Cyanine für die physikalische und chemische Trocknung wässriger Beschichtungen mit modernen Nahinfrarotstrahlungsquellen
In dieser Arbeit wird das Potenzial von Cyaninen mit Absorption im Nahinfrarot (NIR)
allein und mit Iodoniumsalzen zur Trocknung und Härtung von wässrigen Lacksystemen
mittels NIR-Strahlung untersucht. Diese photonischen Technologien haben das
Potenzial, konventionelle Ofentechnologien zu ersetzen und durch gesteigerte Energieeffizienz
Treibhausgasemissionenen zu reduzieren. Der Fokus liegt auf der Verwendung
einer Hochleistungs-NIR-LED mit einer Emissionswellenlänge von 820nm. Es wird gezeigt,
dass die vorliegenden Cyanine bei einer Konzentration von 0,05 wt% und einer
Schichtdicke von 100 μm eine hohe Absorptionseffizienz von 62% bis 86% aufweisen
und so effizient Strahlung in Wärme umwandeln. Die Cyanine S1 und S2 können die
Temperatur einer wässrigen Beschichtung unter NIR-Bestrahlung um bis zu 2 ◦Cs−1
erhöhen, während die Strahlung allein nur eine Erhöhung von 0,1 ◦Cs−1 bewirkt. Diese
Ergebnisse zeigen das Potenzial zur Beschleunigung der Trocknung von Beschichtungen.
Das Laser Speckle Imaging (LSI) erweist sich als effektiv zur detaillierten Analyse
der Trocknung. Es wird gezeigt, dass die Kombination aus Cyanin S5 und der NIR-LED
zu einer zusätzlichen Reduzierung der Trocknungszeit um 48% im Vergleich zur alleinigen
Nutzung der NIR-LED führt. Zusätzlich werden semi-interpenetrierende Netzwerke
(SIPN) durch Kombination der physikalischen NIR-Trocknung und der UV-Härtung
mit hohen C=C-Umsätzen (bis zu 93%) und Gelgehalten (bis zu 99,7%) entwickelt.
Darüber hinaus kann eine simultane physikalische Trocknung und chemische Härtung
eines wässrigen Lacksystems durch Cyanin S5 und Iodoniumsalz LAC unter NIR und
Stickstoffatmosphäre erzielt werden. Die höchste Reaktivität, sowie der höchste Endumsatz
wurden bei einer Konzentration von 0,15 wt% S5 und 0,4 wt% LAC erreicht.
Eine Analyse der Fluoreszenzlöschung zeigt, dass die Reaktion zwischen S5 und LAC
über einen statischen Mechanismus verläuft. Demnach liegt ein Komplex im Grundzustand
mit einer Bildungskonstante Ks von (6350 ± 357) L mol−1 vor. Die Analyse der
photophysikalischen Eigenschaften der Cyanine ermöglichen zudem die Bestimmung
von Struktur-Wirkungs-Beziehungen hinsichtlich verschiedener Substituenten.
This thesis investigates the potential of cyanines alone and in combination with iodonium
salts for drying and curing of aqueous coating systems using NIR radiation. These
photonic technologies have the potential to replace conventional oven technologies and
reduce greenhouse gas emissions through increased energy efficiency. The focus is on
the use of a high-power NIR LED with an emission wavelength of 820nm. It is shown
that the cyaines used at a concentration of 0,05 wt% and a layer thickness of 100 μm
have a high absorption efficiency of 62% to 86% and thus efficiently convert radiation
into heat. Cyanines S1 and S2 can increase the temperature of an aqueous coating
by up to 2Ks−1 under NIR irradiation, while radiation alone only causes an increase
of 0,1Ks−1. These results demonstrate the potential for accelerating the drying of
aqueous coatings. Laser speckle imaging (LSI) is shown to be effective for analyzing
photonic drying processes. It is shown that the combination of the absorber S5 and
the NIR-LED leads to an additional reduction of the drying time by 48% compared
to the use of the NIR-LED alone. In addition, semi-interpenetrating networks (SIPN)
with high C=C conversions (up to 93%) and gel contents (up to 99,7%) are developed
by combining physical NIR drying and UV curing. In addition, simultaneous physical
drying and chemical curing of an aqueous coating system under NIR irradiation can be
achieved by using cyanine S5 and iodonium salt LAC in a nitrogen atmosphere. The
highest reactivity and final conversion is achieved at a concentration of 0,15 wt% S5
and 0,4 wt% LAC. Fluorescence quenching analysis shows that the reaction between
S5 and LAC proceeds by a static mechanism. Accordingly, a complex with a formation
constant Ks of (6350 ± 357) L mol−1 is present in the ground state. By analyzing the
photophysical properties of the cyanines, structure-activity relationships with regard
to different substituents can also be shown
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