Фотоотверждаемые композиции для волоконных световодов

Интенсивное развитие новых технологий потребовало создания специальных покрытий для защиты оптического волокна от внешних физико-химических воздействий.

В начале разработок систем связи на волоконно-оптических элементах (1965-1979 гг.) выбор материалов для покрытий оптических волокон был весьма ограничен и включал в себя в основном такие материалы, как тефлон, лаки, полиолефины, силоксановые эластомеры. Для нанесения таких материалов требуется достаточно сложное технологическое оборудование (экструдеры, специальные термопечи и др.), и сам процесс довольно длителен. В 1980-е гг. сотрудниками фирмы GAF Corp., AT Bell Labor., Eastm. Kod. Co, работающими над созданием полимерных покрытий, были получены различные составы олигомеров, чрезвычайно быстро отверждающиеся под УФ-облучением. Это привело к упрощению технологии производства волоконных световодов и существенному снижению затрат.

УФ-отверждаемая композиция для оптических волокон должна отвечать следующим требованиям: не содержать высоколетучих токсичных компонентов, обладать требуемой вязкостью, быть однокомпонентной, иметь незначительную усадку в результате полимеризации. Покрытие на основе такой композиции должно наноситься на оптическое волокно в процессе вытяжки со скоростями более 30 м в минуту, обеспечивать его механическую прочность и работоспособность в широком интервале температур. Материал на основе фотоотверждаемых композиций не должен влиять на передаточные характеристики оптического волокна, что может быть вызвано, например, усадкой при полимеризации, неоднородностью структуры, недостаточной устойчивостью к механическим, химическим, термическим условиям эксплуатации. Фотоотверждаемые композиции имеют большое будущее и в других областях науки и техники (например, для офсетных красок, оптических дисков, декоративных материалов и др.). Однако удельный вес фотоотверждаемых композиций, по сравнению с другими полимерами, пока невелик. Мировое потребление покрывных материалов составляет 20 млн. тонн в год, и при этом ежегодно в атмосферу выбрасываются 8 млн. тонн растворителей. Альтернативные экологические лакокрасочные материалы, отверждаемые под действием излучения (УФ и электронного), занимают меньше 1 % от общей массы.

УФ-отверждение является фотохимическим процессом, при котором мономеры (олигомеры) подвергаются полимеризации и (или) сшиванию. УФ-полимеризуемые композиции содержат фотоинициатор (сенсибилизатор), который поглощает УФ-энергию и инициирует полимеризацию мономеров. Скорость фотополимеризации зависит от нескольких факторов:

· от химического строения соединений, входящих в состав композиции: каждый мономер (олигомер) отверждается с различной скоростью, связанной с его реакционной способностью, а также с количеством и активностью фотоинициатора (сенсибилизатора);

· от толщины слоя покрытия: чем толще слой, тем больше время его экспозиции под УФ-облучением. К тому же количество поглощенной энергии света падает экспоненциально с глубиной отверждаемого слоя. Например, если слой толщиной 1 мм поглощает 90 % падающей энергии, то следующий слой в 1 мм поглощает уже 90% остатка, то есть 9 % исходного количества энергии. Чтобы привести количество энергии во втором слое к эквивалентному (с первым слоем) количеству, необходимо увеличить исходное освещение в 10 раз. Таким образом, двукратное увеличение толщины отверждаемого слоя требует 10-кратного повышения интенсивности УФ-облучения;

· от количества световой энергии, приходящейся на единицу поверхности покрытия: до определенного момента скорость отверждения растет с увеличением количества энергии, приходящейся на единицу поверхности. Например, увеличение указанной энергии в 2 раза может привести к 3-х, 4-х или 10-кратному росту скорости отверждения. Отсюда следует, что для повышения скорости отверждения лучше использовать одну более мощную лампу, чем две меньшей мощности;

· от спектра источника излучения: спектры поглощения фотоинициатора (сенсибилизатора) и мономера (или других добавок) не должны совпадать. С другой стороны, спектр излучения должен совпадать со спектром возбуждения фотоинициатора. Ртутные лампы среднего давления излучают в широком интервале длин волн (180-400 нм), поэтому они пригодны практически для всех процессов УФ-отверждения.

· Для системы, содержащей жидкую УФ-отверждаемую композицию, полимеризующуюся только в присутствии фотоинициатора, процесс УФ-отверждения как свободно-радикальной полимеризации может быть описан схемой, включающей элементарные стадии инициирования, роста и обрыва цепей.

УФ-отверждаемые композиции на основе эпоксиакрилатов были описаны ещё в 1958 г. Они не предназначались специально для защиты OВ, но показали высокие скорости фотополимеризации и хорошие эксплуатационные свойства полимеров. Это позволило позднее использовать их в качестве УФ-отверждаемых композиций для 0В. Так, авторы использовали бромированный бисфенол, который этерифицировали акриловой кислотой в присутствии диглицидилового эфира 1,4-бутандиола, гидрохинона и диэтиламиноэтанола. К полученной композиции добавляли фотоинициатор и силановую адгезионную добавку. Такая композиция позволяет покрывать OВ защитным полимерным покрытием со скоростью до 25 м/мнн [12].

Способ синтеза олигомеров, в частности, эпоксиакрилатов, достаточно отработан и поддается простому контролированию хода реакции по кислотному или эпоксидному числу, а также по изменению динамической вязкости продукта.

Известна эпоксиакрилатная фотоотверждаемая композиция, содержащая до 40% диакрилатов и имеющая высокую скорость полимеризации.

Строение основного компонента, полученного этерификацией эпоксиолигомеров акриловой кислотой, авторы выражают следующей формулой:

Аr, X-алкилэфирные остатки.

Некоторые аспекты процесса УФ-отверждения лаков и красок в типографии

В области отделки печатной продукции все большую популярность завоевывают лаки, отверждаемые под действием УФ-излучения. По сравнению с другими видами лаков (оксиполимеризующимися на масляной основе, дисперсионными на водной основе и на базе летучих растворителей) в их пользу можно привести много аргументов: глянец, стойкость к истиранию, малое время высыхания (менее 1 с), возможность избирательного нанесения лака, экологическая чистота и низкий расход электроэнергии. По первым четырем параметрам УФ-лаки значительно превосходят другие. (Хотя здесь речь идет о лаках, то же самое можно отнести и к УФ-краскам.) Отверждение этих материалов происходит в специальных модулях сушки, которые отличаются невысоким расходом электроэнергии и небольшими габаритами.

На отечественном рынке полиграфматериалов появилась масса различных лаков и красок, отверждаемых под действием УФ-излучения. Причем, если краски предлагаются производителями в основном для трафаретной и флексографской печати, то лаки — и для офсета. Стоит отметить, что в состав покрытия для определенного способа печати вводятся различные компоненты и добавки, исключающие использование этого продукта для другого вида печати. Важным фактором при покупке УФ-лаков и красок является информация от производителя о необходимой для полимеризации энергетической освещенности (экспозиции) и максимально возможной скорости отделки печатного оттиска при использовании определенного вида лака или краски. Весомой также является информация от поставщика о способности печатной продукции длительно сохранять свои потребительские свойства. Например, некоторые лаки со временем желтеют, что может весьма негативно сказаться на изображении. Другой неприятный фактор, проявляющийся со временем — снижение стойкости к истиранию. Это ведет к тому, что яркая блестящая поверхность становится мутной и исцарапанной. Следует упомянуть о том, что при использовании УФ-отверждаемых лаков могут возникнуть трудности, связанные с растеканием лака по запечатанной поверхности, а также с высыханием залакированного оттиска. В этом случае рекомендуется лакировать уже высохшие оттиски (речь идет об использовании обычных офсетных красок) или же печатать соответствующими УФ-красками — это сочетание дает оптимальное качество.