Vermittelnde UV-Photopolymerisation von Beschichtungen durch aufwärtskonvertierende Nanopartikel

Die Dissertation „Vermittelnde UV-Photopolymerisation von Beschichtungen durch aufwärtskonvertierende Nanopartikel“ kann unter dem Begriff Photopolymerisation zusammengefasst werden. 

Nach der Einführung des Begriffs der Makromoleküle vor rund 100 Jahren und deren Erforschung sind Polymere im alltäglichen Leben weit verbreitet. Dabei nehmen sie eine besondere Rolle im Bereich der Oberflächenbeschichtungen ein. Dafür sind Polymere notwendig, die chemisch vernetzen und somit ein dreidimensionales unlösliches Netzwerk bilden. Für die Entwicklung von neuen Materialien für die Oberflächenveredlung werden häufig radikalische Polymerisationen eingesetzt, die sowohl thermisch als auch photochemisch initiiert werden können. 

Eine wesentliche Rolle spielen dabei moderne Strahlungstechniken, wie zum Beispiel UV-LEDs und NIR-Laser. 

Aufwärtskonvertierende Nanopartikel (engl. upconversion nanoparticles UCNPs) bieten eine Schnittstelle zwischen zwei bedeutenden Strahlungstechnologien, der UV- und der NIR-Strahlung, da sie in der Lage sind, NIR-Strahlung in ultraviolette zu konvertieren. Neben der Herstellung und Charakterisierung von anorganischen Nanopartikeln für die Aufwärtskonversion werden Möglichkeiten erforscht, diese für photoinduzierte Polymerisationen einzusetzen. Dies wird mithilfe verschiedener Polymerisationsarten untersucht. Neben der freien radikalischen Polymerisation werden auch kontrollierte Polymerisationen unter Atomtransfer in dieser Arbeit erforscht. 

Ein interessanter Aspekt der UCNPs ist die Verwendung als interne Lichtquelle. Das Licht, das für eine Reaktion benötigt wird, wird nicht auf die Beschichtung gestrahlt, sondern entsteht im inneren der Beschichtung. Die Vorteile dabei sind, dass extreme Schichtdicken erzeugt werden können und lichtabsorbierende Materialien in der Beschichtung verarbeitet sein können. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung bekannter und neuer Initiatorsysteme zur vermittelnden UV-Photopolymerisation. Die neuen Initiatorsysteme bestehen dabei aus einer photoaktiven Spezies, die direkt an der Oberfläche der Partikel gebunden ist.

Dabei werden die Reaktionen mittels Echtzeit-IR-Spektroskopie eruiert. Durch die Verwendung der NIR-Laser wird Wärme freigesetzt, welche sich auf die Polymerisationen auswirken. Diese Auswirkungen werden zum einen direkt während der Bestrahlung untersucht und zum anderen durch isotherme kalorimetrische Untersuchungen mit der Photo-DSC während der Bestrahlung mit UV-Strahlung.  Mechanische Eigenschaften der entstehenden Beschichtungen werden mittels dynamisch-mechanischer Analysen festgestellt.

The dissertation “Mediating UV Photopolymerization of Coatings by Upconversion Nanoparticles” can be summarized under the term photopolymerization.

After the introduction of macromolecules around 100 years ago, polymers are widely used in everyday life. They play a special role for coatings. This requires polymers that chemically crosslink and thus form a three-dimensional insoluble network. For the development of new materials for surface finishing, radical polymerizations are often used, which, in addition to thermal initiation, can also be initiated photochemically.

Modern radiation technologies, such as UV LEDs and NIR lasers, play an essential role.

Upconversion nanoparticles (UCNPs) provide an interface between two important radiation technologies, UV and NIR radiation, as they are able to convert NIR radiation into ultraviolet radiation. In addition to the production and characterization of inorganic nanoparticles for upconversion, possibilities are being explored to use them for photoinduced polymerizations. This is investigated using various types of polymerizations. In addition to free radical polymerization, controlled polymerizations with atom transfer are also investigated in this work.

One interesting aspect of the UCNPs is that they can be used as an \glqq internal lamp\grqq{}. The light that is required for a reaction is not radiated onto the surface of the coating, but is created inside the bulk material. The advantages are that extreme layer thicknesses can be produced and light-absorbing materials can be incorporated into the coating. The focus of this work is on the investigation of known and new initiator systems for mediating UV photopolymerization. The new initiator systems consist of a photoactive species that is bound directly to the surface of the particles.

The reactions are examined using real-time IR spectroscopy. By using NIR lasers, heat is released, which affects the polymerizations. These effects are examined on the one hand directly during the irradiation and on the other hand by isothermal calorimetric examinations with the Photo-DSC during the irradiation with UV radiation. Mechanical properties of the resulting coatings are examined by means of dynamic mechanical analysis.

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