaction. Reengineering of the synthesis to a continuous process by using a mixing system according to the principle of the free impinging jet reactor (FIJR), with fast and homogeneous mixing in the entire reaction chamber, turns out to be decisive. Thereby it can be shown, that a transition from a merely convective to a diffusive mixing is obviously achieved. The improvements cannot yet be transferred losslessly to pilot scale (narrow 40 % of reference curing) so that future research is needed e.g. regarding the sub-sequent stirring process after the nanoparticle precipitation.