Untersuchung zur photonisch basierten Verfilmung von Beschichtungen mit Polymethinen im Nahinfrarot im Bereich von 700 - 1100 nm

Die physikalische und chemische Trocknung von Beschichtungsstoffen wurde mit einem neuen energieschonenden Verfahren, der photonischen Trocknung, als Alternative zu derzeitigen hochtemperaturbetriebenen Prozessen, die in Umluftöfen durchgeführt werden, entwickelt. Die Trocknung von Beschichtungsstoffen und deren Verfilmung nimmt dabei eine zentrale Rolle bei der Verbesserung von Oberflächeneigenschaften ein, insbesondere durch den Schutz vor Korrosion, Verschleiß und chemischen Einwirkungen. Der in dieser Arbeit entwickelte Prozess der photonischen Trocknung hat das Potential den technologischen Fortschritt in der Materialwissenschaft als Alternative zu den derzeit in der Praxis eingesetzten ineffizienten und energieintensiven Trocknungsmethoden vor-anzutreiben. Diese traditionell herkömmlichen Methoden sind mit erheblichen Energieverlusten verbunden, da lediglich nur etwa ein Prozent der im Ofen erzeugten Energie tatsächlich für das Erwärmen und Aushärten des Beschichtungsstoffes genutzt wird. Die photonische Trocknung ist effizienter, da durch die Bestrahlung mit Licht dieses direkt und selektiv dorthin gelenkt werden kann, wo es benötigt wird. Die photonische Trocknungstechnologie kann daher als vielversprechende Lösung angesehen werden, da die in dieser Arbeit entwickelte Technologie auf der Nutzung von Nahinfrarotstrahlung in Kombination mit maßgeschneiderten Nahinfrarotabsorbern basiert. In dieser Arbeit wird diese Technologie hinsichtlich der Synthese der NIR-Absorber, dem Einsatz verschiedener Nahinfrarot-Lichtquellen und deren Anwendung in der Industrie näher untersucht. Für diese Materialien wurden Syntheseverfahren entwickeln, welche es ermöglichen Materialien in einem größeren Maßstab in technischer Reinheit herzustellen. Insbesondere NIR-Absorber auf der Basis von Benzo[cd,]indolium wurden aufgrund ihrer Trocknungseffizienz hinsichtlich ihrer photochemischen und photophysikalischen Eigenschaften näher analysiert. Dies hat zu einem besseren Verständnis, wie der hohe Wirkungsgrad dieser Absorber in Bezug auf die absorbierte Lichtenergie in Wärme umgewandelt wird, beigetragen. Der Prozess der strahlungslosen Desaktivierung wird dabei als treibender Prozess angesehen. Je nach Beschichtungssystem werden Temperaturen bis zu 220 °C benötigt, um reaktive Spezies für die vernetzende Polymerisation zu generieren oder thermische Reaktionen zu aktivieren. Das erfordert ein grundlegendes Verständnis über den Einfluss der einzelnen Bausteine der Absorberstruktur und die Kompatibilität im Anwendungsmedium. Die anspruchsvolle, optimale Einstellung aller Parameter führt bei der photonischen Trocknung zu einer homogenen, ausgehärteten Oberfläche, die der Trocknung in einem konventionellen Ofen mit unveränderten Qualitätseigenschaften entspricht. Die Reduktion des Energieverbrauchs oder die präzisere Prozesssteuerung sind nur wenige weitere Vorteile, die diese Technologie so attraktiv machen. Die photonische Trocknung, die in dieser Arbeit entwickelt wurde, stellt somit eine zukunftsweisende Technologie dar, die dazu beitragen kann, die energetischen und wirtschaftlichen Herausforderungen der modernen Beschichtungsindustrie zu bewältigen. Das ist ein bedeutender Schritt zu weiteren nachhaltigen und wirtschaftlich effizienteren Produktionsmethoden. Die Funktionsweise des entwickelten Verfahrens wurde an einer Pilotanlage erfolgreich nachgewiesen.

The physical and chemical drying of coating materials has been developed as an energy-saving process using a new method disclosed as photonic drying, an alternative to current high-temperature processes carried out in convection ovens. The drying of coating materials and their film formation play a central role in improving surface properties, particularly by protecting against corrosion, wear, and chemical attack. As a major result of this work, the development of photonic drying is considered an alternative ecological process. This method has the potential to advance technological progress in materials science by introducing new technology, since the drying methods used in practice prove to be inefficient and energyintensive. These traditional methods associate with significant energy losses, as only about one percent of the energy generated in the oven is actually used to heat and cure the coating material. Photonic drying is more efficient because light can be directed directly and selectively directed to the local position where it is needed. Therefore, the photonic drying technology can be seen as a promising solution, as the technology developed in this thesis bases on the use of near-infrared (NIR) radiation in combination with tailor-made NIR absorbers. Here, this thesis discloses this technology with regard to the synthesis of the NIR absorbers, the use of different NIR light sources, and their application in industrial processes. For these materials, synthetic procedures were developed for the manufacture of materials of technical purity on a larger scale. In particular, NIR absorbers based on benzo[c,d]indolium have been studied in detail with respect to their photochemical and photophysical properties due to their efficient drying efficiency. This helped to gain a deeper understanding of how the high efficiency of these absorbers in terms of absorbed light energy is converted into heat. The process of radiationless deactivation is considered to be the main driving process proceeding in these compounds with high efficiency. Depending on the coating system, temperatures up to 220 °C are required to generate reactive species for crosslinking polymerization or to activate thermal reactions. This requires a fundamental understanding of the influence of the individual components of the absorber structure and their compatibility with the application medium. The sophisticated, optimal adjustment of all parameters in photonic drying results in a homogeneous, cured surface that is equivalent to drying in a conventional oven with unchanged quality characteristics. Reduced energy consumption and more precise process control represent just some of the other benefits that make this technology very attractive. Photonic drying, as developed in this work, is, therefore, a breakthrough technology that can help to address the energy and economic challenges of the nowadays modern coating industry. This is an important step towards more sustainable and economically efficient production methods. The functionality of the developed process was successfully demonstrated in a pilot plant. 

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