Photopolymere haben sich in den vergangenen Jahrzehnten in zahlreichen industriellen Anwendungen etabliert. Zu diesen Anwendungen zählen Beschichtungen für den Korrosionsschutz, kratzfeste Überzüge, Composite, Klebstoffe, Anwendungen zur Informationsspeicherung, Druckverfahren und mehrdimensionale Strukturierungsverfahren. Mit der Forderung zur Nutzung energieeffizienter und ökologischer Lichtquellen wurden an Photopolymere neue Anforderungen adressiert. Die Entwicklung von energieeffizienten Lichtquellen wie LEDs, Diodenlasern und Festkörperlasern trägt wesentlich dazu bei, dass diese Anforderungen in zahlreichen Technologien umgesetzt werden können. Die Emission dieser Lichtquellen deckt den ultravioletten (UV), sichtbaren und nahen Infrarot (NIR) Bereich ab.

Seit dem ersten Patent zur Photoinitiierung vor mehr als sechs Jahrzehnten wurden zahlreiche Entwicklungen vollzogen, welche die Art der Photoinitiierung, die Auswahl von Monomeren sowie von Zusatzstoffen betreffen. Zu den Zusatzstoffen zählen Bindemittel, Pigmente, Kontrastmittel und Füllstoffe. Die photoinduzierte freie radikalische Polymerisation und die kationische Polymerisation konnte sich in vielen industriellen Anwendungen etablieren. Dazu zählen der Lackbereich mit Fokus auf die Möbelindustrie, den Automobilbau, Fußbodenversiegelungen und Klebstoffe. Der Lack kann dabei als fluides Medium oder in fester Form appliziert werden. Letzteres erfolgt direkt in Form eines Pulvers (z. B. UV-Pulverlacke) oder indirekt durch einen Trocknungsprozess.

Laser zum Belichten
Die Entwicklung der Lasertechnik brachte zahlreiche neue Technologien auf der Basis von Photopolymeren in den industriellen Anwendungsbereich. Dazu zählen die Holografie oder auch die zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) Lithographie. Die digitale Bebilderung, auch als Computer to Plate (CtP) Technologie bekannt, basiert auf einem 2D- Strukturierungsverfahren, welches sich erfolgreich bei der Fertigung von lithografischen Druckplatten für den Zeitungsdruck, den Akzidenzdruck oder den Verpackungsdruck etablierte. Die CtP-Technolgie begann in den 90er
Jahren mit Gaslasern, deren Emission hauptsächlich im sichtbaren Spektralbereich lokalisiert war, z.B. Ar+-Laser. Diese Lichtquellen waren weit entfernt von dem, was heute als eine energieeffiziente Lichtquelle klassifiziert wird. Der enorm hohe Kühlwasserbedarf und der geringe Wirkungsgrad führten schnell zur Substitution durch Diodenlaser, wodurch die Betriebskosten wesentlich gesenkt wurden. Diodenlaser haben sich erfolgreich als reguläres Werkzeug in photonischen Produktionstechnologien etabliert.

Aufzeichnung und Speicherung
NIR-Photopolymermaterialien besitzen im CtP-Bereich unter moderaten Raumlichtbedingungen eine gewisse Weißlichtstabilität. Die Empfindlichkeit liegt zwischen 100-300 mJ/cm². Alternativ wurden preiswertere Laserdioden mit einer Emission bei 405 nm entwickelt. Diese besitzen eine wesentlich geringere Ausgangsleistung im Vergleich zu NIR-Laserdioden (Emission bei 808 oder 830 nm). Das erforderte die Bereitstellung von lichtempfindlichen Materialien mit einer Empfindlichkeit von 30-100 μJ/cm². Diese sind bis heute die empfindlichsten AgX-freien Aufzeichnungsmaterialien, welche gelbes Sicherheitslicht zur Verarbeitung erfordern.
Weiterhin konnte sich die 3DLithographie parallel zu den 2DVerfahren etablieren. Allerdings liegt der Fokus hier in der Produktion von Prototypen für den Maschinenbau oder die Medizintechnik. Letzteres kann sich zu einer erfolgreichen Technologie bei der Herstellung von Knochenimplantaten entwickeln, wobei die Form des Implantats und somit die zu belichtenden dreidimensionalen Daten aus einem 3D-Scan des aktuell erkrankten humanen Materials (z. B. Knochen) erhalten werden. Die 3D-Lithographie basiert auf Einphotonenanregung, wobei die dreidimensionale Schichtstruktur durch schrittweisen Schichtauftrag erzeugt wird. Interessante Ansätze wurden auch gezeigt, um die 3D-Strukturierung mittels Zweiphotonenanregung zu applizieren. Diese Technologie ermöglicht die räumliche Belichtung ohne signifikante Abschwächung des Anregungslichts. Interessant ist, dass die Zweiphotonenanregung eine Auflösung >150 nm besitzt, obwohl zur Anregung ein gepulster Femtosekundenlaser mit einer Emission im NIR eingesetzt wird. Ungeachtet dieser Vorteile blieb die zweiphotoneninduzierte Photopolymerisation bis heute für industrielle Anwendungen in ihren Kinderschuhen. Eine deutlich geringere Empfindlichkeit, welche zu einer wesentlichen längeren Verarbeitungszeit führt, und die erheblich kompliziertere Handhabung erschweren den Einsatz in robusten Technologien. Es ist denkbar, dass sich Photopolymertechnologien basierend auf Zweiphotonenanregung weiter entwickeln werden, wenn die Robustheit der gepulsten Femtosekundenlasersysteme verbessert wird. Davon wird dann auch die Holografie profitieren. Diese wird bereits schon heute erfolgreich zum Schutz gegen Produktpiraterie eingesetzt. Zweiphotonenanregung kann zu Materialien mit einer Speicherdichte im zweistelligen Terrabyte-Bereich führen.

Großflächenbelichtung mit ökologischen Alternativen
Die simultane Belichtung von großen Flächen ist oft nicht trivial. Der Einsatz von traditionellen Quecksilberstrahlern erfordert die Integration von optischen Elementen, die eine annähernd homogene Verteilung der Leuchtdichte des kleinen Lichtbogens auf eine große zu belichtende Fläche ermöglichen. Weiterhin muss überschüssige Wärme abgeführt werden. Eine Substitution von traditionellen Quecksilberlampen durch UV-LEDs erfordert parallel die Implementierung eines UVCStrahlers. Das können Excimerlampen sein. Die UVC-Quelle führt zu einer Aushärtung der oberen Schicht und setzt in gleicher Weise die inhibierende Funktion von nachdiffundierendem Sauerstoff herab. Die nachgeschaltete UV-LED mit einer Emission im UVA-Bereich ermöglicht dann die Tiefenhärtung. Diese Kombination ermöglicht nicht in einfacher Weise die Substitution von derzeitigen arbeitenden Photopolymersystemen, welche Hochdruckquecksilberdampflampen einsetzen. Umfangreiche Entwicklungsarbeiten sind erforderlich, um Photoinitiatorsysteme an diese neuen Technologien anzupassen. Anwendungen im Lackbereich und auch der UV-Druck werden davon profitieren.

Industrielle Anwendungen von
Photopolymeren - Klassifizierung,
Design und Wirkungsweise
13. und 14. Mai 2013, Frankfurt a. M.
Kurs: 35/13
Leitung: Prof. Dr. Bernd Strehmel

Weitere Informationen und Anmeldung über:
Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh),
Fortbildung
Tel.: +49 69 7917 291 364
Fax: +49 69 7917 475
fb@gdch.de
www.gdch.de/fortbildung